DE60305486T2 - Luftunterstützter Ultraschallzerstäuber - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen luftunterstützten Ultraschallzerstäuber mit einem erhöhten Durchsatz der zu zerstäubenden Flüssigkeit, einer verbesserten Zerstäubungsqualität und einer geregelten und reduzierten Sprühnebeltropfengrößenverteilung.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ultraschallzerstäuber, die sich aus piezoelektrischen Elementen zusammensetzen, welche effizient an einen mechanischen Verstärker gebunden sind, sind bestens bekannt, z.B. aus US 4,153,201 , auf dem die Oberbegriffe von Anspruch 1 und 5 aufbauen. Der mechanische Verstärker gestattet das Erhöhen der durch die piezoelektrischen Elemente erzeugten akustischen Wellenenergie bis zu einem geeigneten Intensitätspegel, um den Zerstäubungsprozess in Gang zu bringen und aufrechtzuerhalten. Ultraschallzerstäuber können gemäß dem physikalischen Tropfenbildungsmechanismus in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden.
  • Die erste Kategorie betrifft Ultraschallzerstäuber, für welche die Tropfenproduktion hauptsächlich durch die Desintegration eines Flüssigkeitsstrahls dank einer Kapillarwelleninstabilität gesteuert wird. Diese Wellen treten in einer Flüssigkeit in Abhängigkeit von einem Fluss auf, der mit einer vibrierenden festen Oberfläche in Berührung bleibt. Diese feste Oberfläche wird häufig durch einen inneren Teil eines kleinen Kanals, der in dem mechanischen Verstärker hergestellt ist, gebildet, wobei die mechanischen Vibrationen parallel zu dem Flüssigkeitsfluss verlaufen. Die Zerstäubung erfolgt, sobald die Flüssigkeit den Kanal verlässt (siehe z.B. Patent US-A-5,687,905). Die vorliegende Erfindung betrifft nicht diesen Typ von Ultraschallzerstäubern.
  • Die zweite Kategorie betrifft Ultraschallzerstäuber, die durch Tröpfchenerzeugung basierend auf der Desintegration einer Masse von Ligamenten gekennzeichnet sind, welche aus einem quadratischen Oberflächenwelleninstabilitätsmuster resultiert. Dieser Prozess erfolgt auf einer Zerstäubungsoberfläche, welche unterschiedliche Formen aufweisen kann: konisch, kugelförmig, flach mit oder ohne Plateau .... Wenn die Flüssigkeit zur Zerstäubungsoberfläche gelangt, breitet sie sich unter der Vibrationswirkung beinahe unmittelbar aus und bildet einen Film, dessen Dicke vom Durchsatz abhängig ist. Der Flüssigkeitsfilm ist Quervibrationen ausgesetzt, und an seiner Grenzfläche entsteht ein quadratisches Wellenmuster. Die Flüssigkeitszufuhr kann durch einen Kanal, der in dem mechanischen Verstärker bis zu der Zerstäubungsoberfläche hergestellt ist, oder durch ein externes Rohr, welches sehr nahe an der Zerstäubungsoberfläche endet, gewährleistet werden. In jedem Fall ist der erforderliche Einspritzdruck sehr gering. Sindayihebura, Bolle, Cornet und Joannes (J. Acoust. Soc. Am. 103 (3), 1998, S. 1442–1448) entwickelten ein mathematisches Modell, welches eine exakte Bestimmung der optimalen Abmessungen der Ultraschallzerstäuber der zweiten Kategorie gemäß einer bestimmten Frequenz ermöglicht.
  • Wenngleich diese Ultraschallzerstäuber weit feinere Sprühnebel als herkömmliche mechanische Sprühdüsen erzeugen, ist die resultierende Sprühnebeltropfengrößenverteilung eventuell nicht so schmal wie erwartet. Tatsächlich werden mitunter große Tropfen erzeugt. Das Vorkommen dieser Tropfen macht den Zerstäuber für manche Anwendungen im Haushalt oder in der Industrie ungeeignet. Ferner wurde beobachtet, dass mit der Schwankung des Flüssigkeitsdurchsatzes nicht unwesentliche Schwankungen der Sprühnebeleigenschaften und -tropfengrößenverteilung einhergehen können. Der Anstieg des Durchsatzes bewirkt eine grobe Zerstäubung und einen höheren Energieverbrauch. Ein derartiges Verhalten schränkt die mögliche Verwendung dieser Zerstäu ber bei Anwendungen für Haushalt oder Industrie, die nur sehr niedrige Durchsatzwerte voraussetzen, ein.
  • ZIELE DER ERFINDUNG
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Niederfrequenz-Ultraschallzerstäuber mit einem erheblich erhöhten Durchsatz der zu zerstäubenden Flüssigkeit, einer verbesserten Zerstäubungsqualität und einer geregelten und reduzierten Tropfengrößenverteilung bereitzustellen, wobei die Nachteile von im Stand der Technik bekannten Lösungen behoben werden.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit, umfassend folgende Schritte:
    • – Bereitstellen eines Ultraschallzerstäubers, umfassend einen mechanischen Verstärker mit einem freien Ende, welches eine Zerstäubungsoberfläche bildet, und einen Flüssigkeitszufuhrkanal, welcher der Zerstäubungsoberfläche Flüssigkeit zuführt,
    • – Befestigen des Ultraschallzerstäubers in einem Gehäuse mittels eines Befestigungsgurts, der mit Gasdurchgängen versehen ist, wobei das Gehäuse nicht mit dem mechanischen Verstärker in Kontakt ist,
    • – Induzieren eines Gasstroms rund um den Ultraschallzerstäuber, der zu einer Reihe von Löchern in der Zerstäubungsoberfläche hin gerichtet ist, und
    • – Zerstäuben von Flüssigkeit an der Zerstäubungsoberfläche.
  • Vorteilhafterweise wird der Gasstrom durch einen Einspritzdruck unter 1 bar induziert. Vorzugsweise ist der Gasstrom ein Luftstrom.
  • Bei einer typischen Ausführungsform wird der Ultraschallzerstäuber mit einer Frequenz unter 400 kHz betrieben.
  • In einer zweiten Aufgabe bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit. Die Vorrichtung umfasst einen Ultraschallzerstäuber, der mit einer Frequenz unter 400 kHz betrieben wird, wobei der Zerstäuber einen mechanischen Verstärker mit einem freien Ende, welches eine Zerstäubungsoberfläche bildet, und einen Flüssigkeitszufuhrkanal, welcher der Zerstäubungsoberfläche Flüssigkeit zuführt, umfasst. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Befestigungsgurt, welcher den Ultraschallzerstäuber in einem Gehäuse festhält, wobei das Gehäuse nicht mit dem mechanischen Verstärker in Kontakt steht. Der Befestigungsgurt umfasst Gasdurchgänge, und die Zerstäubungsoberfläche umfasst eine Reihe von Löchern, durch welche Gas strömen kann.
  • Vorteilhafterweise ist der Gasstrom ein Luftstrom.
  • Das Gehäuse ist für gewöhnlich als Blasdüse ausgestaltet.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Flüssigkeitszufuhrkanal innerhalb des Ultraschallzerstäubers angeordnet. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Flüssigkeitszufuhrkanal außerhalb des Ultraschallzerstäubers angeordnet.
  • In einer anderen Aufgabe bezieht sich die Erfindung auf eine Befeuchtungsvorrichtung, die eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit, wie sie zuvor beschrieben wurde, umfasst.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Seitenschnittansicht des Zerstäubungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine Seitenschnittansicht einer alternativen Ausführungsform des Zerstäubungssystems.
  • 3 zeigt die Zerstäubungsoberfläche der in 1 und 2 dargestellten Systeme.
  • 4 zeigt eine Seitenschnittansicht.
  • 5 zeigt die Zerstäubungsoberfläche der in 4 dargestellten Systeme.
  • 6, 7, 9 zeigt Alternativen der in 1, 2 und 4 dargestellten Zerstäubungssysteme. Diese Alternativen sind in erster Linie durch ein außerhalb des Zerstäubers angeordnetes Flüssigkeitszufuhrsystem gekennzeichnet.
  • 8 zeigt die Zerstäubungsoberfläche der in 6 und 7 dargestellten Zerstäuber.
  • 10 zeigt die Zerstäubungsoberfläche des in 9 dargestellten Zerstäubers.
  • 11 zeigt die volumenbasierte Tropfengrößenverteilung für einen Flüssigkeitsdurchsatz von 0,4 l/h.
  • 12 zeigt die volumenbasierte Tropfengrößenverteilung für einen Flüssigkeitsdurchsatz von 0,65 l/h.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die eigentliche Schwierigkeit bei der Ultraschallzerstäubungstechnologie ist die Steigerung des Flüssigkeitsdurchsatzes auf Pegel, die sich für die Verwendung in großtechnischen Anwendungen eignen. Der in der vorliegenden Erfindung beschriebene Zerstäuber eignet sich für Luftaufbereitungsanwendungen, insbesondere für jene, welche einen hohen Flüssigkeitsdurchsatz benötigen, wie beispielsweise die Befeuchtung. Es gibt viele andere Anwendungen für Industrie und Haushalt wie die Zerstäubung von Brennstoff in Kraftmaschinen mit Innenverbrennung und in Brennern sowie die Diffusion von spezifischen Flüssigkeiten in Kunstschneeherstellungssystemen.
  • Der Ultraschallzerstäuber mit niedriger Frequenz (weniger als 400 kHz), welcher in der Erfindung offenbart wird, gehört der im Stand der Technik beschriebenen zweiten Kategorie von Ultraschallzerstäubern an. Die Probleme der im Stand der Technik bekannten Lösung werden dank einem hinlänglichen und effizienten Luftstrom bewältigt, welcher durch eine Reihe kleiner Öffnungen erzeugt wird, die in der Zerstäubungsoberfläche des Zerstäubers vorgesehen sind. Der Luftstrom wird durch einen sehr geringen Einspritzdruck (ΔPi < 1 bar) induziert. Wider Erwarten genügt ein klein ausgelegter Ventilator oder eine Ablenkung eines kleinen Luftanteils, der durch den Lüftungsschacht tritt, um die erforderliche Wirkung zu erzielen.
  • Diese Luftstromtechnik ermöglicht es, die Kontakte zwischen Ligamentenden, deren Bruch den Tropfenbildungsprozess herbeiführt, zu reduzieren, um das Aufprallen von Tropfen zu begrenzen und einen besseren Abtransport der Tropfen in der Umgebung der Zerstäubungsoberfläche zu erhalten. Zu anderen Vorteilen zählen:
    • – erhebliche Steigerung des Durchsatzes der zerstäubten Flüssigkeit bei Aufrechterhaltung einer sehr guten Zerstäubungsqualität ohne erhöhten Energieverbrauch,
    • – Erzeugung von Flüssigkeitssprühnebeln, die feiner sind als jene, welche mittels der herkömmlichen Ultraschallzerstäuber der zweiten Kategorie hergestellt werden: beispielsweise beträgt bei einer Arbeitsfrequenz von 55 kHz der gemessene Durchmesser der größten Tröpfchen in den Sprühnebeln 150 μm beim nichtluftunterstützten Zerstäuber und 98 μm bei einem luftunterstützten Ultraschallzerstäuber bei einem Einspritzluftdruck von etwa 200 mbar, und
    • – Möglichkeit, den Sprühwinkel, der auf die Luftstromrichtung einwirkt, zu regeln.
  • 1 zeigt den stromabwärtigen Teil eines luftunterstützten Ultraschallzerstäubers. Der Ultraschallzerstäuber selbst ist aus einem Paar von piezoelektrischen Elementen (1), einem mechanischen Verstärker (2) und einer Lagerung (3), welche die piezoelektrischen Elemente gegen den Verstärker klemmt, hergestellt. Das freie Ende des mechanischen Verstärkers bildet die Zerstäubungsoberfläche (4). Sie umfasst eine Reihe von klein bemessenen Löchern (9), durch welche ein großer Anteil der Luft strömt. Das Zuführen von Flüssigkeit wird durch Verwendung eines Kanals von kleinem Durchmesser (7), welcher im mechanischen Verstärker (2) ausgebildet ist (1 bis 5), oder in Kontakt mit der Zerstäubungsoberfläche (4) und durch Zuführen von Flüssigkeit zu der Oberfläche (6 bis 10) realisiert. Ein Befestigungsgurt (6) befestigt den Ultraschallzerstäuber in einem Gehäuse (5), welches den Luftstrom begrenzt. Der Zerstäuberbefestigungsgurt ist symmetrisch perforiert (8), um Luftdurchgänge (10) vorzusehen. Das begrenzende Gehäuse kann vorteilhafterweise als Blasdüse ausgestaltet sein. Seine innere Geometrie ist derart ausgebildet, dass der Luftstrom zu den Löchern an der Zerstäubungsoberfläche hingerichtet wird. Es ist wichtig, dass zwischen der Blasdüse (begrenzendes Gehäuse (5)) und dem mechanischen Verstärker (2) kein Kontakt besteht. Demnach begrenzen der nach unten verlaufende Teil der Blasdüse und die Zerstäubungsoberfläche einen ringförmigen Spalt von sehr kleiner Dicke ('d' in 1). Dies ermöglicht ein Minimieren des Gasdurchsatzes, welcher von diesem Spalt austritt. Das Positionieren des Zerstäubers in dem begrenzenden Gehäuse wird realisiert, um einen symmetrischen Gasstrom rund um den Ultraschallzerstäuber zu gewährleisten.
  • Mehrere Ausführungsformen können in Betracht gezogen werden. Wie oben besprochen wurde, lässt die Blasdüse in 1 nur einen sehr schmalen Spalt mit dem begrenzenden Gehäuse. Einige Kanäle zum Hindurchführen der Luft können vorgesehen werden. Die Zerstäubungsoberfläche (4) ist in 3 dargestellt, gemeinsam mit den klein bemessenen Löchern (9) und dem Auslass des Flüssigkeitszufuhrkanals (7). In 2 wird die Luft unmittelbar zu der Zerstäubungsoberfläche geführt. In 4 ist das begrenzende Gehäuse anders geformt, was eine Zerstäubungsoberfläche mit weniger Löchern ergibt, wie in 5 zu sehen ist.
  • 6, 7 und 9 stellen Ausführungsformen dar, wobei der Flüssigkeitszufuhrkanal anders angeordnet ist. Für diese Fälle ist kein Loch in der Mitte der Zerstäubungsoberfläche zum Zuführen der Flüssigkeit erforderlich.
  • Einige Ergebnisse mit einem 55kHz-Ultraschallzerstäuber werden nun besprochen. Der maximale Wasserdurchsatz (qv) eines 55kHz-Zerstäubers, nicht luftunterstützt, beträgt 1,1 l/h. Bei einem durch einen Einspritzdruck von 200 mbar induzierten Luftstrom (ΔPiLuft = 200 mbar) steigt der maximale Flüssigkeitsdurchsatz (qv) auf 4,2 l/h. 11 und 12 zeigen die volumenbasierte Trop fengrößenverteilung, welche für zwei unterschiedliche Flüssigkeitsdurchflussraten, 0,40 l/h bzw. 0,65 l/h, erhalten wird. In beiden Fällen beträgt der Lufteinspritzdruck 200 mbar. Es ist zu ersehen, dass der resultierende Sprühnebel weit feiner ist, wenn die Zerstäubung luftunterstützt ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit, umfassend folgende Schritte: – Bereitstellen eines Ultraschallzerstäubers, umfassend einen mechanischen Verstärker (2) mit einem freien Ende, welches eine Zerstäubungsoberfläche (4) bildet, und einen Flüssigkeitszufuhrkanal (7), welcher Flüssigkeit zu der Zerstäubungsoberfläche (4) zuführt, – Befestigen des Ultraschallzerstäubers in einem Gehäuse (5) mittels eines Befestigungsgurts (6), der mit Gasdurchgängen (10) versehen ist, wobei das Gehäuse (5) nicht mit dem mechanischen Verstärker (2) in Kontakt ist, gekennzeichnet durch – Induzieren eines Gasstroms rund um den Ultraschallzerstäuber, der zu einer Reihe von Löchern in der Zerstäubungsoberfläche (4) hin gerichtet ist, und – Zerstäuben von Flüssigkeit an der Zerstäubungsoberfläche (4).
  2. Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom durch einen Einspritzdruck von unter 1 bar induziert wird.
  3. Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom ein Luftstrom ist.
  4. Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultra schallzerstäuber mit einer Frequenz von unter 400 kHz betrieben wird.
  5. Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit, umfassend einen Ultraschallzerstäuber, der mit einer Frequenz von unter 400 kHz betrieben wird, wobei der Zerstäuber einen mechanischen Verstärker (2) mit einem freien Ende, welches eine Zerstäubungsoberfläche (4) bildet, und einen Flüssigkeitszufuhrkanal (7), welcher Flüssigkeit zu der Zerstäubungsoberfläche (4) zuführt, umfasst, wobei die Vorrichtung ferner einen Befestigungsgurt (6) umfasst, welcher den Ultraschallzerstäuber in einem Gehäuse (5) festhält, wobei das Gehäuse nicht mit dem mechanischen Verstärker (2) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsgurt (6) Gasdurchgänge (10) umfasst und die Zerstäubungsoberfläche (4) eine Reihe von Löchern umfasst, durch welche Gas strömen kann.
  6. Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom ein Luftstrom ist.
  7. Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) als Düse ausgestaltet ist.
  8. Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitszufuhrkanal (7) innerhalb des Ultraschallzerstäubers angeordnet ist.
  9. Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitszufuhrkanal (7) außerhalb des Ultraschallzerstäubers angeordnet ist.
  10. Befeuchtungsvorrichtung, umfassend eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9.
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