DE69631660T2

DE69631660T2 - Elektrostatische düsen für abrasive und leitende flüssigkeiten

Info

Publication number: DE69631660T2
Application number: DE69631660T
Authority: DE
Inventors: C. Steven COOPER; Edward S. LAW
Original assignee: University of Georgia Research Foundation Inc UGARF
Current assignee: University of Georgia Research Foundation Inc UGARF
Priority date: 1995-07-26
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2016-07-26
Also published as: EP0837735B1; JPH11501253A; CA2226502C; DE69631660D1; KR100437543B1; DK0837735T3; AU6637196A; EP0837735A4; JP3256547B2; AU711608B2; WO1997004876A1; EP0837735A1; IL122702A0; KR19990035946A; CA2226502A1; ES2216052T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Zerstäubungsvorrichtungen im allgemeinen und insbesondere auf pneumatisch zerstäubende, hydraulisch zerstäubende und andere Arten von Induktionsaufladungs-Zerstäubungssysteme.
Es gibt heutzutage mehrere Verfahren, um Zerstäubungspartikel für den Zweck der Verbesserung der Qualität und der Effizienz der Masseübertragung von Zerstäubungsmaterial auf das vorgesehene Ziel aufzuladen und zu fördern. Elektrostatische Düsen vom Induktionsaufladetyp werden oft zur Anwendung in bestimmten industriellen und landwirtschaftlichen Umgebungen gewählt, da sie allgemein eine geringere Eingangsspannung und weniger Strom als andere Typen elektrostatischer Düsen anwenden, wie zum Beispiel diejenigen, die auf Corona-Kontakt- oder elektro-hydrodynamischen Ladeprinzipien beruhen, welche Spannungen in der Größenordnung von 25 bis 50 kV oder mehr für eine angemessene Aufladung einsetzen. Es gibt grundlegend zwei Gruppen von Induktionszerstäubungs-Ladesystemen im Stand der Technik. Die erste umfasst Düsen, welche Elektroden neben einer relativ breiten hydraulischen, pneumatischen oder anderweitigen Zerstäubungszone positionieren und ausreichend hohe Induktionsladefeld-Gradienten bei Betriebsspannungen in der Größenordnung von 5 kV bis 15 kV erzielen. Beispiele dieses Typs geben Burls et al., Pay, Swanson, Sickles, Inculet et al. und Brown et al. Die zweite Gruppe von auf Induktion basierenden Vorrichtungen enthält Düsen, die intern eingebettete Elektroden aufweisen, die sehr nahe an einer besser definierten Zerstäubungszone plaziert sind, und die wegen der Nähe der Elektrode zur Zerstäubungszone in der Lage sind, ausreichende Induktionsladefeld-Gradienten bei Elektrodenspannungen von nur 1 bis 3 kV zu entwickeln. Beispiele dieses letzteren Typs geben Law und Parmentar et al.
Die Größe der Kraft, durch welche geladene Tröpfchen elektrisch zu dem gewünschten Ziel hingeschleudert werden, ist eine Funktion des Tröpfchen-Ladepegels und der Tröpfchengröße. Eine geeignete Steuerung der Tröpfchengröße und eine angemessene Ladung können eine stark verbesserte Ablagerungseffizienz ergeben, insbesondere an versteckten Bereichen von dreidimensionalen Zielen. Herkömmliche Luftzerstäubungs-Induktionsladevorrichtungen nach Law und nach Parmentar zerstäuben erfolgreich Wassertröpfchen in dem gewünschten Größenbereich für einen elektrostatischen Effekt von unter 100 mm im Durchmesser, und laden diese Tröpfchen auf das minimal erwünschte Niveau von mindestens 3 mC/l auf. Mit diesen Parametern können im Vergleich zu einer ähnlichen ladungslosen Zerstäubung auf komplexe Zielgeometrien wie zum Beispiel beim Besprühen von Feldfrüchten in der Landwirtschaft anzutreffende Pflanzenanordnungen, mindestens doppelte Zunahmen bei der Anbringung erzielt werden. Wenn aber üblicherweise verwendete Materialien in die Zerstäubungsflüssigkeit gemischt und bei diesen vorbekannten Düsen eingesetzt werden, können die Ladepegel im Verlauf der Zeit, die als normale Einsatzzeiten betrachtet werden, erheblich abnehmen. Beispielsweise können im Verlauf einer halbtägigen Besprühung mit der Law-Düse (oder kommerziellen Versionen davon, die mit einer dielektrischen Flüssigkeitsspitze modifiziert sind) unter Verwendung von Gemischen von Pulvern, leitenden Flüssigkeiten oder Metallen, die gemeinhin in der landwirtschaftlichen Pestizid- und Blattdüngungs-Besprühung eingesetzt werden, die Ladepegel auf weniger als ein Fünftel der nur mit Wasser erzielten abnehmen. Ein fortgesetzter Einsatz mit diesen Arten von Zusätzen zu Wasser und in der bei industriellem und landwirtschaftlichem Spritzen anzutreffenden kontaminierten Umgebung kann in einer irreversiblen Beschädigung der elektrostatischen Zerstäubungsdüsen und der Energiezufuhr resultieren.
Die Abnahme des Zerstäubungsladepegels und die schließliche Zerstörung der Düsenkomponenten sind größtenteils auf verschiedene elektrische Probleme zurückzuführen, die aus der Bildung von leitenden Ablagerungen an inneren und äußeren Düsenflächen entstehen. Diese, wenn auch geringfügigen, Ablagerungen erzeugen elektrische Streustromwege, die sich leicht über Oberflächen der Düse und von an der Düse angebrachten Drähten und Schläuchen verbreiten. Diese elektrische Spurbildungserscheinung tritt sogar bei den relativ niedrigen Spannungen von etwa 1 bis 3 kV in Zusammenhang mit internen Elektrodeninduktionsladedüsen auf, beispielsweise bei den durch Law und durch Parmentar beschriebenen Pegeln. Schließlich bilden sich entlang dieser Streustromwege, die sich in dielektrische Oberflächen einfressen, leitende Schwarzkohleablagerungen und stellen permanente elektrische Leiter her, die von der Bedienungsperson bei einer normalen Reinigung nicht entfernt werden können. Diese elektrischen Stromwege können sich sowohl an inneren als auch äußeren Düsenflächen bilden.
Streuströme an Außenflächen
Die augenfälligsten Streustromwege bilden sich an äußeren dielektrischen Düsenflächen, die einer starken Kontaminierung durch Feuchtigkeit und Partikel in der Zerstäubungsumgebung ausgesetzt sind. Diese Stromwege beginnen für gewöhnlich an Oberflächen an der Düsenmündung nahe der Hochspannungselektrode und erstrecken sich von der Elektrode nach außen zu externen Oberflächen geringeren Potentials, wenn die freiliegenden, rein dielektrischen Oberflächen der Ladedüse benetzt oder anderweitig kontaminiert werden. Da die Kontaminierung bzw. Verunreinigung eine resistive Leitung schafft, welche die Elektrode zur Erde verbindet, befinden sich Oberflächen, die dazwischen liegen, auf einer bestimmten Spannung zwischen derjenigen der Elektrode und der Erde, je nach ihrer Positionierung und dem Grad der Oberflächenverunreinigung.
Die erste Wirkung der Streuströme auf externen Oberflächen besteht darin, dass der Energiebedarf des Systems zunimmt, wodurch die Ausgangsspannung der ungeregelten Elektroden-Energiezufuhr der Düse leicht reduziert wird. Dies verursacht proportionale Verringerungen sowohl der Elektro denspannung als auch des Zerstäubungs-Ladepegels. Wenn-Isolierflächen, die zur Trennung geerdeter Zerstäubungsteile von der Elektrode vorgesehen sind, genügend kontaminiert werden, erhöht sich der von der Stromversorgung abgeführte Elektrodenstrom stark. Unter sauberen Bedingungen mit Wasser kann eine Law- oder Parmentar-Düse nur 20 mA verbrauchen. Da die Düsenflächen aber durch Kontaminierung durch Umgebungsfeuchtigkeit, Partikel oder Zerstäubungsflüssigkeit leitend werden, wird der effektive Widerstand von der Induktionselektrode zur Erde reduziert und die sich ergebende Oberflächen-Spurbildung bewirkt einen Anstieg des Stromversorgungs-Ausgangsstroms auf das 200fache oder mehr, je nach der Ausgangskapazität der Stromversorgung. Bei ungeregelten Stromversorgungstypen, die normalerweise wegen ihrer inhärenten Sicherheit eingesetzt werden, bewirkt der erhöhte Strompegel, dass sich die Spannung im ungeladenen Zustand auf unter ein Drittel ihrer Ausgangsleistung verringert. Der hohe Energiebedarf reduziert auch die Anzahl von Düsen, die von einer einzigen elektrostatischen Stromversorgung betrieben werden können. Oberflächenzersetzung (surface fowling) hat einige Hersteller kommerzieller Induktions-Ladedüsen dazu bewegt, eine individuelle Stromversorgung für jede Düse einzusetzen, die in der Lage ist, Ausgangsströme zu erzeugen, die bei weitem die Betriebsanforderungen einer nichtkontaminierten Düse übertreffen. Diese Lösung der Gestaltung erhöht die Komplexität und die Kosten von Mehrdüsensystemen wie landwirtschaftlichen Feldspritzen (agricultural boom ((???)) sprayers), wobei die exzessive verfügbare Energie eine dielektrische Oberflächenzersetzung wegen elektrischer Spurbildung beschleunigen und Sicherheitsprobleme verursachen kann. Wie durch Law im US-Patent Nr. 4 004 733 gelehrt wird, kann es erwünscht sein, die Stromversorgung direkt an der Ladedüse anzubringen oder sie in die Düse einzubetten. Die von Law erläuterten Vorteile bestehen darin, dass dies etwaige Hochspannungsleitungsbahnen vermeidet, die zu mechanischer Beschädigung führen können oder einen elektrischen Gefahrenfaktor darstellen können. Law zeigt die direkt an dem die Elektrode enthaltenden Düsenabschnitt angebrachte Stromversorgung. Das Problem bei dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Niederspannungs-Energieversorgungs-Eingangsdrähte kontaminiert werden und die Isolierung sich schließlich durch elektrische Aktivität entlang der Isolationsflächen verschlechtert. Die Potentialunterschiede zwischen dem Leiter an der Innenseite der Niederspannungsleitung und die Kontamination am Draht ist für gewöhnlich nahe dem Elektrodenpotential. Daher ist eine dielektrischer Zusammenbruch der Isolierung wahrscheinlich, besonders wenn die Isolierung aufgrund mechanischer Beschädigung oder elektrischer Spurbildungsschäden geschwächt ist. Außerdem befindet sich für gewöhnlich ein elektrischer Verbinder irgendwo an den Niederspannungsdrähten, um ein einfaches Entfernen der Düse zu ermöglichen. Die internen Teile des Verbinders befinden sich auf einer niedrigen Spannung und die Außenseite des Verbinders auf einer hohen Spannung wegen der Leiterbahnen, die sich auf der Drahtisolierung und/oder auf Verbinderoberflächen infolge von Kontamination bilden. Daher sind in der Praxis das Innere und das Äußere der Niederspannungsverbinder ebenfalls wegen der Potentialdifferenz gegenüber Fehlern anfällig.
Die durch Parmentar et al. beschriebene Vorrichtung geht das Problem einer elektrischen Spurbildung an Düsenaußenflächen an und versucht, den Strom durch Verlängerung der Oberflächen-Isolierdistanz von dem Düsenauslass zu dem geerdeten Montagebügel mit einer Reihe von Nuten bzw. Rillen an den Außenwänden der Düse und einen die Düse umgebenden großen radialen Flansch zu begrenzen. Da aber die Nuten bzw. Rillen und der Flansch direkt Staub und der geladenen Zerstäubungswolke ausgesetzt sind, können sie schnell hinreichend leitend werden, um einen substantiellen Strom von der Elektrode aufrechtzuerhalten. Außerdem können sich die tiefen Rillen mit getrockneten Zerstäubungsmaterialien füllen und sind schwer gründlich zu reinigen und können daher auch nach der Reinigung leitend bleiben.
Ein zweiter Effekt von Streustrom an externen Düsen flächen besteht in der Reduzierung der Intensität der Zerstäubungsladung wegen eines elektrischen Kontakts mit der zugeführten Flüssigkeit durch Säume in der Flüssigkeitseinleitverbindung am Düsenkörper. Wenn ein elektrischer Kontakt mit der normalerweise geerdeten Flüssigkeit erfolgt, erhöht sich das Potential der Flüssigkeit zu dem der Induktionselektrode hin. Der Potentialunterschied zwischen der Induktionselektrode und dem Flüssigkeitsstrom wird reduziert, was eine proportionale Verringerung des Sprühladepegels ergibt.
Ein physischer Schaden kann sich aus einer elektrischen Funkenbildung an verunreinigten Isolierflächen von Draht, Luftröhren und Flüssigkeitsröhren in der Nähe von Stellen ergeben, an denen diese Düsenkomponentenflächen mit geerdeten Zerstäubungsdüsenteilen (sprayer parts) in Kontakt stehen. Ein Strom aus der Elektrode oder aus kontaminierten elektrischen Hochspannungsverbindern wandert entlang der beschädigten Oberflächen und es kommt zu einer elektrischen Bogenbildung an den Oberflächen nahe den geerdeten Zerstäubungsdüsenteilen, was schließlich zur Erosion von Löchern in der Rohrleitung und der Drahtisolierung führt, was Flüssigkeitslecks und freiliegende Leiter verursacht, welche einen direkten Kurzschluss bewirken können. Schließlich entstellt der Ätzvorgang entlang Stromwegen und die Grübchenbildung aufgrund elektrischer Entladungen permanent Oberflächen, die für die Basisfunktion der Düse von Bedeutung sind, beispielsweise die Wände des Zerstäubungskanals, die Flüssigkeitsöffnungsspitze und Oberflächen der Elektrode. Erosion aufgrund elektrischer Aktivität in diesen Bereichen verursacht eine Unterbrechung des Zerstäubungsmusters, was den Sprühladepegel und die Zerstäubungsqualität stark beeinträchtigt.
Streuströme an Innenflächen
Während eine Lastströmung über kontaminierte externe Düsenflächen den sichtbarsten physischen Schaden an herkömmlichen Luftzerstäubungs-Induktionsdüsen verursacht und einen Großteil des von der Stromversorgung abgezogenen Stroms aufbraucht, sind auch Innenflächen einer Kontaminierung ausgesetzt. Die Kontaminierung bzw. Verunreinigung ergibt eine Sprühladereduktion, wenn das Potential der Flüssigkeit stromauf der Elektrode beeinflusst wird.
Einige Typen herkömmlicher Induktionsladedüsen verwenden Dichtungen in der Düse, um die Flüssigkeit von der in der Düse positionierten Elektrode zu isolieren. Die dielektrischen Oberflächen dieser Dichtungen können durch Kontaminierung während der Demontage ausreichend leitend werden, um Stromwege zu der Flüssigkeit zu schaffen. Die Strompegel über den dielektrischen Dichtungen können zwar nicht ausreichend sein, um eine elektrische Bogenbildung oder eine Oberflächenverätzung zu verursachen; der elektrische Kontakt kann aber ausreichen, um die Spannung des Flüssigkeitsstroms zu derjenigen der Elektrode zu erhöhen, was eine erhebliche Reduktion des elektrischen Induktionszerstäubungs-Ladefelds ergibt. Einige vorbekannte Düsen sind so gestaltet, dass sie in alle Basiskomponenten zerlegt werden können. Während dies einen bequemen Zugang zu jedem Teil für eine Inspektion oder einen Austausch ermöglicht, erschwert es das Problem einer möglichen Lnnenflächenkontamination, da sich herausgestellt hat, dass einige leitende Reste nach einer normalen Reinigung und einem neuerlichen Zusammenbau verbleiben können.
Ein Beispiel, wie eine Innenfläche versehentlich während der Demontage kontaminiert werden kann, bietet die Law-Düse, die mit einer dielektrischen Doppelfluidspitze modifiziert ist. Die Basis dieser Doppelfluidspitze wird in den Düsenkörper eingeführt, und die Naht ist bei der Demontage einer Kontamination ausgesetzt, was in einer elektrischen Leitungsspur zwischen dem Flüssigkeitskanal und an der Elektrode entstehenden Oberflächenstreuströmen resultiert. Es ist beobachtet worden, dass diese Spur bewirken kann, dass die Flüssigkeit von der Elektrode eine Spannung von 40 bis 70% derjenigen der Elektrode erreicht, was eine proportionale Verringerung der Zerstäubungsladung ergibt.
Eine innere Kontaminierung tritt auch in vorbekannten Düsen auf, wenn eine geringe Menge von Zerstäubungsmaterial in die Luftkanäle zurückströmt, wenn die Luftströmung angehalten wird. Diese Kontaminierung erzeugt starke elektrische Stromwege auf Oberflächen zwischen der Elektrode und der bevorzugten Niederspannungs-Flüssigkeitsöffnungsspitze sowie der Flüssigkeitskanalisolierung. Diese Oberflächen können durch elektrische Entladungen Grübchen bilden. Schließlich entwickeln sich in dem dielektrischen Material, das die Flüssigkeitsöffnungsspitze oder den Flüssigkeitskanal umgibt, Löcher, womit der Flüssigkeitskanal direkt der Spannung der Elektrode als auch der druckbeaufschlagten Gasausnehmung ausgesetzt ist.
In einer vorbekannten kommerziellen Version der Law-Düse sind die Doppelfluidspitze und ihre dazupassende, mit Gewinde versehene Basis leitend und geerdet. Eine Abdeckung ist über dem Elektrodenkappenabschnitt und dem freiliegenden Metall der Doppelfluidspitze installiert. Die Strategie zielt darauf ab, die Flüssigkeit auch bei Vorhandensein von Streuströmen auf Erdungspotential zu halten. Bei normalen Nutzungsdauern und bei der Reinigung der Düse werden jedoch die Oberflächen auf der Innenseite dieser Abdeckung kontaminiert. Daher wandert der Strom aus der Elektrode über kontaminierte Abdeckungsdichtungen und entlang der kontaminierten inneren Abdeckungsflächen zu dem freiliegenden Metall an der Basis der geerdeten Doppelfluidspitze. Die Flüssigkeit bleibt geerdet, aber der Stromweg führt direkt durch die leitende Doppelfluidspitze, und die Stromversorgungs-Ausgangsleistung wird stark reduziert und ist wegen dem exzessiven Strombedarf Fehlern unterworfen. In einer Anstrengung, dieses Problem zu eliminieren, wurde die metallische Doppelfluidspitze durch eine Spitze ähnlicher Gestaltung, die aus Delrin-Kunststoff hergestellt ist, ersetzt. Dies erhöht zwar die Lebensdauer der Düse etwas, aber Stromwege zu dem Flüssigkeitsstrom dringen schließlich in die Naht zwischen der Delrin-Doppelfluidspitze und dem Düsenkörper ein, wobei eine hinreichende elektrische Bogenbildung stattfindet, um schließlich Rillen zwischen den Dichtungsflächen zu erzeugen und permanente elektrische Stromwege zum Flüssigkeitsstrom zu öffnen.
Verwendung von Widerständen am Stromversorgungsausgang
Bei einigen herkömmlichen elektrostatischen Düsen, wie denen von Sickles wird ein Widerstand im Giga-Ohm-Bereich zwischen dem Stromversorgungsausgang und der Düsenelektrode plaziert, um den Strom zur Elektrode zum Zweck der Sicherheit der Bedienungskraft zu begrenzen, und um eine starke elektrische Bogenbildung im Innern der Düse zu verhindern. Dieser Widerstand kann auch den günstigen Effekt aufweisen, an der Elektrode entstehende Leckströme zu begrenzen, aber Sprühladepegel werden reduziert, da sehr kleine Leckströme über kontaminierten Oberflächen einen erheblichen Spannungsabfall über dem mit der Elektrode verbundenen, einen hohen Wert begrenzenden Widerstand bewirken. Wenn Zerstäubungsmaterialien oder von der Luft getragene Stäube schließlich eine dielektrische Düse bedecken, wird der effektive Widerstand von der Elektrode zur Erde auf einen Wert reduziert, der viel geringer ist als der eines Stromversorgungs-Reihenwiderstands einer Größe, welche den Strom in angemessener Weise auf einen sicheren Wert begrenzen würde. In der Praxis wird, wenn vorbekannte Düsen in landwirtschaftlicher Umgebung betrieben werden, der Düsenelektrodenwiderstand zur Erde oft auf weniger als 1 MΩ reduziert. Die in 13 gezeigte schematische Darstellung veranschaulicht den Effekt auf die Elektrodenspannung V_c für den Fall eines strombegrenzenden Widerstands R, der zwischen einer Düsenelektrode und der Stromversorgung plaziert ist, wenn ein resistiver Leckweg R_n über Düsenoberflächen zur Erde besteht.
Man nehme das Beispiel eines strombegrenzenden Widerstands R von 5 MΩ, der zwischen einer ungeregelten 1 kV-Stromversorgung und einer kontaminierten Düse mit einem resistiven Leckweg R_n von 1 MΩ von der Elektrode zur Erde entlang kontaminierter Düsenflächen verbunden ist. Wie bei einem herkömmlichen Spannungsteilerkreis wird die Spannung von der Stromversorgung an der Elektrode geteilt, was die Elektrodenspannung (V_c) und das interne Induktionslastfeld auf nur ein Sechstel von demjenigen einer Düse mit vollkommen reinen Oberflächen und ohne Leckströme reduziert. Bei einem weiteren Beispiel wird für R = R_n die effektive Ladespannung halbiert. Diese einfachen Beispiele veranschaulichen, dass die Düsenladekomponenten einen erheblich höheren Wert von Leckwiderstand gegenüber der Erde aufweisen müssen als die Strombegrenzungswiderstände geeigneter Größe von der Energiequelle, falls solche Widerstände effektiv eingesetzt werden sollen. Die Hauptvorteile eines solchen, ein starkes Lecken verhindernden Systems sind Sicherheit, längere Düsen-Lebensdauer, verbesserte Zuverlässigkeit der Funktion bei mangelhaft gewarteten Düsen, konsistente Zerstäubungsladung über einen weiten Bereich von Flüssigkeitsleitfähigkeiten, die Fähigkeit, sehr kleine Stromversorgungseinheiten mit relativ niedrigen Spannungen zu verwenden, und die Fähigkeit, viele Ladedüsen aus einer einzigen Energiequelle zu versorgen. Sickles versucht, einen hochresistiven Weg zwischen der Elektrode der Düse und Erde aufrechtzuerhalten, indem er Düsenflächen unter Verwendung eines Sekundär-Luftstroms rein hält, der dazu vorgesehen ist, ein Zurückkehren von aufgeladenem Spray zum Düsenkörper zu verhindern. Das für diesen Sekundär-Luftstrom verwendete Druckluftvolumen macht es jedoch bei großen Mehrdüsensystemen wie landwirtschaftlichen Feldspritzsystemen zur Behandlung von Feldfrüchten mit 30 bis 80 Düsen inpraktikabel. Luftkompressoren oder Gebläse müssen bei diesen mobilen Anwendungen so kompakt wie möglich sein. Eine exzessive pneumatische Energie am Zielort ist oft unerwünscht, da das elektrostatische Kraftfeld von den aerodynamischen Kräften überwunden werden kann, was eine mangelhafte Elektroablagerung und einen sog. Overspray ergibt.
Außerdem tendieren Düsen, die in dieser Art von rauher Umgebung arbeiten, dazu, leitende luftgetragene Stäube zu sammeln und auf Oberflächen auch dann einen Overspray zu bewirken, wenn Sekundärluft verwendet wird, um Verunreinigungen von der Düse wegzubekommen.
Neutralisierung der geladenen Zerstäubungswolke infolge von Ionisierung aufgrund von an der Düsenfläche angesammelter Flüssigkeit
Die aus einer Induktionsdüsenöffnung emittierte, geladenen Zerstäubungswolke erzeugt ein intensives elektrisches Feld, das an dem vorgesehenen Ziel sowie an der Düsenfläche und anderen Zerstäuberkomponenten endet. Das von einer Raumladung angelegte Feld an der Düse bewirkt eine starke Anziehungskraft zwischen der Düsenfläche und den geladenen Tröpfchen. Herkömmliche Induktionsdüsen wie die von Law, welche eine pneumatische Zerstäubung einsetzen, haben den Vorteil eines Gasträgerstoffs, um den Großteil des Sprays von der Düsenfläche wegzuschleudern. In der Zerstäubungswolke selbst werden Tröpfchen untereinander abgestoßen, und einige Tröpfchen an dem Außenumfang entweichen einer Mitführung durch den Gasstrahl. Geladene Tröpfchen, die sich von dem Gasträgerstrahl befreien und keine ausreichende Distanz zurückgelegt haben, um dem Feld an der Düsenfläche zu entweichen, kehren jedoch zu der Düsenfläche entlang der von dem Raumladefeld angelegten elektrischen Feldlinien zurück. Dieser relativ geringe Anteil an geladenem Spray, der zu den Düsen zurückkehrt, bewirkt einen Großteil der schädigenden Oberflächen-Kontamination und resultiert in elektrischen Stromproblemen. Eine weitere schädigende Konsequenz besteht darin, dass die Zerstäubungsflüssigkeit, die zur Düse zurückgezogen wird, sich an der planaren Fläche der herkömmlichen Ladedüse anzusammeln pflegt. Diese Ansammlung kann eine partielle Neutralisierung des geladenen Sprays bewirken. Da die abgelagerte Flüssigkeit von den äußeren Düsenflächen abzutropfen beginnt, wird sie durch die Kraft des elektrischen Feldes der Zerstäubungswolke zu der Zerstäubungswolke hin gezogen. Die angesammelte Flüssigkeit bildet mit dem Feld ausgerichtete scharfe Spitzen aus. Die Intensität des elektrischen Feldes an den Spitzen ist ausreichend, um einen dielektrischen Zusammenbruch der umgebenden Luft zu bewirken. Die resultierenden gasförmigen elektrischen Entladungen senden ionische Ladungen entgegengesetzter Polarität in die Zerstäubungswolke, woraufhin ein wesentlicher Teil des Sprays elektrisch neutralisiert wird. Außerdem ist die an der Oberfläche angesammelte Flüssigkeit, welche von der Düse elektrisch angezogen wird oder durch Schwerkraft abtropft, zerstörerisch und bewirkt eine mangelhafte Ablagerung auf nicht richtig zerstäubtem Spray. Die von einer Düsenfläche abtropfenden Tröpfchen sind für gewöhnlich ziemlich groß und sind entgegengesetzt zum Spray geladen. Bei Farbspritzanwendungen verunstalten diese großen Tröpfchen eine ansonsten gleichmäßige Oberflächenbeschichtung. In der Praxis einer Pestizidspritzung von Pflanzen kann eine Ablagerung dieser großen Tropfen an Stellen, wo diese Überdosis auftritt, einen schweren Schaden am Pflanzengewebe verursachen.
Die Form der herkömmlichen Parmentar-Düse verringert Ionisierungspunkte, die sich aus Oberflächenschichten an dem Düsenmündungsbereich bilden, indem der Auslass zu einem napfförmigen Hohlraum zurückversetzt wird, dessen äußerer Rand der Zerstäubungswolke zugewandt ist. Ionisierung und Abtropfen treten jedoch an anderen Oberflächen der Düse auf, wenn sie ausreichend benetzt sind. Geladene Tröpfchen, die zur Düse zurückkehren, werden zu der Randkante des Hohlraums hin gezogen, da die elektrischen Feldlinien sich dort konzentrieren. Dies hilft bei der Begrenzung der Spraymenge, welche den Körper hinter der Randkante bedeckt, die sich ansammelnden Tröpfchen kumulieren und koaleszieren jedoch an der Kante selbst. Unmittelbar vor dem Abtropfen wird die Flüssigkeit zu der Zerstäubungswolke in scharfen Spitzen, aus denen eine Ladung entgegengesetzt zur Zerstäubungswolke emittiert wird, gezogen und tendiert dazu, einen erheblichen Teil der geladenen Zerstäubungswolke zu neutralisieren. Parmentar nimmt auch einen großen radialen Flansch um die Düse auf. Dieser Flansch dient dazu, die Isolierfläche zu vergrößern und ein Zurückkehren aufgeladenen Sprays aus der Beschichtung des stromabwärtigen Teils des Düsenkörpers zu blockieren. Die Vorderfläche und Randfläche zur Zerstäubungswolke hin wird jedoch schließlich überzogen und es bilden sich eine Vielzahl von zu Ionisierung neigenden Tropfpunkten. Außerdem ver hindert der napfförmige Hohlraum an der Vorderseite der Düse, dass die Düse in einer Ausrichtung nach oben eingesetzt wird, da der Hohlraum sich mit Flüssigkeit zu füllen tendiert, welche sich an der Randkante ansammelt und in den Hohlraum tropft, wobei sie schließlich teilweise die Öffnung blockiert und/oder als große Flüssigkeitsschwälle ausgestoßen werden, was die Sprayablagerungsqualität stark verschlechtert.
Alle Versionen der herkömmlichen Law-Düse zeigen auch das Abtropf- und Zerstäubungswolken-Neutralisierungsproblem, insbesondere neuere kommerzielle Versionen, bei denen eine Abdeckung mit planarer Oberfläche zum Schutz über der kleineren planaren Fläche der Elektrodenkappe installiert ist. Verglichen mit der Parmentar-Düse tendiert die Law-Düse dazu, weniger Flüssigkeit anzusammeln, da die Fläche der Abdeckung weniger als halb so groß ist. Die Ansammlung ist jedoch ausreichend, um die Bildung von hervorstehenden, zur Ionisierung neigenden Spitzen zu bewirken, die von der untersten Kante der Fläche abtropfen.
Mechanischer Verschleiß des Zerstäubungskanals
Eine weitere Einschränkung bei herkömmlichen Induktionsladedüsen besteht in der Tendenz des Zerstäubungskanals und des Strahlauslasses, unter normaler Verwendung mit abrasive Substanzen enthaltenden Sprays schnell zu verschleißen. Das enge Spraymuster und eine zwischen dem Spray und Kanalwänden durch die Law-Düse gebildete Luftscheide begrenzt den Abtragungsverschleiß etwas, aber im Verlauf der Zeit werden die Zerstäubungskanalwände geringfügig mit Spray-Ablagerungen verformt, die von einer nicht sauberen Reinigung übrig bleiben, oder sie werden durch elektrische Aktivität wie induzierter Ionisierung von der Flüssigkeitsmündungs-spitze oder einer Stromspurbildung entlang den Innenwänden der Zerstäubungszone verunstaltet. Die Verformung unterbricht das enge Muster, und ein Teil des luftgetriebenen Sprays trifft auf die Kunststoffwand neben dem Auslass auf und erodiert diese mechanisch. In der Praxis kann der Auslass der Düse auf das Doppelte des anfänglichen Durchmessers in einem Zeitraum von nur einem halben Tag erodieren, wenn bestimmte abrasive Materialien wie Diatomeenerde oder Natrium-Aluminofluorid gesprüht werden. Wenn sie unbeaufsichtigt bleibt, beginnt die Elektrode ebenfalls, beginnend am Auslassende und sich nach hinten fortsetzend, zu verschleißen. Der Luftverbrauch, die Zerstäubungsladung und die Zerstäubungsqualität können alle durch den abtragenden Verschleiß nachteilig beeinflusst werden.
Abriss der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt verbesserte elektrostatische Zerstäubungs-Aufladedüsensysteme zum zuverlässigen Laden von Spray mit einer breiten Vielfalt von Sprayflüssigkeiten bereit, insbesondere diejenigen, die relative Massekonzentrationen von abrasiven Pulvern, Metallelementen, korrosiven Materialien und/oder hochleitenden Materialien enthalten. Solche Systeme sind auch sicherer und zuverlässiger in Umgebungen, in denen Düsenoberflächen nicht leicht durch Spray und anderes Material kontaminiert werden, bei denen Düsen durch unausgebildete Bedienungspersonen betätigt werden und eine Düsenwartung vernachlässigt werden kann. Die Systeme stellen auch Düsen mit geringem elektrischen Energiebedarf bereit, um den Betrieb vieler elektrostatischer Zerstäubungsdüsen aus einer einzigen Miniatur-Energieversorgung zu ermöglichen, oder um den Betrieb einer einzigen Düse aus einer Sub-Miniatur-Stromversorgung zu ermöglichen, die, falls gewünscht, in der Düse eingebettet sein kann.
Pneumatisch zerstäubende Induktionszerstäubungs-Aufladedüsensysteme gemäß der vorliegenden Erfindung bringen den Stand der Technik unter anderem voran durch (a) Beibehalten der Stabilität des internen elektrostatischen Ladungsfeldes zwischen einem Flüssigkeitsstrahl und der Induktionselektrode durch elektrische Isolierung des Flüssigkeitsstroms von internen und externen Stromlecks und durch Herstellen einer elektrischen Sperre zwischen dem internen Ladefeld und Zerstäubungswolkenfeldern, die außerhalb der Düse entstehen; (b) Aufrechterhalten von Düsenflächenpotentialen, um ein Entweichen einer Ladung an inneren und äußeren Düsenflächen auszuschließen; (c) Erzeugen eines hohen elektrischen Widerstands zwischen geerdeten Zerstäubungsteilen, der Hochspannungsenergiequelle und der Elektrode der Zerstäubungsdüse; und (d) Verwenden von abtragungs- bzw. verschleißresistenten Materialien an dem Düsenauslass.
Düsenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen einen Körper, der in einer Doppelfluidspitze endet, die in einer Abdeckung eingebettet ist, welche eine pneumatische Zerstäubungskammer und eine Aufladeelektrode enthält. Die Induktionselektrode ist in der Anordnung in geeigneter Weise in Bezug auf die Zerstäubungszone positioniert, um ein geeignetes intensives elektrisches Feld an der Oberfläche des Flüssigkeitsstrahls an der Tröpfchenbildungszone zu konzentrieren und zu erhalten. Der Flüssigkeitsstrahl wird auf oder nahe an Erdungspotential gehalten und an einer geeigneten stromaufwärtigen Stelle geerdet. Eine Ladung wird so induziert, dass sie durch die Flüssigkeit fließt und sich an der Oberfläche des in die Zerstäubungszone eintretenden Flüssigkeitsstroms in Reaktion auf das elektrische Feld an der Stahloberfläche konzentriert. Tröpfchen werden mit pneumatischer Energie gebildet, welche auch das geladene Spray von dem Elektrodenbereich weg durch den Düsenstrahlauslass und zu dem vorgesehenen Ziel hin schleudert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Induktions-Zerstäubungs-Aufladedüse nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einer Anordnung besteht der Düsenaufbau aus einem Körper, der in einer Doppelfluidspitze endet, die entfernbar mit einer Abdeckung verbunden ist. Die Abdeckung weist eine konisch oder anderweitig aerodynamisch geformte Außenfläche auf, die in einem Spraystrahlauslass endet. Sie enthält eine Innenfläche, welche einen Zerstäubungskanal bildet und eine Induktionselektrode aufweist. Der Körper und die Abdeckung können einfach getrennt werden, um zu allen Bereichen, die periodisch gereinigt werden müssen, Zugang zu schaffen, wie beispielsweise zu den Luftkanälen, dem Flüssigkeitskanal, der Flüssigkeitsmündungsspitze, dem Zerstäubungskanal, der Ladeelektrodenfläche und dem Luftplenumbereich. Die Flüssigkeitsmündungsspitze, die Elektrode und andere interne Düsenkomponenten sind einstückig mit dem Körper oder der Abdeckung und müssen nicht entfernt werden. Sie sind daher keiner Fehlausrichtung oder Kontaminierung während des Zusammenbaus, der Demontage oder des Betriebs ausgesetzt.
In einer weiteren Anordnung wird der elektrische Kontakt der Elektrode mit der Stromversorgung unterbrochen, wenn sich die Abdeckung löst oder entfernt wird. Dies reduziert die Möglichkeit, dass eine Bedienungsperson versehentlich in Kontakt mit der Stromversorgung kommt, wenn sie die Elektrode oder andere Teile der Zerstäubungszone inspiziert oder reinigt. Dieses Merkmal eliminiert auch die Handhabung und Beanspruchung irgendwelcher zerreißbarer Drähte beim Reinigen des Zerstäubungskanals oder anderer Bereiche.
Mehrere Anordnungen der Düse eliminieren Streuströme über kontaminierende Oberflächenschichten, die sich leicht an inneren dielektrischen Oberflächen von Induktionslaufladedüsen, wie Oberflächen in dem Bereich um die Flüssigkeitsmündungsspitze und die Zerstäubungskammer, bilden. An den Innenflächen der Düse werden Oberflächen mit gleichem Potential absichtlich in den Bereichen des Abdeckungsabschnitts angrenzend an die Elektrode und stromauf von dieser aufrechterhalten. Die Oberflächen der Gasplenums, der Dichtungen und Zerstäubungskanäle, die innere Abschnitte der Abdeckungsanordnung sind, sind zwischen der Elektrode und einem leitenden oder halbleitenden Ring positioniert, der sich auf einem ähnlichen Potential wie die Elektrode befindet. Dies gleicht die Spannung dieser dielektrischen Oberflächen in dem sehr wahrscheinlichen Fall aus, dass sich eine leitende kontaminierende Schicht auf ihnen bildet, und verhindert, dass Strom von der Elektrode rückwärts zu dem Körperabschnitt niedrigeren Potentials der Anordnung wandert und schädigende elektrische Spurwege an diesen wichtigen internen Düsenbereichen bildet. Der interne leitende Ring dient bevorzugt auch dazu, einen von der Ausrichtung unabhängigen elektrischen Kontakt von der Stromversorgungsleitung in dem Körper zu der Elektrode in der Abdeckung herzustellen. Ein weiterer Vorteil der internen geladenen Ringfläche besteht darin, dass sie inhärent eine elektrische Sperre zwischen dem internen elektrischen Induktionsaufladefeld und etwaigen extern entstehenden Feldern bildet, die um die Düse herum bestehen, wie zum Beispiel die von einer Zerstäubungswolken-Raumladung gebildete, die entgegengesetzt zu dem Düsenzerstäubungs-Aufladefeld ist und dieses unterdrückt.
Der Flüssigkeitskanal, die Flüssigkeitseinlassverbindungen und die Flüssigkeitsspitze sind in dem Niederspannungskörperabschnitt enthalten. Die Flüssigkeit ist an einem bestimmten Punkt stromauf von der Flüssigkeitsmündung geerdet, und der parallele Widerstand des Strömungssegments und dessen nahtlose Leitung zwischen dem Erdungspunkt und der Elektrode bewirkt, dass das Potential des Flüssigkeitsstrahls an der Mündung zwischen einer Erdungsspannung während eines normalen Betriebs und der Elektrodenspannung während einer Kurzschlusssituation schwankt. Im Fall eines direkten Kurzschlusses zwischen der Flüssigkeitsmündungsspitze und der Elektrode, die durch eine Brücke leitender Verunreinigungen verursacht wird, wird der Strom über die Brücke des den Kurzschluss verursachenden Materials und durch den resistiven Flüssigkeitsstrom und dessen Leitungsbahn geleitet. Die Flüssigkeit zwischen der Spitze und ihrem stromaufwärtigen Erdungspunkt bildet einen Widerstand, der den Strom von selbst begrenzt und infolgedessen eine Beschädigung an Düsenkomponenten einschränkt. Eine Beschädigung wird weiter verhindert, wenn der Düsenflüssigkeitsstrom angehalten wird, da der Strom aufhört, wenn ein Flüssigkeitskontakt unterbrochen wird, wenn Flüssigkeit aus dem Kanal an der Flüssigkeitsmündungsspitze evakuiert wird.
Die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses an der Flüssigkeitsmündungsspitze wird ferner durch das Zerstäubungsgas, das sich in dem die Basis der Spitze umgebenden Plenum bewegt, und durch das Gas sehr hoher Geschwindigkeit, das in die die Flüssigkeitsmündungsspitze umgebende Zerstäubungszone gezwungen wird, eingeschränkt. Für zusätzliche Sicherheit, und um einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Elektrode und der Flüssigkeitsmündungsspitze zu verhindern, der leicht bei Abwesenheit eines Zerstäubungsgasstroms durch den Zerstäubungskanal auftritt, wird die Elektrodenspannung vorzugsweise mittels eines Druckschalters, der die Stromversorgung steuert, unterbrochen. Mehrere Anordnungen reduzieren weitgehend Streuströme an Düsen-Außenflächen im Vergleich zu vorbekannten Düsen, die unter Bedingungen arbeiten, bei den Düsenflächen verunreinigt werden können. Es ist entdeckt worden, dass, wenn Verunreinigungsschichten leicht auf externen dielektrischen Oberflächen elektrostatischer Zerstäubungsdüsen ausgebildet werden, die Oberflächen angrenzend an und stromab der Elektrode dann ausreichend leitend sind, um die Elektroden mit geerdeten Komponenten der Sprühvorrichtung bzw. des Zerstäubers zu koppeln. Die resultierenden Streu-Oberflächenströme bewirken eine Verunstaltung und eine schließliche Zerstörung dielektrischer Oberflächen, von Elektrodenoberflächen, von Fluidverbindungen und Drähten von vorbekannten Zerstäubungs-Aufladedüsen.
Ein Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Aufrechterhaltung eines hochresistiven Wegs von der Elektrode zur Erde, wodurch eine signifikante Ladungsströmung von der Elektrode entlang den Innenwänden des Zerstäubungskanals nach hinten zu der Doppelfluidspitze und nach vorne zu der Außenfläche der Düse sowie entlang kontaminierter dielektrischer Außenflächen, die an Erdungspunkten an der Zerstäubungsvorrichtung angebracht sind, verhindert wird. Der hochresistive Weg wird geschaffen, indem ausgewählte Abschnitte von Düsenflächen vor Verunreinigung bzw. Kontaminierung geschützt werden. Ein Verfahren zur Beibehaltung eines Wegs mit hoher Impedanz besteht darin, Ausnehmungen bzw. Hohlräume in ausgewählten Düsenoberflächen richtig auszubilden und/oder an elektrischen Abstandhaltern (stand offs), die dazu verwendet werden, die Düse mit geerdeten Zerstäubungsteilen zu verbinden, und das Innere dieser Hohlräume vor dem Eintritt von Verunreinigungen zu schützen. Ein Schutz vor dem Eindringen von Verunreinigungen in die Hohlräume kann durch Anwendungen aerodynamischer, akustischer, thermischer, elektrischer, mechanischer oder anderer Formen von Energieeingabe oder passiv durch geeignete Formung der Hohlräume bereitgestellt werden, um ein Eindringen von Verunreinigungen durch eine Interaktion mit den bestehenden elektrischen Feldern, den angelegten elektrischen Feldern und aerodynamischen Strömungsfeldern in der Nähe inhärent zu verhindern. In einer bevorzugten Anordnung ist die aerodynamische Form der Düse darauf abgestimmt, an den Düsenoberflächen allgemein eine Laminarströmung zu erzeugen, um die Neigung mitgeführter Partikel, an den Düsenoberflächen anzuhaften, zu reduzieren, während bestimmte sorgfältig plazierte elektrische Feldkonzentratoren wie Ränder oder Kanten Bereiche einer Feldintensität erzeugen, die dazu tendiert, solche Partikel abzustoßen oder abzulenken.
Nach einer Anordnung ist der dielektrische Düsenkörper, an dem die Gas-, Flüssigkeits- und elektrischen Anschlüsse gelegen sind und Montageverbindungen vorgenommen sind, elektrisch von dem Abdeckungsabschnitt durch geschützte, in dem Körper ausgebildete Hohlräume isoliert. Die äußere Körperfläche wird somit durch die Leitfähigkeit der kontaminierten Körperfläche annähernd auf Erdungsniveau gehalten, und ein erkennbarer elektrischer Stromfluss über die Körperoberflächen von Düsen-Hochspannungskomponenten wird durch die Resistivität des geschützten Inneren des Hohlraums verhindert. Eine bevorzugte Anordnung umfasst auch eine geschützte Oberfläche am Abdeckungsabschnitt der Düsenanordnung, welche die interne Elektrode enthält. Dieser geschützte Hohlraum isoliert ferner die Elektrode von Erde in dem Eventualfall einer Oberflächenzersetzung und bewirkt somit, dass der Zerstäubungskanal und andere externe Abdeckungsflächen auf ein Potential ähnlich dem der Elektrode angehoben und auf diesem Potential gehalten werden, wodurch ein Ladungsfluss von der Elektrode über alle an die Elektrode angrenzenden Oberflächen verhindert wird.
Das an die Außenfläche der Abdeckung angelegte Potential ist von entgegengesetztem Vorzeichen zu dem der Zerstäubungströpfchen, dies vermehrt jedoch nicht signifikant die Anziehungskraft geladener Tröpfen zur Düsenoberfläche gegenüber derjenigen einer geerdeten Düsenoberfläche, und der auf die Abdeckung auftreffende geladene Spray verursacht auch keinen signifikanten Energieversorgungsstrom. Sobald die anfänglich reinen dielektrischen Oberflächen des Ladungsdüsenkörpers und der Abdeckung mit leitenden kontaminierenden Schichten überzogen sind, nehmen sie jeweils die elektrischen Potentiale an, die sich demjenigen der geerdeten Montageanordnung und der Induktionselektrode annähern. Je weniger Strom von diesen kontaminierten Oberflächen abgeführt wird, um so mehr nähern sie sich jeweiligen äquipotentialen Oberflächen an.
Die Größe des elektrischen Raumladungsfeldes, das von einer negativ geladenen Zerstäubungswolke erzeugt wird, ist über –3 kV/cm in einem Abstand von 10 bis 15 cm unter der Zerstäubungsstrahl-Mittellinie am Düsenausgang gemessen worden. Daher ist das Raumladungspotential nahe –35 kV relativ zu einer geerdeten Düsenoberfläche und –36 kV relativ zu einer Abdeckungsfläche, die auf die +1 kV-Elektrodenspannung angehoben wurde. Eine geladene Abdeckung mit +1 kV kann vorzugsweise negativ geladenen Spray anziehen, die Kraft ist aber nur um drei Prozent größer im Vergleich zu einer Erdungsfläche ähnlicher Geometrie und in Nähe der Zerstäubungswolke. Wenn sich negativ geladener Spray an der geladenen Abdeckung ablagert, wird ein Neutralisierungsstrom von der Induktionselektrode zum Strömen gebracht, damit die Abdeckung ihr Potential beibehält, der erforderliche Strom ist aber sehr gering. Ausgehend davon, dass ein "Roll-back" von ein Prozent Spray zur Düse stattfindet, wobei zwei Drittel auf die Abdeckungsfläche treffen, so würde ein typischer 10 mA-Zerstäubungswolkenstrom nur 66 mA von der Energieversorgung der Elektrode zum Neutralisieren des Roll-back erfordern. In der Praxis ist viel weniger als ein Prozent Roll-back des geladenen Spray wahrscheinlich.
Düsen können das Roll-back geladenen Sprays und eine Teilchenablagerung an ausgewählten Düsenflächen durch ge eignete Formung des Äußeren der Düse weitgehend reduzieren. Die Düsenform erzeugt Umgebungsluft-Strömungsfelder, günstige elektrische Feldmuster von dem nahen Potential der geladenen Zerstäubungswolke sowie strategische gekrümmte elektrische Feldformen zwischen angegriffenen dielektrischen Oberflächen, auf denen elektrische Potentiale absichtlich aufrechterhalten werden.
Geladene Tröpfchen, die zur Vorderseite der Spraydüse zurückkehren und eine induzierte elektrische Entladungsneutralisierung der Zerstäubungswolke sowie eine elektrische Spurbildung bewirken, sind ein Problem, das bei allen vorbekannten kommerziellen Versionen der Law-Vorrichtung und anderer Induktionsladungsdüsen anzutreffen ist. Dies liegt daran, dass sie allgemein planare Oberflächen senkrecht zu der Achse des mit Tröpfchen geladenen Gasstrahls aufweisen. Eine Flüssigkeitsablagerung kann in Situationen, in denen die Düse nach oben versprüht oder horizontal versprüht oder in Situationen, bei denen entgegengesetzt geladene Düsen aufeinander zu sprühen, wie bei Weinberg-Sprühvorrichtungen, besonders stark sein.
Um eine Ablagerung des Sprays auf der Düse zu reduzieren, kann die Oberflächenbeschaffenheit glatt gestaltet werden und ist vorzugsweise allgemeinen konisch oder anderweitig aerodynamisch geformt, wobei sie sich nach vorne verjüngt, um am Strahlauslass so schmal wie möglich zu sein. Diese konische Verjüngung nach vorne, die an dem Hochgeschwindigkeitsstrahl endet, verursacht die Mitführung eines signifikanten Volumens von Umgebungsluft. Die mitgeführte Umgebungsluft strömt über das glatte Düsenäußere zu dem Hauptspraystrahl und erzeugt einen Luft"vorhang" über den Öffnungen der Hohlräume und hilft dabei, das Eintreten von Teilchen zu verhindern. Außerdem trägt der Luftstrom über Düsenoberflächen dazu bei, eine Ablagerung von Verunreinigungen zu verhindern und richtet Teilchen und zerstreute Zerstäubungströpfchen auf das vorgesehene Ziel hin. Das mitgeführte Gasvolumen kommt zu der Außenschicht des aus der Düse austretenden Hauptgasstrahls hinzu. Diese hinzukommende Masseströmung tendiert dazu, langsamere Tröpfchen am Außenumfang der Zerstäubungswolke in der vorgesehenen Richtung von der Düse wegzuschleudern, wobei elektrische Kräfte, die ein „Rollback" von Tröpfchen verursachen, überwunden werden. Mit planarflächigen Düsen tendieren die peripheren Tröpfchen dazu, ohne weiteres zurückzukehren und sich auf der Düsenoberfläche anzulagern.
Um eine Sprayablagerung und Flüssigkeitsansammlung weiter zu reduzieren, können die von dem elektrischen Potential der Zerstäubungswolke ausgehenden elektrischen Feldlinien dazu gebracht werden, sich am Vorderende der Düse in unmittelbarer Nähe zum Hauptgas-/Spraystrahl zu konzentrieren. Die nach vorne verjüngte Form der Abdeckung reduziert den Ablagerungsflächenbereich unmittelbar angrenzend an die geladene Zerstäubungswolke, und die verstärkte Krümmung am Auslass bewirkt, dass der Großteil der elektrischen Feldlinien an der leitenden Schichtfläche unmittelbar um den Spraystrahl herum endet. Somit werden zu der Düse zurückkehrende geladene Tröpfchen vorzugsweise zu diesem Bereich einer starken Krümmung hin gezogen, und da das Luftströmungsfeld in diesem Bereich ebenfalls stark konzentriert ist, werden alle sich diesem Bereich annähernden Tröpfchen wieder in den Hauptgas-/Spraystrahl vor der Ablagerung eingeführt und entladen sich auf der Düsenfläche. Die kleine Flüssigkeitsmenge, die sich auf der Oberfläche nahe dem Strahlauslass ablagert, wird unmittelbar durch eine starke Venturiwirkung in den Hauptgas-/Spraystrahl gezogen und wieder zerstäubt, bevor ein Abtropfen und eine nachfolgende induzierte Ionisierung auftreten können. Etwas flüssiges Zerstäubungsmaterial kann an den stromaufwärtigen Oberflächen der konischen Abdeckung abgelagert werden, obwohl der Einfluss des Zerstäubungswolkenfelds dort durch die Distanz von der Hauptwolke und durch die kontinuierliche glatte Form viel schwächer ist. In diesem Fall sammelt sich die Flüssigkeit nicht ohne weiteres ausreichend an, um abzutropfen oder um eine induzierte Ionisierung zu initiieren, da die Flüssigkeit stetig durch die umhüllende Umgebungsluft, die zur Strömung des Düsen-Hauptgasstrahls hingeführt wird, in den Hauptstrahl gezogen wird.
Über die mechanischen Ausschlussverfahren zum Schutz des Inneren von Hohlräumen und den vom dem vorher erläuterten Luftvorhang bereitgestellten Schutz hinaus, der über Düsenoberflächen und den Hohlraumöffnungen durch von dem am Vorderende der Düse austretenden komprimierten Gasstrahl mitgeführter Umgebungsluft bewirkt wird, kann ein weiterer Schutz vor dem Eindringen (von Verunreinigungen) durch geladenes Spray durch eine geeignete Formgebung elektrischer Feldlinien an Hohlraumeingängen bewerkstelligt werden, um zu bewirken, dass geladenes Spray von den Öffnungen abgestoßen wird. Wie vorher erläutert wurde, bewirkt die geladene Zerstäubungswolke in der Nähe ein "Raumladungs"-Kraftfeld von der Größenordnung von 2 bis 3 kV/cm, welches geladene Tröpfchen von dem Bereich der geladenen Zerstäubungswolke zu dem vorgesehenen geerdeten Ziel hin treibt. Dieses Raumladungsfeld ergibt auch elektrische Feldlinien, welche an der Düse selbst enden. Die Energie des Gasträgers ist ausreichend, um annähernd den gesamten Spray von der Düse wegzuschleudern, aber ein Teil bewegt sich zu den Düsenoberflächen entlang dieser Feldlinien. Diese Raumladungs-Feldlinien enden senkrecht an leitenden verunreinigten Düsenoberflächen. Zusätzlich zu dem durch das Vorhandensein der geladenen Zerstäubungswolke erzeugten Feld sind auch starke elektrische Felder zwischen der Hochspannungsabdeckung und den Niederspannungs-Körperflächen der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung vorhanden. Diese beiden Felder sind in der Strömungsrichtung komplementär. An planaren Oberflächen sind die Feldlinien gleichmäßig beabstandet, aber an Oberflächenunebenheiten sind die elektrischen Feldlinien viel stärker konzentriert. Ein Option besteht darin, Unebenheiten oder Feldkonzentratoren an der Düsenfläche zu planieren, um die Feldintensität zu konzentrieren und um elektrische Feldlinien einer gekrümmten Form zu bewirken, die sich sowohl aus dem Potential der Zerstäubungswolke als auch dem absichtlich an Düsenoberflächen aufrechterhaltenen Potential ergeben. Geladene Spraytröpfchen, die sich den gekrümmten Feldlinien annähern, erfahren starke Zentrifugalkräfte und werden von den Hohlraumöffnungen nach außen in das umgebende Luftströmungsfeld geschleudert und wieder in die Hauptzerstäubungswolke eingeführt, die auf das vorgesehene Ziel gerichtet ist.
In einer bevorzugten Anordnung weist die Außenfläche der Abdeckung allgemein eine nach vorne konvergierende Konusform auf und umgibt die Zerstäubungs- und Aufladungszone. Die Abdeckungsfläche ist vorzugsweise ein dielektrisches Material und wird hinreichend konta-miniert, wenn sie einer Zerstäubungsumgebung ausgesetzt ist, wobei sie geringfügig leitend wird. Daher wird eine günstige elektrische Feldgrenze aufrechterhalten, welche das interne Ladungs-Induktionsfeld umgibt, um dieses wirksam von dem entgegengesetzten Raumladungsfeld zu entkoppeln, welches durch das Vorhandensein des stark geladenen Sprays erzeugt wird, der vom Düsenauslass emittiert wird.
Die vorher erläuterten geschützten Hohlraum-Innenflächen der Düse ergeben eine hohe Impedanz zwischen der Düsenelektroden-Stromversorgung und Erde, und reduzieren signifikant den Strom von der Stromversorgung im Vergleich mit vorbekannten Düsen. Diese hohe Impedanz ermöglicht nun die erfolgreiche Implementierung eines resistiven Schutzelements in Reihe mit der Düse zwischen der Stromversorgung und der Induktionsladeelektrode, ohne einen signifikanten Spannungsabfall an der Elektrode zu erleiden. In einer bevorzugten Anordnung sollte dieses resistive Element in der Düse selbst enthalten sein. Eine Konfiguration, bei der die Stromversorgung in der Düse angebracht ist, würde einfach einen Widerstand an dem Stromversorgungsausgang aufweisen. Im Fall von mehreren Düsen, die mit einer entfernten Stromversorgung verbunden sind, könnte ein Widerstand zusätzlich zu den einzelnen resistiven Elementen in den Düsen in dem Stromverniert sein. sorgungsweg plaOder Widerstände mit Mehrfachausgängen könnten in dem Stromversorgungsweg selbst mit direkten Verbindungen zu der Düse planiert sein. Es kann auch resistiver Draht angewandt werden, um diese Aufgabe zu erfüllen. Falls Mehrfachdüsen von einer einzigen Quelle mit Energie zu versorgen sind, wird bevorzugt, einen Ausgangswiderstand für jede Düse anzuwenden, um zu verhindern, dass eine kurzgeschlossene Düse die anderen beeinflusst. Einer der Vorteile einer resistiven Leitung zwischen dem Stromversorgungsausgang und der Düsenelektrode mit hoher Impedanz ist die Sicherheit. Das System kann so gestaltet werden, dass kein bemerkenswerter Schock auftritt, wenn eine mit Energie versorgte Düse gehandhabt wird. Weitere Vorteile, die infolge eines Reihenwiderstands zu beobachten sind, der gemeinsam mit einer Düse hoher Impedanz verwendet wird, bestehen in der erheb-lichen Verringerung eines infolge induzierter elektrischer Ionisierung des Flüssigkeitsstrahls abgezogenen Stromversorgungsstroms und folglich eines Ionenstroms von der Induktionselektrode. Solche Ionenströme sind in vobekannten Düsen festgestellt worden, sobald die Elektrode benetzt wurde oder freiliegende Ränder bzw. Kanten oder andere Oberflächenunebenheiten aufwies.
Die Art der Düse mit hoher Impedanz eignet sich zum erfolgreichen Positionieren der Stromversorgung an oder in der Düse. Der reduzierte Energieversorgungsstrom und die reduzierte Spannung ermöglichen nicht nur die Verwendung von stark miniaturisierten DC-DC-Wandlern, die bequem an der Düse angebracht oder in diese aufgenommen werden können, sondern es können auch die Niederspannungsleitungen oder die Batterie, die eine Eingabe zum Stromwandler bereitstellen, vor einer Beschädigung infolge einer an der Elektrode entstehenden elektrischen Spurbildung geschützt werden. In vorbekannten Gestaltungen wie der von Law, bei der die Stromversorgung an der Düse angebracht und nicht in ihr enthalten war, gingen die Niederspannungsleitungen von einer Oberfläche der Düse aus, die einer Kontaminierung und Spannung und Strom von der Elektrode ausgesetzt war. Falls die Stromversorgung an der Düse anzubringen oder in einem Abschnitt derselben einzugliedern ist, würde die bevorzugte Anordnung die von dem Niederspannungsabschnitt einer Düse hoher Impedanz wie der hier offenbarten ausgehenden Niederspannungseingangsdrähte oder -verbinder aufweisen. Dies würde verhindern, dass Schichten kontaminierenden Materials an den Außenflächen der Drahtisolierung oder einer die Verbinder umgebenden Isolierung ein elektrisches Potential von annähernd dem der Elektrode erreichen, was in einem elektrischen Zusammenbruch der Isolierung resultieren würde. Die Stromversorgung selbst könnte an dem Hochspannungsabschnitt mit den vor einer Kontaminierung geschützten Niederspannungseingangsleitern angebracht sein, indem sie in dem Niederspannungs-Düsenabschnitt positioniert würden.
Ein zusätzliches bevorzugtes Merkmal der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines harten, abtragungs- bzw. verschleißfesten Materials, das in dem Zerstäubungskanal aufgenommen ist, um ein vorzeitiges elektrisches oder mechanisches Ausätzen dieses Kanals zu verhindern. In der bevorzugten Ausführungsform wird Keramik wegen seiner Abtragungsfestigkeit und elektrischen Isoliereigenschaften gewählt. Bestimmte Keramiktypen, die elektrisch leitend gemacht werden, können als Elektrodenmaterial verwendet werden. Die abtragungsfeste Elektrode kann einen Abschnitt der Wände des Zerstäubungskanals oder die gesamte Kanalfläche bilden.
In der bevorzugten Anordnung ist der Zerstäubungszonenkanal eine gerade Bohrung, die zu dem Strahlauslass divergiert, im Gegensatz zu einem konvergierenden Kanal, der in vorbekannten Gestaltungen verwendet wurde und den Aufbau von Material in dem Kanal oder am Strahlauslass bewirken kann.
Zusätzlich zu diesen Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen der vorliegenden Erfindung gehen weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Vergünstigungen der Erfindung aus der Bezugnahme auf den Rest dieses Dokuments hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer zusammengebauten ersten Ausführungsform der Induktionszerstäubungs-Aufladedüse gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht einer auseinandergebauten ersten Ausführungsform der Induktionszerstäubungsdüse gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform der Induktionszerstäubungsdüse gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 eine detaillierte perspektivische Ansicht des Doppelfluidspitzenabschnitts einer Ausführungsform der Induktionszerstäubungs-Aufladedüse gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 eine detaillierte perspektivische Ansicht des Doppelfluidspitzenabschnitts einer Ausführungsform der Induktionszerstäubungs-Aufladedüse gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem Kanäle dazu verwendet werden, Luft in die Zerstäubungszone zu leiten,
5 eine Schnitt-Aufrissansicht einer zweiten Ausführungsform der Induktionszerstäubungs-Aufladedüse gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Haube aufweist,
6 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des Düsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
7 das mitgeführte Luftströmungsfeld und das an eine Düse angelegte elektrische Feld gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
8 das mitgeführte Luftströmungsfeld und das an eine Düse angelegte elektrische Feld gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer über den Ausnehmungen bzw. Hohlräumen installierten Haube zum mechanischen Schutz der Oberflächen sowie zum Erzeugen eines verstärkten gekrümmten elektrischen Feldes, um geladene Partikel auszuschließen,
9 eine vierte Ausführungsform der Induktionsladedüse gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei resistive Elemente innerhalb der Düse zwischen dem Energieversorgungsauslass und der Düsenelektrode installiert sind,
10 einen halb-logarithmischen Graphen des Elektrodenwiderstands gegenüber Erde, gemessen über eine Zeitspanne, in der ein gewöhnliches, hochleitendes landwirt schaftliches Gemisch gespritzt wird, wobei eine vorbekannte Düse mit einer Düse gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen wird,
11 eine graphische Darstellung des im Zeitverlauf erreichten Aufladungspegels für eine Düse gemäß der Erfindung im Vergleich mit denjenigen einer vorbekannten Düse,
12 einen halblogarithmische graphische Darstellung des typischen Energieversorgungsstroms, der über eine Zeitspanne von einem Tag erforderlich ist, um eine Düse gemäß der Erfindung zu betreiben, im Vergleich zu demjenigen für eine vorbekannte Düse, und
13 eine schematische Darstellung eines Zerstäubungs-Aufladedüsensystems, bei dem ein Widerstand zwischen die Energieversorgung und eine Düse mit einer kontaminierten resistiven Oberfläche eingefügt ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine Form einer bevorzugten Ausführungsform von Induktions-Aufladedüsen gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform besteht die Düse im wesentlichen aus einem Körper 1 und einer Abdeckung 2. Der Flüssigkeitseinlass 8, Gaseinlass 7 und elektrische Eingang 9 sind an der Rückseite des Körperabschnitts 1 gelegen. Geladenes Spray in einem Gasträger 15 wird vom Vorderende der Düse über den Auslass 33 emittiert. Die konisch geformte Abdeckung 2 der Düse verjüngt sich zur Auslassseite 24 hin. Ein Haube 30 ist an dem Körperabschnitt 1 der Düse positioniert dargestellt. Gemäß 2, die eine zerlegte Ausführungsform zeigt, kann die Abdeckung 2 vorzugsweise einfach von dem Körper 1 abgenommen werden, wobei die Innenbereiche zur Wartung freiliegen. Die Abdeckung 2 ist vorzugsweise am Körper 1 befestigt und unter Verwendung von Gewinden 3 oder durch Schrauben, Verriegelungen oder andere Befestigungsmittel einfach trennbar, die eine Demontage zur Inspektion, zur Reinigung und zum Zusammenbau ohne Fehlausrichtung oder Beschädigung durch ungeübte Personen, und vorzugsweise ganz ohne Werkzeuge oder unter Verwendung üblicher Werkzeuge ermöglichen. Das stromabwärtige Ende des Körpers ist zu einer Doppelfluidspitze 12 mit einem Gasauslass 21 und einem Plenum 13 sowie einer Flüssigkeitsmündungsspitze 16 geformt. Ein elektrischer Kontakt mit der Stromversorgung kann über eine Kontaktklemme 23 vorgenommen werden, die mit der in 3 gezeigten ringförmigen leitenden Oberfläche 19 zusammenpasst.
Es wird wieder auf 3 eingegangen, in der eine Schnittansicht einer Düse gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, und bei der der Düsenkörper 1 aus einem dielektrischen Material gebildet ist, vorzugsweise mit geringer Oberflächenbenetzbarkeit, niedrigen Oberflächen- und Volumen-Leitfähigkeitswerten und schwachen Oberflächen-Haftungseigenschaften. Der Körper 1 enthält Leitungen für Gas 4, Flüssigkeit 5 und elektrische Energie (in dieser Ansicht nicht dargestellt, siehe 9, Bezugsziffer 6). Die Eingänge von Gas 7, Flüssigkeit 8 und elektrischer Energie (siehe 1, Bezugsziffer 9) befinden sich vorzugsweise an der Rückseite 10 des Körpers 1 in größtmöglichem Abstand von der Fläche bzw. Seite 24 der Düse. Der Gaseingang 7 kann so gestaltet sein, dass er auf Wunsch ein Filtersieb 11 aufnimmt.
Die Fluidleitungen 4 und 5 sowie die elektrische Leitung werden für gewöhnlich kontinuierlich durch den Düsenkörper 1 ohne Säume oder Trenneinrichtungen in dem Körper ausgebildet. Es ist nicht erwünscht, einen Saum bzw. eine Naht zuzulassen, die verunreinigt werden kann und daher die Flüssigkeit der Induktionselektrodenspannung durch Streuströme an den Düsenoberflächen aussetzen kann. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, dass die Stromversorgung in dem Düsenkörper 1 eingekapselt oder an diesem angebracht ist, wodurch ein Hochspannungsdraht von außerhalb des Körperabschnitts 1 eliminiert wird.
Der Körper endet in einer Doppelfluidspitze 12, wie er in 2 und in einer leicht modifizierten Version in 4 gezeigt ist. Wie aus 3 hervorgeht, endet die Gasleitung durch den Körper 1 an einem Auslass 21 in einem Plenum 13, welches die Basis der Doppelfluidspitze 12 umgibt. Der äußere Rand 22 des Plenums 13 kann dazu dienen, gegen die Basis des Plenums 26 im Abdeckungsabschnitt 2 abzudichten. Eine zusätzliche Abdichtung kann durch eine flexible Dichtung 17 gegen den im Innern der Abdeckung 2 ausgebildeten Rand 25 vorgesehen sein. Diese Dichtung verhindert ein Entweichen von Gas und dient auch dazu, die Stromwege an der Innenfläche zu begrenzen. Druckbeaufschlagtes Gas aus dem Plenum 13 kann über mehrere Öffnungen 14, welche die Basis der Doppelfluidspitze gemäß 4 umgeben, geleitet werden, oder die Basis 34 der Doppelfluidspitze 12 kann wie in den 2 und 3 schmal und glatt gestaltet sein, um zu ermöglichen, dass Gas vollständig um den Umfang der Basis 34 herumströmt. Letzteres wird für eine maximale elektrische Isolierung der Fluidspitze 12 bevorzugt. Falls ein Gaskanal in diesem Bereich benötigt wird, um den Luftstrom zu leiten, werden jedoch geschlitzte Kanäle 14 Löchern vorgezogen, da die Seitenwandflächen der Schlitze freiliegen, wenn die Abdeckung 2 entfernt wird, und sie einfacher gereinigt werden können als das Innere von Löchern. Diese Schlitze können in der Axialrichtung des Spraystroms 25 eingebracht sein, oder die Schlitze 14 können unter einem Winkel (wie in 4 gezeigt) ausgebildet sein, wenn eine radiale Bewegung des austretenden Gases erwünscht ist, um einen breiteren Zerstäubungswinkel zu erzeugen.
Die Flüssigkeitsleitung 5 endet am Auslass der Flüssigkeitsmündungsspitze 16. Im allgemeinen wird bevorzugt, dass die Mündungsspitze 16 stromauf der Elektrode 18 plaziert ist, wie in 3 gezeigt ist. Es hat sich aber herausgestellt, dass die Anbringung dieser Spitze 16 auch variiert werden kann, um eine gewünschte Zerstäubung sowie Aufladequalitäten zu erzielen, und um die Flüssigkeits-Strömungsrate zu variieren.
Es wird wieder auf 3 eingegangen, wobei im Innern des Vorderendes der Abdeckung 2 der Düse ein Gasplenum 26 ausgebildet ist, welches die Basis 34 der Doppelfluidspitze 12 umgibt. Das Gasplenum 26 dient dazu, die Strömung druckbeaufschlagten Gases in die Zerstäubungszone auszu gleichen, zu beschleunigen und zu führen, und kann einen Teil der Wand des Zerstäubungskanals 35 bilden. Die Form des Plenums 26 ist allgemein als ein in einen Zylinder übergehender Kegelstumpf dargestellt, der für ein eng geführtes Spray gut funktioniert, es können aber auch andere Konfigurationen eingesetzt werden, die ein modifiziertes Spraymuster ergeben. Das um die Basis der Spitze 12 positionierte Gasplenum 26 trägt dazu bei, den Bereich von einer groben Verschmutzung frei zu halten, wenn er druckbeaufschlagt wird. Wenn der Gasdruck abgestellt wird, kann Sprühflüssigkeit in die Zerstäubungszone 35 und den Plenumbereich 26 tropfen, und aus diesem Grund wird bevorzugt, einen einfachen Druckschalter einzusetzen, um die Elektroden-Energieversorgung zu steuern. Andernfalls könnte es zu einem Funkenschlag zwischen der Elektrode 18 und der Spitze 16 bei nicht vorhandener Gasströmung kommen. Es wird auch bevorzugt, dass der Gasdruck für kurze Zeit, nachdem die Flüssigkeitsströmung angehalten wird, bestehen bleibt, um die Spitze 16 der verbleibenden Flüssigkeit durch die Venturi-Wirkung zu reinigen.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine leitende Induktionselektrode 18 in geeigneter Weise so positioniert, dass ihre Innenfläche einen Teil der Wand des Zerstäubungskanals bildet, vorzugsweise stromab der Flüssigkeitsmündungsspitze 16. Vorzugsweise vor oder stromab der Elektrode befindet sich der Zerstäubungskanal-Strahlauslass 33, der dazu dient, den Spraystrahl zu leiten und die Vorderkante der Elektrode zu bedecken. Der Strahlauslass 23 ist vorzugsweise aus abtragungsfesten Materialien wie Keramik gebildet, muss es aber nicht sein. Es ist nicht nötig, dass der Auslass 33 nicht-leitend ist, und es können schwerleitende Materialien wie rostfreier Stahl gewählt werden, obwohl Isoliermaterialien für die persönliche Sicherheit vorzuziehen sind. Vorbekannte Induktionsaufladedüsen tendieren dazu, in dem Strahlauslassbereich zu verschleißen oder sich zu verschlechtern, wenn Flüssigkeiten, die abrasive Pulver oder aggressive Chemikalien enthalten, zerstäubt werden. Düsen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen einen Strahlauslass, der vorzugsweise aus Keramik gebildet ist. Typischerweise wird ein industrieller Tonerde-Keramikstoff für diesen Zweck wegen seiner extrem hohen Widerstandskraft gegenüber Verschleiss und Zersetzung durch Säurelösungen, alkalische Lösungen, Salze und Lösemittel gewählt. Tonerde-Keramikstoffe weisen einen Härtegrad auf, der fast alle anderen Materialien übertrifft. Außerdem zeigen diesen Arten von Keramikstoff eine hohe dielektrische Stärke, eine hohe Oberflächenbeständigkeit, eine geringe Oberflächenbenetzbarkeit und eine geringe Porosität. Die keramische Form kann unter Verwendung von standardmäßigen keramischen Teileformungstechniken geformt werden. Bestimmte Tonerde-Keramikstoffe eines Typs mit mit Glas gebondetem Glimmer, wie zum Beispiel das Corning-Erzeugnis "MACOR" sind besonders geeignet für die Ausbildung des Strahlauslasses 33 durch gewöhnliche Bearbeitungsverfahren. Andere Materialien, die für diese Anwendung geeignet sind, umfassen bestimmte abtragungsresistente Kunststoffe. Diese können Kohlenstofffasern enthalten, welche den Kunststoff elektrisch leitend machen. Mit solchen Materialien können die Komponenten, welche die Wände der Zerstäubungszone bilden, wie zum Beispiel die Elektrode 18 und der Strahlauslass 33, einstückig ausgebildet werden. Dies Lösung vermeidet das Problem des Einbettens einer metallischen Elektrode und vereinfacht die Herstellung und die Gestaltung der Düse sehr.
Die Hauptkonzepte dieses elektrostatischen Zerstäubungssystems umfassen die Aufrechterhaltung von Oberflächenpotentialen an ausgewählten Düsenkomponenten und die Aufrechterhaltung eines hochresistiven Pfads von der Elektrode 18 zur Erde. Die Hauptvorteile umfassen die Verhinderung einer Oberflächenstrom-Spurbildung, die Verringerung einer induzierten Ionisierung an der Düsenfläche, eine Verringerung in der Größe und in der Ausgangsleistung der Stromversorgung und eine erhöhte Sicherheit. Um einen Oberflächenladungsstrom zu eliminieren, werden die äußeren und inneren Düsenflächen, die mit der Elektrode 18 durch Oberflächenverunreinigung in Kontakt kommen, auf einer Spannung ähnlich der der Elektrode 18 gehalten. Der Körper der Düse 1 wird ausreichend von der Abdeckung 2 isoliert, so dass im Fall der Kontaminierung der rückwärtigen Basisflächen 10 diese sich annähernd auf Erdungspotential befinden, mit einem minimalen Strom zu Fluidverbindungen 7 und 8 und geerdeten Zerstäuberteilen, mit denen der Körper 1 schließlich verbunden werden kann.
Ein Verfahren zur Erzielung eines hohen elektrischen Widerstands zwischen der Elektrode 18, der Düse und geerdeten Abschnitten besteht im physischen Schutz ausgewählter Abschnitte der Düsenflächen vor Verunreinigung durch Spray oder andere Materialien, die sich auf der Düse ablagern und die Bildung von Streustromwegen bewirken können. Die Ausführungsformen der 2 und 3 zeigen ein Beispiel einer strombegrenzenden Ausnehmung 28, die am Körperabschnitt 1 ausgebildet ist, und einer zusätzlichen strombegrenzenden Ausnehmung 29, die im Abdeckungsabschnitt 2 ausgebildet ist. Die Ausnehmungen bzw. Hohlräume 28, 29, die ringförmig oder von irgendeiner anderen gewünschten Form sein können, erzeugen Bereiche, welche teilweise vor Spray oder anderen Verunreinigungen geschützt sind, wobei eine hochresistive Oberfläche gewährt wird. Aufgeladener Spray, der von elektrischen Feldlinien getrieben zu der Düse zurückkehrt, hat keine ausreichende kinetische Energie, um ohne weiteres in die Tiefe der Ausnehmung vorzudringen, und lagert sich meistens am Rand der Ausnehmung ab, wo sich die Feldlinien konzentrieren. Falls Spraymaterial oder andere Flüssigkeiten schließlich innerhalb der Ausnehmung 28 oder 29 abgelagert werden, ist deren Menge für gewöhnlich gering, und Flüssigkeit sammelt sich nicht an, um einen kontinuierlichen Pfad zu bilden, wobei Flüssigkeitsfilme viel stärker leitend sind als diskrete kleinen Tröpfchenablagerungen. Die Hohlräume 28, 29 können periodisch gereinigt werden, und sind einfachzugänglich, wenn die Abschnitte des Körpers 1 und der Abdeckung 2 getrennt werden.
Im Fall von Düsen, die unter bestimmten harten bzw. aggressiven Bedingungen arbeiten, können Gasströme 40 (in 3 gezeigt) in die Ausnehmung 28, 29 geleitet werden, um kontinuierlich oder periodisch das Innere der Ausnehmung zu reinigen. Wenn beispielsweise die Zerstäubungsgaszufuhr kein Problem ist, könnte ein Teil des Gases durch mehrere Löcher 40 kleinen Durchmessers geleitet werden, die radial oder etwas tangential außerhalb der Gasleitung 4 gebohrt sind, wobei ein Druckgradient sowie eine aktive Gasausspülung aus dem Körperhohlraum 28 erzeugt wird, um eine Teilchenablagerung im Innern auszuschließen.
Ein weiterer Schutz vor Oberflächenkontaminierung in dem Innern der Ausnehmung wird durch Hinzufügen von Abschirmungen zum mechanischen Schutz und zur Erzeugung günstig geformter elektrischer Feldlinien bereitgestellt, um den Eintritt geladener Tröpfchen zu verhindern. Ein Beispiel einer solchen Abschirmung ist in der Schnittansicht der 5 gezeigt (es können aber auch andere Strukturen oder Formen angewandt werden). Diese äußere Abschirmung in Form einer Haube 30 dient dazu, Düsen-Außenflächen sowie die Oberflächen der Düsenkörper-Ausnehmung 28 und der Ausnehmung der Abdeckung 29 noch besser zu schützen. Die Haube 30 kann wie dargestellt für abwärtsgerichtete Düsenausrichtungen planiert sein, oder umgekehrt und an der Abdeckung am Sitz 31 für aufwärtsgerichtete Düsen Orientierung befestigt sein. Außerdem kann eine weiterer Schutz durch die Anordnung einer dielektrischen ringförmigen, scheibenförmigen Sperre 32 hinzugefügt werden, die zwischen den Körper und die Abdeckung planiert wird. Diese Sperre 32 bedeckt die Hohlräume 28, 29 und erzeugt eine Kombination von Oberflächen, um den Eintritt und die Oberflächen-Ablagerung von geladenem Spray oder anderen Verunreinigungen abzulenken oder anderweitig zu begrenzen, welche in Luftströmen um die Düse herum wandern können. Die äußere Haube 30 und innere Sperre 32 können als integraler Teil des Düsenkörpers hergestellt sein oder separat ausgebildet sein, vorzugsweise aus einem dielektrischen Material mit geringer Oberflächen-Benetzbarkeit, geringem Volumen und geringer Oberflächenleitfähigkeit sowie schwachen Oberflächenhaftungseigenschaften, wie z. B. UHMW oder PTFE. Eine weitere Abschirmungskonfiguration, um hochresistente Durchgangswege von der Elektrode 18 der Düse zur Erde beizubehalten, ist in 6 gezeigt. In dieser beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine grundsätzlich haubenförmigen Abschirmung 36 zwischen einer Ladedüse 38 und einem geerdeten Sprayerteil 39 planiert. In diesem Beispiel bilden die Gas- und/oder Flüssigkeitsleitungen, welche an der Rückfläche 10 der Düse eintreten, dielektrische Abstandhalterstruktur 37. Die Abschirmung 36 schützt mechanisch den dielektrischen Abstandhalter 37 vor Verunreinigung. Sie modifiziert auch vorteilhaft das elektrische Feld, um eine Ablagerung von geladenen Tröpfchen an der Innenseite der Abschirmung zu verhindern.
Zusätzliche Hauben, Ausnehmungen oder andere Abschirmungsverfahren können dem Düsenkörper, der Abdeckung, den Düsen-Montageteilen, Rohren oder Drähten hinzugefügt werden, die aufeinander planiert werden, um ein Labyrinth zu bilden, oder die anderweitig hinzugefügt und/oder konfiguriert sein können, falls ein stärkerer Grad an Isolierung notwendig ist. Oft bieten perforierte äußere Abschirmungen einen Schutz vor einer Elektro-Ablagerung an Innenflächen, während sie ein Entweichen von angesammelter Flüssigkeit (oder Regen) gestatten.
Die Düsenflächen sind so konfiguriert, dass sie die Form und Konzentrierung der elektrischen Raumladungsfeldlinien, die auf die verschiedenen Oberflächen des Körpers 1 und der Abdeckung 2 einwirken, zum Zweck der günstigen Beeinflussung der Flugbahn der zur Düse zurückkehrenden geladenen Spraytröpfchen beeinflusst. Eine in geeigneter Weise geladene Zerstäubungswolke, die von einer Induktionsladedüse emittiert wird, erbringt typischerweise ein passives Raumladungsfeld einer Größe von 2 bis 4 kV/cm an planaren Düsenoberflächen. An planaren, glatten, kontinuierlichen, Verunreinigungen leitenden Oberflächen der Düse enden die Raumladungsfeldlinien gleichmäßig beabstandet und senkrecht. Wenn winklige Oberflächenunebenheiten angetroffen werden, enden die Feldlinien immer noch senkrecht, werden aber an konvexen Formen stärker konzentriert und im Innern konkaver Formen weniger konzentriert. Für die Düse werden Potentiale an Düsenoberflä-chenschichten aufrechterhalten, und Ausnehmungsränder und andere Düsenflächen werden absichtlich so geformt, dass ein gekrümmtes aktives elektrisches Feld angelegt wird, um Düsenflächen vor einer Ablagerung geladenen Sprays zu schützen. Geladene Tröpfchen, die sich entlang solcher gekrümmter Feldlinien bewegen, erfahren starke Zentrifugalkräfte, welche sie wirksam von dem Ausnehmungs-Öffnungsbereich und von der Düse weg in ein Luftströmungsfeld abstoßen, womit diese Zonen vor einer Ablagerung geschützt sind.
Für das in 7 gezeigte Beispiel ergeben Oberflächenverunreinigende Felder, die sich an dem an den geerdeten Sprayerteilen angebrachten Körperabschnitt ausbilden, eine geerdete Oberfläche des Körperabschnitts 1. Oberflächen 50 des Abdeckungsabschnitts 2 weisen jeweils ein Potential nahe dem der Elektrode 18 auf. Dies ergibt die Bildung eines elektrischen Felds in dem die beiden Abschnitte trennenden Raum. In der in 7 gezeigten Ausführungsform konzentrieren sich die Feldlinien an den Rändern 54, 55 der jeweils gegenüberliegenden Ausnehmungen 28, 29, um starke, gekrümmte elektrische Feldlinien 60 zu erzeugen, wie gezeigt ist. Geladene Tröpfchen, die zur Düse entlang elektrischer Raumladungs-Feld-linien, welche an der Zerstäubungswolke entstehen, zurückkehren, werden daran gehindert, in die Ausnehmungen einzutreten, da sie, wenn sie in dem zunehmend intensiven gekrümmten Feld mitgeführt werden, sich beschleunigen, und da die Zentrifugalkraft bewirkt, dass die Tröpfchen aus der stark gekrümmten Bahn der Feldlinien hinaus ausgetragen und in dem die Spraydüse umgebenden Luftströmungsfeld 61 mitgeführt werden.
Das Luftströmungsfeld 61 und dieses aktive elektrische Feld 60 wirken zusammen, wobei sich jedes zerstreute geladene Tröpfchen in der Richtung des vorgesehenen Zerstäubungsziel bewegt. Während negativ geladene Tröpfchen, die sich aus einer positiven Induktionselektrode ergeben, für den Zweck des Beispiels verwendet werden, ist diese resultierende, zielgebundene Richtung der sich in dem gekrümmten Feld bewegenden Tröpfchen die gleiche, ungeachtet der Polarität der Induktionselektrode.
Gemäß 8 wird die Hinzufügung einer in geeigneter Weise ausgebildeten Haube 30 über den Ausnehmungsöffnungen dazu verwendet, ein sehr intensives gekrümmtes Feld 62 über dem Eingangsweg zwischen dem Haubenrand 56 und einer an der Düsenabdeckung 2 gebildeten Kante 57 zu bilden. Ein typisches positives 800 V-Potential an der Oberflächenschicht der dielektrischen Abdeckung 2, die einen halben Zentimeter von einer Erdungsebene positioniert ist, erzeugt ein lineares elektrisches Feld von 1,6 kV/cm. Im Fall einer scharfen Kontur, die strategisch am Körper gegenüber einer scharfen Lippe an einer geerdeten Haube ausgebildet ist, ist die Feldform gekrümmt und kann so gestaltet werden, dass sie sich der Stärke des dielektrischen Zusammenbruchs von Luft annähert, falls dies gewünscht wird, obwohl eine solche Feldstärke unerwünscht ist, da der resultierende Ionenstrom den Bedarf an Energiezufuhr erhöht. Es ist eine viel geringere Feldstärke erforderlich, um die Abstoßung von 30 mm-Tröpfchen, die auf einen Pegel von –5mC/kg geladen sind, durch Zentrifugalkraft zu bewirken. Unter erschwerten Bedingungen, bei denen sich Flüssigkeit an der Haube 30 oder an der Rückseite des Körpers 1 ansammelt, bewegt sich die Flüssigkeit zu dem Haubenrand 56 und wird in das gekrümmte Feld 62 vor Bildung von zu Ionisierung neigenden Tröpfchenpunkten gezogen. Diese Flüssigkeit tendiert dazu, zur Abdeckung 2 hin gezogen zu werden, wobei die Ausnehmungen 28, 29 entlang gekrümmter Linien vermieden werden, und wird durch Venturi-Wirkung in den Strahl gezogen und wieder zerstäubt.
Die Ausnehmungsränder 54, 55 benutzen das elektrische Feld, das aktiv zwischen der Düse und den Ausnehmungsrändern aufrechterhalten wird, wobei das Feld so geformt wird, dass es eine Abstoßung von Tröpfchen von geschützten Oberflächenstellen fördert. Demgegenüber ist das Vorderende der Düse 58 so geformt, dass es Tröpfchen zu der Vorderfläche 24 am Auslass 33 hinzieht, wobei das passive elektrische Feld 63 benutzt wird, das von der nahen geladenen Zerstäubungswolke erzeugt wird. Die scharfen konvexen Formen an dem vorderen Düsenende 58 und die unmittelbare Nähe dieser Oberfläche an der geladenen Zerstäubungswolke erzeugen eine intensive Konzentration von Feldlinien um die Fläche des Auslasses 24. Geladene Tröpfchen bewegen sich zu dem Düsen-Vorderende 58 und werden meistens in den Spray-strahl wieder eingeführt und zum Ziel hin getrieben, bevor sie auf die Düse auftreffen. Sprayflüssigkeit, die sich nicht ablagert, wird entlang der Oberfläche 50 geleitet, und durch die starke Venturiwirkung wieder zerstäubt in den Strahl geführt.
Der Hochgeschwindigkeits-Gaszerstäubungsstrahl wird dazu verwendet, etwaige geladene oder ungeladene Sprays, die dazu tendieren, sich an den Düsenoberflächen anzusammeln, abzustoßen und/oder auszustoßen. Die lokal anzutreffende hohe kinetische Energie und Geschwindigkeit des Zerstäubungsgasstrahls, wenn dieser und die begleitenden geladenen Tröpfchen aus dem Strahlauslass 33 austreten, erzeugen eine reduzierte Druckzone, welche jegliches Spray, das dazu tendiert, sich an den kleinen Flächenbereichen des abtragungsresistenten Auslasses 33, der Fläche des Auslasses 24 oder anderen Oberflächen 50 der Abdeckung 2 abzulagern und/oder anzusammeln, in den Strahl zieht. Gemäß dem Gesetz des Erhalts des Trägheitsmoments übertragen molekulare Aufschläge des zentralen Gasstrahls hoher Geschwindigkeit, der aus der Düse am vorderen Strahlauslass 33 austritt, auf die umgebende Luft Geschwindigkeit und führen ein signifikantes Volumen derselben mit. Dieses Mitführen beschleunigt zusätzliche Luftvolumen, die entlang externen Oberflächen des Düsenkörpers 1 und der Abdeckung 2 strömen, in den aus der Düse austretenden zentralen Hochgeschwindigkeits-Gas/Spray-Hauptstrahl. Solche gesteuerten Luftbewegungen entlang geeignet konturierten Düsenflächen sind günstig, um abgelagerte Flüssigkeit abzutragen, bevor sie sich hinreichend ansammeln kann, um induzierte elektrische Entladungsspitzen zu initiieren. Außerdem werden kleine, in der Luft getragene Spraytröpfchen und andere kontaminierende Teilchen, die unvermittelt in die Schutzhohlräume diffun dieren, durch eine Vakuum- oder Venturiwirkung abgezogen, ähnlich Zigarettenrauch, der aus dem Innern eines fahrenden Fahrzeugs durch ein leicht geöffnetes Fenster abgezogen wird.
Die vorliegende Erfindung kann das Konturieren der Außenform des Düsenkörpers und der zugehörigen Abdeckungsteile umfassen, so dass die günstigen Wirkungen von Zentrifugalkraft, die auf sich in gekrümmten elektrischen Feldern bewegende geladene Partikel ausgeübt wird, im Zusammenspiel mit aerodynamischen Strömungsfeldern wirken, um eine exzessive Flüssigkeitsansammlung, eine Tröpfchenentladung durch Ablagerung und eine induzierte Korona sowie Flüssigkeitsschwallprobleme, die bei herkömmlichen Aufladedüsen beobachtet werden, auszuschließen.
9 zeigt eine Aufriss-Schnittansicht durch die Achse der elektrischen Leitung 6, die am stromabwärtigen Ende des Düsenkörpers 1 in einem Kontaktzapfen 23 endet. Die elektrische Leitung 6 durch den Körper 1 kann ein Stromversorgungsdraht oder die Stromversorgung selbst enthalten oder aus leitendem oder halbleitendem Material zur Verbindung mit der Stromversorgung gebildet sein. Falls eine Elektrodenenergiequelle 43 in die Düse einzugliedern oder an dieser anzubringen ist, sollte die bevorzugte Ausführungsform die Niederspannungs-Eingangsverbindungen 64 an dem Niederspannungs-Körperabschnitt 1 der Düse aufweisen. In diesem Fall kann die Energieversorgung 43 an oder in dem Körper 1 oder der Abdeckung 2 angeordnet sein. Falls die Energieversorgung 43 am Abdeckungsabschnitt 2 angebracht ist, sollten die Niederspannungseingangsleitungsdrähte sich in dem Niederspannungs-Düsenkörper 1 befinden. Falls erwünscht ist, dass NiederspannungeingangsLeitungsdrähte an der Außenseite eines Hochspannungsabschnitts der Düse vorhanden sind, so muss eine geeignete Hochspannungsisolierung der Drähte verwendet werden, und eine Schutzhaube oder eine andere Struktur sollte eingesetzt werden, um einen Abschnitt der Drähte zu schützen, um eine elektrische Spurbildung entlang Draht-Isolierflächen zu den Verbindern oder zu geerdeten Sprayer-Teilen zu minimieren. In der in 9 gezeigten Ausführungsform, bei der der Hochspannungsleiter eine Leitung 6 im Düsenkörper 1 ist, hat die Leitung 6 ein Klemmenende 23, welches mit einer leitenden Oberfläche 19 in Kontakt steht, die elektrisch mit der Elektrode im Abdeckungsabschnitt 2 verbunden ist. Die leitende Oberfläche 19 kann ein Metall oder ein leitender Kunststoffring sein, der in Abdeckungsausnehmung eingesetzt ist, oder sie kann ein leitender Kunststoff sein, der eingegossen oder eingespritzt ist. Es ist vorzuziehen, dass die Oberfläche kontinuierlich ist und das Innere des Abdeckungsabschnitts umgibt, um an der Oberflächenschicht der internen Oberflächen 59 der Abdeckung stromauf der Elektrode 18 bis zur leitenden Oberfläche 19 ein gleichmäßiges Potential zu erzeugen. Diese äquipotentiale Oberfläche 59 verhindert die Bildung eines Stromwegs von der Elektrode 18 nach hinten zu irgendeiner der kritischen Oberflächen der Düsen-Zerstäubungszone, und verhindert auch einen Schaden im Bereich der Doppelfluidspitze 12. Im Fall eines direkten Kurzschlusses zwischen der Flüssigkeitsmündungsspitze 12 und der Elektrode 18 wird der Strom direkt zu der Flüssigkeitsströmung selbst geleitet statt entlang Wegen auf den dielektrischen Oberflächen, und der resistive Weg der Flüssigkeitsströmung sowie das resistive Element am Elektrodeneingang begrenzen einen starken Funkenschlag an der Spitze.
Ein elektrischer Durchgangsweg 20 ist in der Abdeckung 2 zwischen der leitenden Oberfläche 19 und der Elektrode 18 ausgebildet. Ein Draht oder ein anderes hochleitendes Material oder ein befestigter Widerstand 41 können in den Durchgangsweg 20 eingesetzt werden, oder ein elektrischer Kontakt kann durch ein leitendes oder halbleitendes Material erfolgen, das eingespritzt oder eingegossen werden kann, wie z. B. Kohlenstoff enthaltende Kunststoffe. Wenn erwünscht ist, ein resisitives Element für den Kontakt mit der Elektrode zu verwenden, kann ein resistives Element in den Durchgangsweg 20 oder in dem elektrischen Kanal im Körper 6 installiert werden. Letzteres ist aus Sicherheitsgründen vorzuziehen, und um gleiche Potentiale an Innenflächen der Abdeckungskomponenten zu gewährleisten, um dort Oberflächenströme zu verhindern.
Wenn eine einzige Stromversorgung mit einer einzigen Düse eingesetzt wird, kann eine unregelmäßige Zufuhr mit niedriger Energie verwendet werden, falls die Ausgangs-Ladeeigenschaften erwünscht sind, oder es kann ein begrenzender Widerstand an einer Stromversorgungsschaltung plaziert werden. Wenn mehrere Düsen von einer einzigen Stromversorgung betrieben werden müssen, ist es wünschenswert, ein resistives Element für jede Düse zu verwenden, gleichgültig, ob diese Widerstände in der Stromversorgung oder der Düse enthalten sind. Dies verhindert, dass eine kurzgeschlossene Düse in dem Satz die Ladespannung bei anderen, über die gleiche Energiequelle arbeitenden Düsen reduziert.
Die in dieser Erfindung beschriebenen Verfahren zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines geringen Oberflächenlecks und eines hohen Widerstands zwischen dem Düsen-Stromversorgungsausgang und Erde ermöglichen die Verwendung eines geeigneten Strombegrenzungswiderstands, ohne nennenswerte Spannung an die Elektrode zu opfern. Ein in dem Körper oder irgendwo vor der Elektrode 18 plazierter Widerstand hat den Vorteil, den Strom im Fall eines Kontakts mit der Elektrode 18 oder den kontaminierten Düsenoberflächen auf einen nicht gefährlichen Pegel zu begrenzen. Wegen einer Reihenverbindung mit dem Widerstand kontaminierter Oberflächen sind durch richtige Anwendung jedoch diejenigen, die herkömmliche Düsen entworfen haben, umgangen worden. Sicherheit ist eine Hauptmotivation, um Anforderungen an die Energiezufuhrfür Induktionsdüsen zu reduzieren. Oft können 9 mA bei 800 V von kontaminierten Außenflächen einiger herkömmlicher, kommerzieller Düsen dieses allgemeinen Induktionsaufladetyps abgeführt werden, die übergroß bemessene Energiezufuhren aufweisen, um problematische hohe Leckströme auszugleichen. Die größte hervorgerufene Gefahr rührt allgemein nicht vom elektrischen Schlag selbst her, sondern von der Aktion der Person, die sich schnell von der Quelle zurückzieht und hinfällt oder gegen irgendetwas schlägt. Frühere Versuche, begrenzende Widerstände oder ungeregelte Energiezufuhr niedriger Energie zu verwenden, sind zwar hinsichtlich der Sicherheit erfolgreich, reduzieren aber die Elektrodenspannung und die Aufladung.
Der in 10 gezeigte Graph veranschaulicht die Ergebnisse eines Tests, bei dem die elektrischen Widerstandswerte von den Induktionselektroden zur Erde einer herkömmlichen Düse sowie einer Düse gemäß der vorliegenden Erfindung während eines Zeitraums überwacht wurden, in dem gewöhnliche landwirtschaftliche Chemikalien enthaltendes Wasser gespült wurde. Die Widerstandswerte des Sprühgemischs betrugen annähernd 28 Ω/cm für jede der Lösungen (im Vergleich mit einem typischen Wert von 5000 bis 10.000 Ω/cm für Leitungswasser). Das Blattdüngungsgemisch, das auch ein Kupferfungizid enthält, bildet jedoch charakteristischerweise eine dicke Schicht an den Düsen und konnte bei herkömmlichen Düsen nicht erfolgreich getestet werden. Während dieses Tests wurde ein Gebläse aufgestellt, um einen Teil des Sprays in die Vorderseite der Düsen zurückzublasen, um die oft auftretende Situation zu simulieren, wenn Aufladedüsen zum Sprühen in entgegengesetzten Richtungen positioniert sind, wie beispielsweise beim Spritzen von Weingärten. Zu Beginn des Tests der herkömmlichen Düse wurden die Düsenoberflächen gereinigt, und der Elektroden-Erde-Widerstand betrug 11 MΩ, was nahe dem 15 MΩ-Wert des Energieversorgungsausgangs-Nebenschlusswiderstands lag. Innerhalb einer Stunde wurde der Elektrodenwiderstand zur Erde auf weniger als 1 kΩ reduziert und variierte erheblich bei dem beobachteten Niveau einer auf der Düse vorhandenen resistiven Schicht. In diesem Fall wurde bei der vorbekannten Düse kein Energieversorgungs-Begrenzungswiderstand verwendet, und er konnte nicht ohne erhebliche Reduzierung der Elektrodenspannung eingesetzt werden. Die obere Kurve von 10 zeigt die Ergebnisse des Test unter Verwendung der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein viel stärkeres Gemisch des stark leitenden Blattdüngers mit einer erheblichen Menge an hinzugefügten Kupferfungizid gesprüht wurde. In diesem Fall wurde der anfängliche hohe Systemwiderstand zur Erde über den gesamten Testzeitraum beibehalten, und ein 1,2-MΩReihenwiderstand wurde erfolgreich eingesetzt. Es konnte kein elektrischer Schlag gefühlt werden, wenn die Abdeckung der Aufladedüse berührt wurde, selbst wenn diese von dem Spray stark bedeckt war.
Auch während dieses Tests wurde der Spray-Aufladepegel für jede Düse überwacht, und diese Ergebnisse sind in 11 dargestellt. Die Sprayaufladung wurde durch Messen des Zerstäubungswolkenstroms bestimmt, der in Aufladung pro Sprayvolumeneinheit auf der Basis der Flüssigkeitsströmungsrate umgewandelt wurde. Beispielsweise hatte jede Düse eine Flüssigkeitsströmungsrate von 120 ml/min, so dass sich ein Zerstäubungswolken-Strompegel von 10 mA zu einem Aufladepegel von 5 mC/l ändert. Es wurde vorher festgelegt, dass ein erwünschter Pegel der Aufladung für einen zweifachen Ablagerungsvorteil gegenüber ungeladenem Spray im Bereich von 3 mC/l oder mehr liegt. Die vorbekannte Düse wurde mit Wasserspray mit einem elektrischen Widerstandswert von 6500 Ω/cm auf einen Pegel von 5,5 mC/l geladen. Mit den 10 Prozent zu der Spray-Flüssigkeit hinzugefügten Chemikalien wurde aber die Aufladung anfänglich auf nur 3,8 mC/l reduziert und verringerte sich schnell weiter auf weniger als 2 mC/l bei Verunreinigung der Düsenoberflächen. Bei der Düse der vorliegenden Erfindung wurde Wasserspray mit einem Pegel von 7,5 mC/l geladen und wenn der 20%-ige Gehalt an der zwei Chemikalien hinzugefügt wurde, wurde der Aufladepegel auf 7 mC/l über die gesamte Zeitspanne von fünf bis sechs Stunden des Test beibehalten.
12 zeigt einen separaten Test, bei dem wie vorher der Düsenenergieversorgungsstrom für die beiden Düsen überwacht wurde. In diesem Fall wurde jedoch ein Kupferfungizid sowie Blattdüngung den über die herkömmliche Düse versprühten Gemischen zugefügt. Die Art des Kupfers bewirkt eine stärkere Schicht an der Düse als der Blattdünger allein. Das endgültige Ergebnis war, dass die Düse irreversibel beschädigt wurde: zuerst wurde der Zerstäubungskanal verformt (die Zerstäubungs- und interne Aufladefeldgeometrie wurden geändert), und binnen zweier Stunden wurde die dielektrische Flüssig keitsmündungsspitze stark korrodiert und die Düse konnte den Spray nicht mehr über 0,8 mC/l aufladen. Vor dem Totalausfall der Spritze betrug für gewöhnlich der Strombedarf für die Düse nach dem Stand der Technik das Vierzigfache des Strombedarfs zum Betrieb der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung, während der Aufladepegel, der bei der vorliegenden Erfindung erreicht wurde, das Dreifache der herkömmlichen Düse betrug. Somit liefert die vorliegende Erfindung eine Spraystrom-Ausgangsleistung pro Einheit einer Düsenstrom-Eingangsleistung, die das 120fache der herkömmlichen Düse beträgt.
Ein weiterer Vorteil, der sich während dieser Spritzversuche bestätigte, bestand darin, dass mit der neuen Düse hoher Impedanz die Flüssigkeit keine elektrischen Entladungsspitzen bildete und nicht an der Düsenfläche ionisierte, auch wenn Flüssigkeit absichtlich auf die Fläche gegossen wurde. Bei der vorbekannten Vorrichtung kam es jedoch leicht und fortgesetzt zu einer induzierten Ionisierung. Außerdem zeigte die herkömmliche Düse ein sichtbares Koronaglühen am Rand der Flüssigkeitsmündungsspitze, was eine Ionisierung und elektrische Entladung der Flüssigkeit anzeigte, wenn sie an der Spitze auftauchte. Dies kann zwar die Aufladung durch Ionenanlagerung verbessern, führt jedoch schließlich zu einem Ausfall der Flüssigkeitsspitze infolge physischer Aushöhlung und Verformung des Spitzenrandes.
Die vorangehende Offenbarung hat bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung aufgegriffen. Es können aber auch andere Strukturen, Gestaltungen, Dimensionen, Komponenten, Modifikationen, Auslassungen und/oder Hinzufügungen, die darauf abzielen, Düsen oder Teile von Düsen herzustellen, welche ähnliche Wirkungen ergeben wie Düsen und Teile von Düsen nach obiger Offenbarung, angewandt werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

Induktions-Zerstäubungs-Aufladedüse mit: (a) einem Körper (1), der aus einem dielektrischen Material aufgebaut ist, mit einem Flüssigkeitskanal (5) zum Transport von Flüssigkeit und einem Gaskanal (4) zum Transport von Gas, wobei der Flüssigkeitskanal (5) in einer Spitze (16) endet, (b) einer Abdeckung (2), die entfernbar mit dem Körper (1) verbunden ist, wobei die Abdeckung (2) aus einem zumindest teilweise isolierenden Material gebildet ist, und wobei die Abdeckung umfasst: (i) eine Innenfläche, die mit einer Außenfläche des Körpers (1) zusammenwirkt, um mindestens einen Leerraum zu bilden, in den von der Spitze (16) austretende Flüssigkeit und aus dem Körper (1) austretendes Gas einströmen kann, wobei die Abdeckung (2) einen Kanal (35) bildet, durch den die Flüssigkeit und das Gas strömen, und der Kanal (35) in der Form so gestaltet ist, dass er bewirkt, dass zerstäubte Flüssigkeit und Gas in geeigneter Weise aus dem Kanal (35) in die die Düse umgebende Luft austreten, und (ii) eine Elektrode (18), die mindestens teilweise den Kanal (35) umgibt und eine elektrische Ladung in der in dem Kanal (35) strömenden Flüssigkeit erzeugen kann, wobei die Düse dadurch gekennzeichnet ist, dass: (c) die Flüssigkeit stromauf der Spitze (16) geerdet ist, und (d) der Flüssigkeitskanal (5) von der Elektrode (18) elektrisch isoliert und ohne strukturelle Diskontinuitäten, wie Säume bzw. Nähte oder Trennungen, in dem dielektrischen Material des Körpers (1) entlang der Länge des Kanals (5) und zwischen dem Kanal (5) und der Spitze (16) des Körpers (1) ausgebildet ist, um zu verhindern, dass Strom von der Elektrode (18) zu der in dem Kanal (5) enthaltenen Flüssigkeit fleißt.
Induktions-Zerstäubungs-Aufladedüse nach Anspruch 1 ferner mit einer leitenden Oberfläche (19) in der Abdeckung (2), die elektrisch mit der Elektrode (18) gekoppelt ist und bewirken kann, dass das Potential an vorbestimmten Stellen an Innenflächen der Abdeckung (2) im wesentlichen das gleiche Potential ist wie das der Elektrode (18).
Induktions-Zerstäubungs-Aufladedüse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner mit einem aus abriebbeständigem Material gebildeten Auslass (33), der angrenzend an den Kanal (35) positioniert ist und diesen zumindest teilweise umgibt.
Induktions-Zerstäubungs-Aufladedüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abdeckung (2) ferner eine aus abriebbeständigem Material gebildete Elektrode (18) umfasst.