-
Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten Es ist bekannt, Flüssigkeiten
dadurch in die Form fein verteilter Tröpfchen zu überführen, daß man durch eine
hochfrequente elektrische Wechselspannung einen piezoelektrischen Kristall, z. B.
einen Quarzkristall, dessen lsigenfrequenz gleich der des Wechselfeldes ist, in
mechanische Schwingungen versetzt und die Flüssigkeit mit dem Kristall in Berührmig
bringt. Bei der hierzu verwandten \'ori-iclittnig war der Kristall völlig von der
Flüssigkeit bedeckt.
-
Es ist: ferner auch bereits bekannt, die Flüssigkeit zwecks Zerstäubung
in kleinen 11leiwen aiif einen hochfrequente mechanische Schwingungen ausführenden
Körper aufzubringen. Der die Zerstäubung bewirkende Körper war hierbei nicht der
Kristall selber, sondern ein durch ihn mittelbar zu Schwingungen angeregter, selber
durch die elektrische \Vechselspannung nicht zu mechanischen Schwingungen anregbarer
Glasstab.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung vermeidet die Nachteile der bekannten
Anordnungen, nämlich mangelhafte Zerstäubung bei der einen und geringen Wirkungsgrad
bei der anderen.
-
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten,
bei der die Flüssigkeit unmittelbar mit einem elektrisch in seiner Eigenfrequenz
erregten hochfrequent schwingenden piezoelektrischen Kristall in Berührung gebracht
wird, so ausgeführt, daß die Elektroden zum Erzeugen des die Schwingungen hervorrufenden
elektrischen Wechselfeldes den Kristall nur teilweise bedecken und daß entweder
die Flüssigkeit auf den von den Elektroden frei gelassenen Teil des Kristalls fällt
oder der Kristall nur mit diesem Teil in die Flüssigkeit eintaucht.
-
Nach dem weiter gehenden Gegenstand der Erfindung können die Elektroden
von der Berührungsstelle der Flüssigkeit mit dem Kristall so weit entfernt angeordnet
werden, daß ein Eindringen der Flüssigkeit zwischen Kristall und Elektroden vermieden
wird.
-
Die Erfindung möge an einigen beispielsweisen Ausführungsformen beschrieben
werden.
-
Abb. i stellt die Elektrodenanordnung eines Quarzkristalls gemäß der
Erfindung dar. Abb.2 zeigt, in welcher Weise das dabei benutzte Quarzstück aus einem
Stück Ouarzkristall herausgeschnitten ist.
-
Abb. 3 bis 6 zeigen verschiedene Beispiele der erfindungsgemäßen Anordnung.
-
In Abb. i stellt i eine Quarzplatte von quadratischer Fläche dar.
Abb. 2 zeigt, wie diese Kristallplatte aus einem Stück Quarzkristall ausgeschnitten
worden ist. Abb.2 zeigt schematisch den Schnitt durch einen Quarzkristall 3 senkrecht
zur optischen Achse. Durch diesen Schnitt wird der Quarzkristall etwa in einer sechseckigen
Fläche geschnitten. In dieser Schnittfläche liegt die rechteckige Fläche 2 des Quarzes
i. Von diesem Rechteck senkrecht Quarzes optischen Achse liegt die
lange
Kante (etwa 2o mm) in Richtung der elektrischen Achse des Quarzes, die kure Kante
(etwa 3/.i inm) in Richtung der neg-, tralen Achse des Quarzes. In Richtung der
optischen Achse, also senkrecht zur Ebene der, Abb.2, hat das ausgeschnittene Quarzstucl
eine Höhe von wiederum etwa 20 mm. Dde daneben gezeichnete Achsenkreuz deutet die
Lage der Achse an: E eine elektrische, tV eine neutrale und 0 die optische Achse.
Wenn irr dieser Art die Quarzplatte aus <lern Kristall ausgeschnitten wird, wird
die Grundschwingung von den piezoelektrischen Eigenschwingungen des Quarzes in bekannter
Weise ini wesentlichen durch die Dicke des Quarzes bestimmt (derart, daß die Wellenlänge
dieser Grundschwingung etwa 1,3 - 1o' mal so groß ist wie die Dicke der Quarzplatte-
1001r1 `Venenlänge bei 3/1i rann @ Plattendicke). In Abb. i ist das Achsenkreuz,
das die Lage der Kristallachse bei der ausgeschnittenen Quarzplatte angibt, ebenfalls
eingetragen. Diese Quarzplatte wird an den beiden quadratischen Flächen durch Metallelektroden
d. und 5 gehalten, die z. B. aus Neusilber von etwa io mm Breite und 2o min Länge
bestehen. Diese beiden Elektroden haben einen Abstand von etwa 3/,, 111111 und halten
die Quarzplatte, wenn sie dazwischengeschoben ist, durch einen schwachen elastischen
Anlagedruck. Wenn inan bei dieser Anordnung den Elektroden d und 5 hochfrequente
Wechselspannung, deren Frequenz der Eigenfrequenz der Quarzplatte entspricht (etwa
3 Millionen Hertz), zuführt; gerät der Kristall in mechanische Schwingungen. Diese
Schwingungen haben eine relativ große Amplitude, wenn keine zu große Fläche des
Quarzes durch das Anliegen der Elektroden gedämpft wird. Als besonders günstig wurde
gefunden, wenn etwa die Hälfte bis zwei Drittel der angegebenen Elektrodenflächen
mit den Quarzflächen Kontakt machte. Voraussetzung für eine gute mechanische Amplitude,
selbst bei geringer elektrischer Amplitude, ist dabei, daß der elastische Druck
der Elektrode auf die Quarzplatte nur so gering ist, daß die Quarzplatte gerade
gehindert ist, etw=a durch ihr eigenes Gewicht herauszufallen, und daß die Elektroden
auch anliegen. Als besonders wichtig für die Erzielung möglichst großer mechanischer
Schwingungsamplituden ist die Anordnung der Kristallachse in bezug auf die Elektroden.
Wenn man die Quarzplatte um ihre kurze Symmetrieachse K -(deren Verlängerung aus
dein Quarz heraus in Abb. i strichpunktiert gezeichnet ist) um cgo° dreht, so daß
alsdann die Fläche 2 der Quarzplatte die Lage einnimmt, die in Abb. i von der Fläche
6 eingenommen wird, so entsteht geometrisch dieselbe Anordnung der Quarzplatte in
bezug auf die Elektroden. Ohne die Achsenrichtung zu kennen, würde man äußerlich
die Verschiedenheit in der Anordnung 'des Quarzes nicht erkennen können. Elek-;,trisch
wäre jedoch der Unterschied, daß dann @ht mehr die elektrische Achse, sondern die
iptische Achse parallel zu den Längskanten der Elektrode verläuft. Bei dieser Anordnung
ergeben sich mit gleich geringen hochfrequenten Energien bedeutend kleinere Schwingungsamplituden
des Quarzes. Es soll daher im folgenden in der Hauptsache auf die Versuchsanordnung
Bezug genommen werden, die in Abb. i durch entsprechende Einzeichnung der Fläche
2 dargestellt ist. Bei einem Quarzkristall, der lange Zeit in Be-:rieb war, -zeigen
sich bei dieser Anordnung in der Mitte der quadratischen Fläche Schattierungei,
7 in Gestalt von etwa acht parallelen Linien von etwa 8 min Länge und i mm Abstand
parallel zur optischen Achse des Quarzes. Diese Linien lieben sich sowohl ini reflektierten
als auch ini durchfallenden Licht dadurch ab, daß sie das Licht anders reflektieren
bzw. zerstreuen als die übrigen, Teile der (matten) Kristallflächen. Nach den Seiten
des etwa i cm° großen, von ihnen bedeckten Gebietes in der Mitte der quadratischen
Quarzfläche werden, die Linien schwach und undeutlich. Wenn man annimmt, daß diese
Linien durch allmähliches Einschwingen des Quarzes in bestimmte Schwingungsarten
eiltstanden sind, kann angenommen werden, daß bei den mechanischen Schwingungen
des Quarzes Biegungsschwingungen beteiligt sind.
-
Abb. 3 bis 6 zeigen Anordnungen nach der Erfindung, in denen der piezoelektrisch
schwingende Kristall nach Art der Abb. i vorhanden ist. Die Anordnungen sind selbst
dann verwendbar, wenn die die mechanischer, Schwingungen anregenden hochfrequenten
elektrischen Schwingungen nur finit Hilfe kleiner Energien erzeugt werden.
-
In Abb.3 ist der Kristall zwischen den Elektroden .I und 5 etwa waagerecht
angeordnet. Eine Tropfvorrichtung 17 bewirkt, daß einzelne Tropfen 18 einer zu zerstäubenden
Flüssigkeit auf die Fläche der Quarzplatte derart auftreffen, daß die Flüssigkeit
nicht in den Raum zwischen den Elektroden ,4. und 5 und der Quarzplatte i gelangt.
Falls doch dorthin Flüssigkeit gelangt oder in die Nähe, so daß sich die Flüssigkeit
infolge der Kapillarwirkung in den engen Zwischenraum einsaugt, so wird wegen der
geringen Kompressibilität der Flüssigkeit die mechanische Schwingung des Quarzes
i zwischen den Elektroden 4 und 5 sofort gedämpft. Die Dämpfung hält an, bis durch
Reinigung, Verdunstung o. dgl. die Flüssigkeit zwischen Elektrode und Quarz wieder
verschwunden ist.
Sobald die Tropfen 18 auf die hochfrequent mechanisch
schwingende Quarzplatte i auffallen, werden sie in feinster Weise zu einem Strahl
i9 zerstäubt. Mine - ähnliche Zerstäuberwirkung läßt sich nach der Anordnung geniiil;l
Abb. - erreichen. Dort ist 2o ein 1#lüssigkeitsbehälter. Der Quarz i wird zweckmäßig
so arigeordiiet, daß eine Ecke, etwa die Ecke 21 gemäß Abb. i, in die Flüssigkeitsoberfläche
eintaucht. Jedenfalls darf nicht durch zu tiefes Eintauchen die Kristallbewegung
zii stark gedämpft werden. Die Ecke des Kristalls zerstäubt nunmehr die ihr entgegeiltretenden
Teile der Flüssigkeit zu einem Zerstäubungsstrahl icg. Bei beiden Anordnungen nach
Abb.3 und .I wurden gute Ergebnisse erzielt, beispielsweise finit Wasser, liloroforni,
heti-aclilorI;olilenstofF, Äther, Alkohol.
-
Wenn der Kristall in der Anordnung nach Abb. . etwas tiefer in eine
Flüssigkeit hineinget;iticlit wird, so daß die mechanischen ( )itarzschwingwlgen
bereits merklich gedämpft werden, tritt eine ?erstäubung nicht mehr ein; infolge
der verbleibenden gedämpften Schwingung en des Quarzes treten Oberflächenwellen
in dein Fliissigl:eitsgefäß 20
auf. Je zäher die Flüssigkeit ist, um so schwieriger
ist es, eine feine Zerstäubung zu erzielen. Bei gleicher Anordnung der Elektroden
kann nian also erreichen, daß etwa bei Benutzung von Äther die Flüssigkeit zerstäubt
wird (Abb.4), bei Benutzung von Öl die Flüssigkeit Oberflächenwellen zeigt uns bei
Benutzung voll Wasser beide Vorgänge zu gleicher Zeit auftreten.
-
Wenn bei horizontaler Anordnung des Quarzes, ähnlich wie in Abb.3,
die Kräfte aus irgendwelchen Gründen zu klein sind, um eine Zerstäubung der Flüssigkeit
zu erzielen, so lassen sich Erscheinungen gemäß der Abb.5 hervorrufen. Wenn man
beispielsweise einen zu großen Flüssigkeitstropfen verwendet, so daß die Amplituden
des Quarzes zur Zerstäubung der Flüssigkeit nicht ausreichen (wenn aber andererseits
die Flüssigkeitsmenge nicht so groß ist, daß dadurch die Schwingung überhaupt gedämpft
wird), bewegt sich der Flüssigkeitstropfen 23 auf der Quarzplatte i in der Weise,
daß durch die Knoten und Bäuche der mechanischen Schwingung Unebenheiten 24: der
Flüssigkeitsober-,i, ichen auftreten, die im allgemeinen etwa entsprechend den Punkten
eines quadratischen Gitters angeordnet sind.
-
Dies kann nian leicht unter Benutzung von etwas zälillüssigem Öl erreichen;
es tritt aber zunächst auch auf, wenn man beispielsweise einen größeren Tropfen
Tetrachlorkohlenstof auf die Kristallplatte aufträgt. Bei Benutzung voll dünnflüssigen
oder leichter verdunstbaren Flüssigkeiten, wie Tetrachlorkohlenstoff, ist die Erscheinung
jedoch nur vorübergehend zu erhalten. Sobald nämlich entweder durch die lebhafte
Bewegung ein Teil der Flüssigkeit verdunstet oder all den Randgebieten finit größerer
Amplitude ein "feil der Flüssigkeit schon zerstäubt oder abgeschleudert wird, verringert
sich die Flüssigkeitsmenge auf dem Kristall ständig. Die Amplitude des Kristalls
wird dadurch entsprechend größer. Die Unebenheiten der Flüssigkeit werden stärker
ausgebildet, bis schliel3lich die Amplitude so groß wird, daß die verbleibende Flüssigkeit
nunnielir restlos zerstäubt wird. Vielfach. tritt diese Erscheinung bei Flüssigkeiten
geringerer Zähigkeit plötzlich, beinahe explosionsartig auf. Dies dürfte so zu erklären
sein, dah all den zahlreichen gitterförmig angeordneten Punkten, all denen die Flüssigkeit
eilte grolae Amplitude aufweist, die Verhältnisse ungefähr gleichartig verlaufen.
Wenn nun all diesen I'cnllcten (in Abb. 5 sind 25 derartige Punkte schematisch eingezeichnet)
zii gleicher Zeit die Amplitude des Quarzes so groß geworden ist, daß sie nunmehr
imstande ist, die betreffenden, all den Punkten bewegten Flüssigkeitsteile zu zerstäuben,
wird an allen 25 Punkten gleichzeitig die Zerstäubung der Tropfenteile in feinste
Teile eintreten.
-
In Abb. 5 zeigt an dein Kristall i der stark gezeichnete Strich den
Schnitt mit der Iristallfläche 2 (senkrecht zur optischen Achse) an.
-
Während für eine gute Schwingungsamplitude die Beobachtung der festgestellten
Achsrichtung des Kristalls voll Bedeutung ist, ist es, wie weitere Versuche ergeben
haben, von geringerer Bedeutung, ob der Kristall tatsächlich die Form einer quadratischen
Platte hat. Man kann auch aus der Platte beispielsweise einen Eckausschnitt
25 (in Abb. i gestrichelt gezeichnet) herausnehmen, ohne die Schwingungsamplitude
dadurch zu beeinträchtigen. Im Gegenteil treten die Schwingungen an den verbleibenden
spitzen Ecken 26 mit besonders guter Amplitude auf.
-
Die Erfindung läßt sich in mannigfaltiger `'eise anwenden. Die damit
erreichte feinste Zerstäubung von Flüssigkeiten kann all Stell anderer Zerstäubungsverfahren
benutzt werden, insbesondere auch zum Zerstäuben von Parfums, Desinfektions- und
Heilmitteln. Für"velcheZwecke man die erfindungsgemäße Anordnung auch anwendet,
bietet sie dabei den Vorteil, daß sehr feine Zerstättbungswirkungen erzielbar sind
und daß kein I uftstroin erforderlich ist. Sie ist daher besonders anzuwenden für
Zerstäubungen, bei denen feinste Zerstäubung wichtig ist und bei denen das Vorhandensein
voll Luft stört, beispielsweise
bei Flüssigkeiten, die leicht oxydieren.
Auf diese Weise läßt sich auch die Verteilung von solchen leicht verdunstbaren Flüssigkeiten
erzielen, die man aus irgendwelchen Gründen nicht bis zur Verdunstungstemperatur
erwärmen kann (etwa wegen der Gefahr einer chemischen Zersetzung oder einer sonstigen
Reaktion, Explosion o. dgl.).
-
Auch wenn mehrere Flüssigkeiten miteinander reagieren sollen, diese
Reaktion aber durch Zusammengießen der Flüssigkeiten nicht erreichbar ist (beispielsweise
weil sich die Flüssigkeiten nicht mischen), kann die erfindungsgemäße Anordnung
mit Vorteil angewendet werden. Dasselbe ist der Fall, wenn mehrere Flüssigkeitsdämpfe
miteinander reagieren sollen, eine Verdampfung durch Temperaturerhöhung aber (beispielsweise
aus den erwähnten Gründen) uritunlich oder unmöglich ist.
-
Eine solche Einrichtung, die schematisch in Abb.6 dargestellt ist,
kann von einem gemeinsamen Schwingungserzeuger betrieben werden, indem je eine Elektrode
q.' und :I' der beiden Kristallei' und i", zueinander parallel geschaltet, an Stelle
der Elektroden -l. und die anderen beiden Elektroden 5' und ebenfalls zueinander
parallel geschaltet; an Stelle der Elektroden 5 Verwendung finden: