DE3233901C2 - Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber - Google Patents

Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber

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DE3233901C2 DE3233901A DE3233901A DE3233901C2 DE 3233901 C2 DE3233901 C2 DE 3233901C2 DE 3233901 A DE3233901 A DE 3233901A DE 3233901 A DE3233901 A DE 3233901A DE 3233901 C2 DE3233901 C2 DE 3233901C2
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Abstract

Ein Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber besitzt ein piezoelektrisches Wandlerelement, das mechanisch mit einem Amplitudentransformator gekoppelt ist, und einen am freien Ende des Amplitudentransformators angeordneten Zerstäuberteller. Zerstäuberteller und Amplitudentransformator sind so aufeinander abgestimmt, daß das Schwingungssystem Zerstäuberteller/Amplitudentransformator dieselbe Resonanzfrequenz wie das Wandlerelement, vorzugsweise ca. 60 kHz, aufweist. Ferner sind die Querschnittsübergänge zwischen Wandlerelement und Amplitudentransformator einerseits und zwischen Amplitudentransformator und Zerstäuberteller andererseits kerbspannungsarm ausgebildet. Ein derartig ausgestalteter Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber besitzt nicht nur gute Schwingungseigenschaften, sondern zeichnet sich darüber hinaus auch durch vorteilhaft lange Standzeiten aus. Er ermöglicht einen spezifischen Flüssigkeitsdurchsatz und vermeidet Kavitation und damit Spratzerbildung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Piezoelektrische Ultraschallschwinger zur Flüssigkeitszerstäubung sind bekannt. Zum Stand der Technik wird beispielsweise verwiesen auf die Zeitschrift »Technische Informationen für die Industrie«, November 1978, herausgegeben von der Firma VALVO, Hamburg. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber der in Rede stehenden Art bestehen aus einem piezoelektrischen Wandlerelement, welches, bei einer üblichen Ausführungsform, mechanisch fest mit einem Amplitudentransformator (sog. Horn) gekoppelt ist Im Wandlerelement erfolgt die Umformung von elektrischer in mechanische Energie, während mit dem »Horn« eine Vergrößerung der Amplituden erzielt wird. Um möglichst große Amplituden zu erhaÄten, ist es außerdem erforderlich, daß der Zerstäuber in der Nähe seiner Serienresonanz schwingt. Weitere Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubcr sind
ίο durch die US-PS 34 00 892 und die DE-PS 28 31 553 und 21 37 083 bekanntgeworden.
Die bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszersläuber arbeiten mit Amplitudentransformatoren, deren Längen mindestens 1U (z. B. US-PS 34 00 892) bis ein ganzzahliges Vielfaches von XU (DE-PS 28 31 553 un 21 37 083) betragen. Hierbei bedeutet -V4 die Schwingungswellenlänge des Zerstäubertellers.
Die im vorstehenden aufgeführten bekannten Ultra schall-Flüssigkeitszerstäuber haben sich insbesondere hinsichtlich folgender Punkte als unbefriedigend erwiesen.
a) Sie weisen aufgrund von auftretenden Kerbspannungen zu geringe Standzeiten auf. Das Problem liegt hierbei in einer geeigneten Dimensionierung desUltraschall-Füissigkeitszerstäubers.
b) Die bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszersläuber weisen einen zu geringen spezifischen Flüssigkeitsdurchsatz auf. Hierbei liegt die Problematik in der Tatsache, daß der gesamte Amplitudentransformator schwingt und kein Biegeelement mit nach außen zunehmender Biegeamplitude ist Aufgrund dessen waren bisher vergleichsweise große Schwinger erforderlich.
c) Die bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubcr sind durch Spratzerbildung aufgrund von Kavitation gekennzeichnet. Problematisch sind hier die großen Amplituden des als Stukiriissel ausgebildeten Amplitudentransformators im Bereich der Flüssigkeitszuführung. Hierdurch werden die nachteiligen Spratzer verursacht
Ein Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber der eingangs bezeichneten Gattung ist durch die DE-PS 13 03 771 bekanntgeworden. Sein wesentliches Merkmal besieht darin, daß die Biegeplatte (flüssigkeitsabnebelnde Platte) selbst auf Resonanz mit dem Wandlerelement abgestimmt sein soll. Über eine Abstimmung auch des Amplitudentransformators auf Resonanz mit dem Wandlerelement ist in der genannten DE-PS nichts ausdrücklich gesagt. Allenfalls könnte sich dieses Merkmal aus einer zusammenschauenden Betrachtung der Ansprüche 2 und 1 der DE-PS ergeben.
Einen weiteren Ultraschall-Flüssigkeits/.erstäuber zeigt die DE-OS 20 32 433. Aber auch beim Gegenstand dieser Druckschrift wird (ebenso wie beim Gegenstand der oben abgehandelten DE-PS 13 03 771) gefordert, daß der in der DE-OS 20 32 433 als »Arbeitsplatte 4« bezeichnete Zerstäuberteller selbst in Resonanz mit dem unmittelbar auf dem Wandler befestigten Biegeschwinger sein muß.
Einen Ultraschall-Flüsigkcitszerstäubcr der in Rede stehenden Art zeigt schließlich der »Forschungsbericht des Landes Nordrhein-Westfalen Nr. 2842/Fuchgruppo
b5 Maschinenbau/Verfahrenstechnik«, 1979.
Wie auf S. 14 und 15 des genannten Forschungsbcrichts beschrieben, soll die hinsichtlich des Gegenstandes der Abbildung 13 vorgeschlagene Maßnahme (Kür-
zung des Verbundschwingers) lediglich zur Vergrößerung der Nebclfläche führen, also zu einer »trompetenarligcn« Erweiterung (die allenfalls unbeabsichtigterweise die Biegespannung herabsetzt). Aus der Abbildung 11, rechte Darstellung, des Forschungsberichts ist klar zu ersehen, daß am Innenumfang des Tellers eine scharfe Kante ausgebildet ist Hierdurch dürften sich nachteiligerweise ganz erheblich die Standzeiten des bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubers verringern.
Nach dem bisher Gesagten sollten demnach Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber in erster Linie folgende Anforderungen erfüllen:
1. Sie sollten lange Standzeiten aufweisen.
2. Spezifische Flüssigkeitsdurchsätze sollten erzielbar sein.
3. K avitationsfreiheit sollte gegeben sein.
Um einen möglichst großen und vielseitigen Anwendungsbereich der in Rede stehenden Ultraschall-FIüssikgeitszerstäuber zu gewährleisten, sollten die im vorstehenden genannten Eigenschaften nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch noch bei sehr hohen Temperaturen, wie sie z. B. für Ölbrenner charakteristisch sind, gegeben sein.
Die auf dem Markt befindlichen bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber erfüllen die vorerwähnten Voraussetzungen nicht oder nur unbefriedigend. Bei bzkanntcn Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubern (vgl. hierzu die eingangs genannte Literaturstelle) sind zwar gute Schwingungseigenschaften vorhanden, jedoch wird di°s offenbar mit indiskutabel kurzen Standzeiten erkauft (Auftreten von Biegebrüchen). Ein entsprechender Stand der Technik ist auch aus der DE-AS 29 04 861 entnehmar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Uitraschall-Flüssigkeitszerstäuber zu schaffen, der nicht nur gute Schwingungseigenschaften besitzt, sondern darüber hinaus auch die erforderlichen langen Standzeiten erreicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Hierbei gilt die bekannte Gesetzmäßigkeit A = c/f, wobei c die Schallgeschwindigkeit und / die Schwingungsfrequenz ist
Die erfindungsgemäße Lehre geht davon aus, daß d;r Amplitudentransformator oder Rüssel (zylindrisches Teil) an sich für sich allein ein schwingungsfähiges Gebilde darstellt, das sich aus einer trägen Komponente (»Masse« M\) und einer elastischen Komponente (»Feder« Fi) zusammensetzt. Ebenso hat der an der Spitze dieses Zylinders angebrachte Zerstäuberteller — in axialer Richtung gesehen — ebenfalls für sich allein Schwingungsfäh-igkeit, wobei er wiederum eine träge Komponente (»Masse« Afj) und eine elastische Komponente (»Feder« Fj) aufweist. Der entscheidende Gedanke der erfindungsgemäßen Lehre besteht nun darin, die beiden tragen Komponenten so zusammenzustellen, daß eine neue gemeinsame träge Komponente (»Masse« Ms) entsteht und die beiden elastischen Komponenten so zusammenzustellen, daß ebenfalls eine neue gemeinsame elastische Komponente (»Feder« F3) entsteht, wobei die beiden neuen Komponenten Mj und F) also ein gemeinsames, neues schwingungsfähiges Teil bilden, das insgesamt die gleiche Resonanzfrequenz wie das Wandlerteil besitzt. Keines der beiden Einzelelemente soll dagegen für sich allein Resonanzfrequenz mit dem Wandlerelement besitzen.
Durch die erfindungsgemäßen großen Querschnittsübergänge zwischen Wandlerelemem und Amplitudentransformator einerseits und zwischen Amplitudentransformator und Zerstäuberteller andererseits werden — zusätzlich zu den genannten vorteilhaften Schwingungseigenschaften — auch die angestrebten langen Standzeiten des in Rede stehenden Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubers erzielt.
Eine wesentliche Eigenschaft des erfindungsgemäßen Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubers besteht des weiteren darin, daß der Zerstäuberteller Biegeschwingungen ohne Knotenkreis bzw. -kreise ausführt, und zwar dergestalt, daß die Schwingungsamplitude zum Tellerrand hin stark zunimmt, in der Mitte aber einen bestimmten Mindestbetrag aufweist. Die Mindestgröße der Schwingungsamplitude in der Tellermitte ist dann gegeben, wenn die Flüssigkeit zwar anhaitet, aber noch keine Zerstäubung stattfindet. Aufgrund dieser durch die Erfindung erzielten vorteilhaften Eigenschaften wird die Spratzerbildung im Zuführungsb-.yeich des Zerstäuberteilers vermieden und trotzdem eine gnte Verteilung der Flüssigkeit über die gesamte Oberfläche desselben erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können ferner den Unteransprüchen sowie — anhand eines Ausführungsbeispiels — der Zeichnung und der nachstehenden Zeichnungsbeschreibung entnommen werden. Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform eines Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubers im Längsschnitt bzw. in Seitenansicht (jeweils hälftig).
Es bezeichnet 10 ein piezoelektrisches Wandlerteil, welches zur Umformung von elekrischer in mechanische Schwingungsenergie dient. Das piezoelektrische Wandlerteil besteht aus zwei Keramikscheiben. Zwischen den beiden Keramikscheiben 10 des piezoelektrischen Wandlerieils liegt eine mit 21 bezeichnete Elektrode, die einen (in der Zeichnung nicht gezeigten) elektrischen Anschluß nach außen erhält Die eint zylindrisehe Axialausnehmung 22 aufweisenden piezoelektrischen Scheiben 10, 21 sitzen konzentrisch auf einem iapfenteil 23, welches an seinem oberen freien Ende ein Gewinde 24 besitzt Nach unten hin verbreitert sich das Zapfenteil 23 absatzartig zu einem Wandierelement 12, welches als unterer axialer Anschlag für die drei piezoelektrischen Scheiben 10,21 dient. An der oberen Seite erfolgt die axiale Fixierung der piezoelektrischen Scheiben 10,21 durch eine Mutter 11, die auf das Gewinde 24 aufgeschraubt ist.
Wie weiterhin aus der Zeichnung hervorgeht, besitzt das Wandlerelemsnt 12 eine seitliche Anschlußbohrung 13, die der Zuführung der zu zerstäubenden Flüssigkeit in eine Axialbohrung 14 in einem Amplitudentransformuior 15 dient.
Die in der Zeichnung gezeigte Art der Flüssigkeitszuführung stellt aber nur ein Ausführungsberspiel dar. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind darüber hinaus weitere Möglichkeiten, die Flüssigkeit der zentralen Bohrung 14 des Amplitudentransformators 15 zuzuführen, denkbar. So ist z. B. auch eine axiale Flüssigkeitszuführung möglich.
Ebenso gibt es die verschiedensten (hier im einzelnen nicht gezeigten) Möglichkeiten, den aus der Zeichnung ersichtlichen Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber zu haltern. So ist es z. B möglich, den Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber an eine geeignete Haltevorrichtung anzuflanschen.
Die Zeichnung macht weiterhin deutlich, daß der Am-
plitudentransformator 15 einstückig mit den Teilen 12, 23 und 24 verbunden ist. Der Amplitudentransformator 15 geht an seinem Ende — ebenfalls einstückig — in einen Zerstäuberteller 16 über. Die Teile 15,16 werden von der bereits erwähnten Bohrung 14 mittig axial 5 duchsetzt. Die zu zerstäubende Flüssigkeit wird auf die mit 17 bezifferte Oberfläche des Zerstäubungstellers 16 gefördert, wo aufgrund der hochfrequenten Schwingungen des Zerstäubertellers 16 eine feine Zerstäubung der Flüssigkeit erfolgt.
Die Zeichnung läßt weiterhin erkennen, daß die Querschnittsübergänge 18 bzw. 19 zwischen Wandlerelement 12 und Amplitudentransformator 15 einerseits und zwischen Amplitudentransformator 15 und Zerstäuberteller 16 andererseits vergleichsweise große Radien von 2 mm (Übergang 18) bzw. 1,5 mm (Übergang 19) aufweisen.
Durch die großen Radien von 2,0 bzw. 1,5 mm ist eine kerbspannungsarme Ausbildung der Querschnittsübergänge 18 und 19 gewährleistet. Hierdurch werden Biegebrüche vermieden und somit entsprechend lange Standzeiten erzielt.
Die in der Zeichnung mit L bezeichnete wirksame Länge des Schwingungssystems Amplitudentransformator 15/Zerstäuberteller 16 beträgt '/|0 bis V10 der Schwingungswellenlänge -i/4. Die Länge L beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 16 mm. Der Amplitudentransformator 15 weist hierbei einen Durchmesser Da von 6 mm auf. Der Zerstäuberteller 16 besitzt einen Gesamtdurchmesser Dz von 12 mm. Auch beim Übergang 20 der Flüssigkeitsbohrung 14 in die Oberfläche 17 des Zerstäubertellers 16 ist ein vergleichsweise großer Übergangsradius vorgesehen. Ausgehend von einem beispielsweisen Durchmesser d der Flüssigkeitszuführungsbohrung 14 kann der Übergangsradius 20 z. B. 1,5 mm betragen, so daß sich auf der Oberfläche i/ des Zerstäubungsteiiers 16 ein Enddurchmesser der Flüssigkeitsbohrung 14 von 3 mm ergeben kann.
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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
45
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60
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Claims (4)

Patentansprüche:
1. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber, mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, das mechanisch mit einem Amplitudentransformator (auch als »Horn« oder »Rüssel« bezeichnet) gekoppelt ist, und mit einem am freien Ende des Amplitudentransformators angeordneten Zerstäuberteller, wobei nicht nur der Zerstäuberteller, sondern auch der Ampitudentransformator auf die Resonanzfrequenz des Wandlerelements abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäuberteller (16) und Amplitudentransformator (15) zu einem Gesamt-Schwingungssystem Zerstäuberteller/Amplitudentransformator (16, 15) zusammengefaßt sind, derart, daß dieses insgesamt dieselbe Resonanzfrequenz wie das Wandlerelement (12), vorzugsweise ca. 60 kHz, aufweist, wobei das Gesamt-Schwingungssystem Ämplitudentransformator/Zerstäuberteller (16,15) eine Länge (L) von mindestens 'Λο bis höchstens 9/)0 der Schwingungswellenlänge (-V4) aufweist, und daß der Radius des Querschnittsübergangs (18) zwischen Wandlerelement (12) und Amplitudentransformator (15) zu dem Durchmesser (Da) des Amplitudentransformators (15) in einem Verhältnis von V3 bis V4 steht und daß der Radius des Querschnittsübergangs (19) zwischen Amplitudentransformator (15) und Zerstäuberteller (16) zum Durchmesser (Dz) des Zerstäubertellers (16) in einem Verhältnis von V8 bis V6 steht
2. Ultraschall-Flüssigweitszeiotäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittsübergang (18) zwischen Wandlerelement (12) und Amplitudentransformator (15) einen Radius von 2 mm oder im wesentlichen 2 mm und der Querschnittsübergang (19) zwischen Amplitudentransformator (15) und Zerstäuberteller (16) einen Radius von 1,5 mm oder im wesentlichen 1,5 mm besitzt.
3. Ultraschall-Flüsigkeitszerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem Amplitudentransformator/Zerstäuberteller (16, 15) bei Durchmessern des Amplitudentransformators (15) von 6 mm und des Zerstäubertellers (16) von 12 mm und einer Dicke des Zerstäubertellers von etwa 1 mm eine Länge (L) von etwa 16 mm aufweist.
4. Ultraschall- Flüsigkeitszerstäuber nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudentransformator (15) mit axial durchsetzender Flüssigkeitszuführungsbohrung (14) mit einem zwischen Außenradius (19) und Oberfläche (17) stetig abnehmenden Querschnitt mittels Übergangsradien in den Zerstäuberteller (16) übergeht.
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