EP0021194A2 - Ultrasonic atomiser for liquid fuels - Google Patents

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EP0021194A2
EP0021194A2 EP80103161A EP80103161A EP0021194A2 EP 0021194 A2 EP0021194 A2 EP 0021194A2 EP 80103161 A EP80103161 A EP 80103161A EP 80103161 A EP80103161 A EP 80103161A EP 0021194 A2 EP0021194 A2 EP 0021194A2
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EP
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cylindrical portion
diameter
section
length
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EP80103161A
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EP0021194B1 (en
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Harvey L. Berger
Charles R. Brandow
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    • F23D11/345Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by ultrasonic means or other kinds of vibrations with vibrating atomiser surfaces

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic atomizer for liquid fuels, in particular an ultrasonic transducer for ultrasonic atomizers, and represents an improvement of the ultrasonic atomizer disclosed in US Pat. No. 4,153,201 dated May 8, 1979.
  • FIG. 2 shows an enlarged partial side view of the outer end of the amplifier section of the converter shown in FIG. 1 with a tip provided with a flange with a frustoconical surface.
  • Fig. 3 the small diameter probe and the frustoconical tip of the amplifier section of Fig. 2 are shown approximately to scale in a diagram in which the normalized vibration amplitude is plotted against the axial distance.
  • the x coordinate thus denotes the position in the axial direction and the r coordinate denotes the radial one. Direction.
  • the interfaces between the three separate parts of the probe are designated x 1 ' x 2 and x 3 , the graded transition from the part of the probe with a reduced diameter to the remaining part of the transducer is 0, and the projected angle of the frustoconical tip is at x 4 .
  • zones 0 and 1 where the cross-sectional areas are not a function of x, the area expression can be deleted from the wave equation.
  • the cross-sectional area is variable in zone 2, and thus the wave equation takes on a significantly different shape.
  • the cone angle does not appear explicitly in the printout, the choice of the value for x 4 applies to this parameter unmistakably.

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Abstract

1. Ultrasonic atomizer for producing a finely atomized stream of extremely fine liquid particles, comprising a driving means whose output plane provides a longitudinal vibratory displacement at a predetermined ultrasonic operating frequency, comprising a vibration amplifyng means in the form of a stepped ultrasonic horn with a first cylindrical portion (34) whose input end plane is coincident with the output plane of the driving means (33) and whose length is equal to a quarter wavelength at the operating frequency, further comprising a second cylindrical portion (35) adjoining the other end of the first cylindrical portion, with a diameter substantially smaller than that of the first cylindrical portion (34) and with a flanged tip (36) adjoining the outer end of the second cylindrical portion, the diameter of the flange being substantially greater than the diameter of the second, but less than the diameter of the first cylindrical portion, and the outer face of the flanged tip forming an atomizing surface, further comprising means for delivering a liquid flowing radially outwardly at the atomizing surface for atomization by the vibrations produced by the driving means, characterized in that the atomizing surface (29) has a convexly conical surface extending in accordance with the edge of the flanged tip and therefore producing a substantially cone-shaped spray dispersion of finely distributed droplets flowing over this surface when the atomizer is excited by the operating frequency, with the axis of this cone-shaped flow extending parallel to the direction of the longitudinal vibration, and the apex angle of the convexly conical surface forming the supplementary angle for the conical flow angle of the atomized liquid ; in that, furthermore, the flanged tip comprises a short cylindrical portion (38) contiguous to the atomizing surface, with the same diameter as the base of the conical atomizing surface, and therefore ensures that the atomizing surface effects only longitudinal vibrations ; and in that the dimensions of the stepped ultrasonic horn correspond to the dimensions resulting from the solving of the time-invariant differential equation for the propagation of longitudinal vibrations in a solid medium operated at the preselected ultrasonic frequency.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallzerstäuber für Flüssigbrennstoffe, insbesondere einen Ultraschallwandler für Ultraschallzerstäuber, und stellt eine Verbesserung des in der US-Patentschrift 4 153 201 vom 8. Mai 1979 offenbarten Ultraschallzerstäubers dar.The invention relates to an ultrasonic atomizer for liquid fuels, in particular an ultrasonic transducer for ultrasonic atomizers, and represents an improvement of the ultrasonic atomizer disclosed in US Pat. No. 4,153,201 dated May 8, 1979.

Wie in der dieser US-Patentschrift entsprechenden deutschen Offenlegungsschrift 27 49 859 bereits ausgeführt, läßt sich der Zerstäubungswirkungsgrad eines mit einer Sonde versehenen elektromechanischen Ultraschallwandlers dadurch verbessern, daß man der Sonde eine Spitze mit vergrössertem Durchmesser in Form eines starren Flansches gibt, und daß die Form des zerstäubten flüssigen Brennstoffes und die Dichte des zerstäubten flüssigen Brennstoffes durch die geometrischen Umrisse der mit einem Flansch versehenen, zerstäubenden Oberfläche beeinflußt werden kann. Beispielsweise bewirkt eine senkrecht zur Sondenachse angeordnete ebene Fläche ein ganz bestimmtes Muster und eine ganz bestimmte Dichte der zerstäubten Flüssigkeit. Ist die Oberfläche konvex gekrümmt, dann ist der Strahl der zerstäubten Flüssigkeit breiter, und man findet weniger zerstäubte Teilchen je Flächeneinheit der Querschnittsfläche als mit einer ebenen Oberfläche. Eine konkav gekrümmte Oberfläche verengt die Form des Strahls und die Dichte der Teilchen im Strahl ist größer als bei einer ebenen Oberfläche.As already stated in German Laid-Open Specification No. 27 49 859 corresponding to this U.S. patent, the atomization efficiency of a probe-provided electromechanical ultrasonic transducer can be improved by giving the probe an enlarged diameter tip in the form of a rigid flange and the shape of the atomized liquid fuel and the density of the atomized liquid fuel can be influenced by the geometrical outlines of the flanged, atomizing surface. For example, one causes perpendicular to the probes flat surface arranged on the axis, a specific pattern and density of the atomized liquid. If the surface is convexly curved, the spray of the atomized liquid is wider and fewer atomized particles are found per unit area of the cross-sectional area than with a flat surface. A concavely curved surface narrows the shape of the beam and the density of the particles in the beam is greater than with a flat surface.

Bei Anwendungsgebieten, bei denen ein Ultraschallwandler dieser Art als Zerstäuber in einem mit flüssigem Brennstoff betriebenen Brenner verwendet wird, ist es oft erwünscht, einen kegelförmigen Strahl mit einem weiten öffnungswinkel von etwa 60° zu erzeugen. Zerstäuber mit kugelförmig konvexen Zerstäubungsoberflächen haben sich jedoch nicht als vollkommen zufriedenstellend für die Erzeugung eines derartigen Strahls erwiesen. Versuchsergebnisse zeigten, daß sich nur ein Winkel von etwa der Hälfte des vorher gesagten Winkels im Strahl erzeugen ließ. Ferner hat sich gezeigt, daß eine mit einem starren Flansch versehene Wandlerspitze mit einer kugelförmig konvexen, zerstäubenden Oberfläche sehr schwierig anzusteuern war, wobei sehr starke Leistungsimpulse erforderlich waren, um den Brennstoff zu zerstäuben. Eine derartig instabile Arbeitsweise ist jedoch für Brennstoffzerstäuber, wie sie bei Ölbrennern in Haushalten oder in Industrieanlagen verwendet werden, nicht annehmbar. Andererseits haben Wandler mit einer einen starren Flansch aufweisenden Spitze und mit planaren Zerstäubungsoberflächen stabil und mit gutem Wirkungsgrad gearbeitet, jedoch ist der durch die ebene Zerstäubungsoberfläche erzeugte Strahl nicht weit genug aufgefächert, um eine gute Durchmischung mit der einströmenden Luft und eine gute Flamme in den üblichen Hochdruckdüsen von Ölbrennern zu erzeugen.In fields of application in which an ultrasonic transducer of this type is used as an atomizer in a burner operated with liquid fuel, it is often desirable to generate a conical beam with a wide opening angle of approximately 60 °. However, atomizers with spherically convex atomizing surfaces have not been found to be entirely satisfactory for the generation of such a jet. Test results showed that only an angle of about half the predicted angle could be generated in the beam. Furthermore, it was found that a transducer tip with a rigid flange and a spherically convex, atomizing surface was very difficult to control, and very strong power pulses were required to atomize the fuel. However, such an unstable way of working is for fuel atomizers, such as those used in oil burners in households or in Industrial equipment used is unacceptable. On the other hand, transducers with a rigid flange tip and with planar sputtering surfaces have worked stably and with good efficiency, however the jet generated by the flat sputtering surface is not fanned out far enough for a good mixing with the incoming air and a good flame in the usual way To produce high pressure nozzles from oil burners.

Aufgabe der Erfindung ist es also, einen Ultraschallzerstäuber mit einer derartigen Zerstäubungsoberfläche zu schaffen, die einen stabilen, halbflüssigen, kegelförmigen Strahl mit einem vorbestimmten Scheitelwinkel und einer gleichförmigen Verteilung der zerstäubten Teilchen von praktisch der gesamten Zerstäubungsoberfläche liefert.The object of the invention is therefore to provide an ultrasonic atomizer with such an atomizing surface, which delivers a stable, semi-liquid, conical jet with a predetermined apex angle and a uniform distribution of the atomized particles from practically the entire atomizing surface.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Ultraschallzerstäuber mit einem Treiber, einem an den Treiber angekoppelten Ultraschallhornabschnitt und einer verstärkenden Sonde mit einer Zerstäubungsoberfläche am äußeren Ende der Sonde geschaffen, wobei der Zerstäubungsoberfläche eine Flüssigkeitsströmung zugeführt wird, wobei die Verbesserung darin besteht, daß die Zerstäubungsoberfläche kegelförmig ausgestaltet ist, wobei der öffnungswinkel dem Ergänzungswinkel eines vorbestimmten Zerstäubungswinkels für den Zerstäuber entspricht.This is accomplished in accordance with the present invention by an ultrasonic nebulizer having a driver, an ultrasonic horn section coupled to the driver and a reinforcing probe having an atomizing surface at the outer end of the probe, with a liquid flow being supplied to the atomizing surface, the improvement being that the atomizing surface is conical, the opening angle of the supplement angle corresponds to a predetermined atomization angle for the atomizer.

Vorzugsweise bildet die kegelförmige Zerstäubungsoberfläche die Stirnseite eines starren Flansches, dessen Grundliniendurchmesser größer ist als der Durchmesser der Sonde, und die zu zerstäubende Flüssigkeit wird durch eine sich axial durch die Sonde hindurch erstreckende Bohrung zugeführt und trifft dabei auf eine radial verlaufende Leitung für die Brennstoffzufuhr, die angenähert in einer Ebene eines Schwingungsknotenpunktes des Wandlers angeordnet ist. Die gesamte Länge der Sonde mit verringertem Durchmesser und der mit einem Flansch versehenen Spitze sollte kleiner sein als die theoretisch errechnete Viertel-Wellenlänge in dem Material des Wandlers für dessen Betriebsfrequenz, und die relative Länge der Sonde und der Spitze sollte in Bezug auf ihre jeweiligen Durchmesser so bestimmt werden, daß eine größtmögliche Schwingungsamplitude bei der Vibration der Zerstäuberoberfläche erreicht wird. Für die optimale Länge von Sonde und Spitze, wie sie aus der Lösung der grundlegenden Wellengleichung bestimmt ist, lassen sich Schwingungsamplituden für eine mit einem kegelstumpfförmigen Flansch versehene Spitze erzielen, die etwa 97 Prozent der maximal mit einer einfachen zylinderförmigen Sonde erzielbaren Amplitude entspricht, wodurch man eine wesentlich vergrößerte Zerstäuberoberfläche erhält, wobei jedoch die Schwingungsamplitude nur unwesentlich verringert ist.The conical atomizing surface preferably forms the end face of a rigid flange, the base line diameter of which is larger than the diameter of the probe, and the liquid to be atomized is fed through a bore which extends axially through the probe and thereby meets a radially extending line for the fuel supply, which is arranged approximately in a plane of a vibration node of the transducer. The total length of the reduced diameter probe and flanged tip should be less than the theoretically calculated quarter wavelength in the transducer material for its operating frequency, and the relative length of the probe and tip should be relative to their respective diameters be determined so that the greatest possible vibration amplitude is achieved when the atomizer surface vibrates. For the optimal length of the probe and tip, as determined from the solution of the basic wave equation, vibration amplitudes can be achieved for a tip provided with a frustoconical flange, which corresponds to approximately 97 percent of the maximum amplitude that can be achieved with a simple cylindrical probe, which means that receives a much larger atomizer surface, whereby however, the vibration amplitude is only slightly reduced.

Die Erfindung wird nunmehr anhand einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen näher beschrieben.The invention will now be described in more detail with reference to a preferred embodiment of the invention in conjunction with the accompanying drawings.

In den Zeichnungen zeigt

  • Figur 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Zerstäuberwandlers gemäß der Erfindung,
  • Figur 2 eine vergrößerte Teilansicht der Sonde mit der mit einem Flansch versehenen Spitze gemäß Fig. 1, und
  • Figur 3 ein Diagramm der Longitudinal-Schwingungsamplitude, aufgetragen über dem Abstand längs der verstärkenden Sonde gemäß der Erfindung.
In the drawings shows
  • FIG. 1 shows a side view, partly in section, of an atomizer converter according to the invention,
  • FIG. 2 is an enlarged partial view of the probe with the flanged tip according to FIG. 1, and
  • Figure 3 is a diagram of the longitudinal vibration amplitude plotted against the distance along the amplifying probe according to the invention.

In Fig. 1 ist ein elektromechanischer Ultraschallwandler 11 gezeigt, der aus einer scheibenförmigen Elektrode 12 besteht, die zwischen einem Paar piezoelektrischen Scheiben 13 und 14 angeordnet ist, die wiederum zwischen einem vorderen Zerstäuberteil 15 und einem hinteren Ausgleichsabschnitt 16 liegen. Die vorderen und hinteren Abschnitte sind mit der Verschraubung dienenden Flanschen 17 bzw. 18 versehen, und das Ganze wird mit Kopfschrauben 19 zusammengehalten, die durch ausgerichtete Bohrungen in den Flanschen 17 und 18 in ringförmigen Dichtungen 20 und 21 und in der scheibenförmigen Elektrode 12 hindurchgesteckt werden, bevor sie in Gewindebohrungen in einer Montageplatte 22 eingeschraubt werden.1 shows an electromechanical ultrasound transducer 11 which consists of a disk-shaped electrode 12 which is arranged between a pair of piezoelectric disks 13 and 14 which in turn lie between a front atomizer part 15 and a rear compensation section 16. The front and rear sections are provided with the screwed flanges 17 and 18, respectively, and the whole is held together by cap screws 19, which are aligned through bores in the flanges 17th and 18 are inserted in annular seals 20 and 21 and in the disk-shaped electrode 12 before they are screwed into threaded bores in a mounting plate 22.

Zur Vermeidung eines Kurzschlusses sind die Schrauben 19 von isolierenden Manschetten 23 umgeben, die die Bohrungen in der scheibenförmigen Elektrode durchsetzen. Eine Anschlußklemme 24 auf der Oberseite der scheibenförmigen Elektrode dient dem Anschluß eines Kabels 25, das mit einem Ultraschallfrequenzgenerator 26 üblicher Bauart verbunden ist. Da die Montageplatte normalerweise Teil einer elektrisch geerdeten Apparatur, wie z.B. eines Ölbrenners, ist oder an diesem befestigt ist, sind damit alle anderen Teile mit Ausnahme der scheibenförmigen Elektrode geerdet, so daß dadurch über die Erdverbindung des Ultraschallfrequenzgenerators eine geschlossene Erdverbindung geschaffen ist. Damit baut sich über den beiden piezoelektrischen Scheiben 13 und 14 zwischen der scheibenförmigen Elektrode 12 und den vorderen und rückwärtigen Abschnitten des Wandlers eine Wechselspannung mit vorbestimmter Ultraschallfrequenz auf.To avoid a short circuit, the screws 19 are surrounded by insulating sleeves 23 which penetrate the bores in the disk-shaped electrode. A terminal 24 on the top of the disc-shaped electrode is used to connect a cable 25 which is connected to an ultrasonic frequency generator 26 of a conventional type. Since the mounting plate is normally part of an electrically grounded device, e.g. an oil burner, or is attached to it, all other parts with the exception of the disc-shaped electrode are grounded, so that a closed earth connection is thereby created via the earth connection of the ultrasonic frequency generator. An AC voltage with a predetermined ultrasound frequency thus builds up over the two piezoelectric disks 13 and 14 between the disk-shaped electrode 12 and the front and rear sections of the transducer.

Der vordere Zerstäuberabschnitt 15 des Wandlers enthält in dem Flansch 17 eine radial sich erstreckende Bohrung 27, die auf eine axial verlaufende Bohrung 28 trifft, die sich durch den vorderen Abschnitt bis zu einer Öffnung in der Mitte der Zerstäuberoberfläche 29 erstreckt. Eine Zuleitung 30 verbindet einen Brennstoffvorratsbehälter 31 über ein kurzes Rohrstück 32, das in die Bohrung 27 eingesetzt wird oder über eine sonst übliche Ankopplung mit der Bohrung 27.The front atomizer section 15 of the transducer contains in the flange 17 a radially extending bore 27 which meets an axially extending bore 28 which extends through the front section to an opening in the Extends middle of the atomizer surface 29. A feed line 30 connects a fuel reservoir 31 via a short pipe section 32 which is inserted into the bore 27 or via an otherwise customary coupling to the bore 27.

Funktional gesehen, umfaßt der Wandler 11 einen symmetrischen, doppelt ausgeglichenen Ultraschalltreiber I und einen Schwingungsverstärker II. Der Treiber besteht dabei aus der scheibenförmigen Elektrode 12, den beiden piezoelektrischen Scheiben 13 und 14, dem rückwärtigen Ausgleichsabschnitt 16 und einem Teil 33 des vorderen Zerstäuberteils 15 mit Abmessungen, die mit dem rückwärtigen Ausgleichsabschnitt 16 identisch sind. Damit bildet der Abschnitt 33 des vorderen Zerstäuberteils 15 einen vorderen Ausgleichsabschnitt, der im wesentlichen an den rückwärtigen Ausgleichsabschnitt 16 angepaßt ist.From a functional point of view, the transducer 11 comprises a symmetrical, double-balanced ultrasonic driver I and a vibration amplifier II. The driver consists of the disk-shaped electrode 12, the two piezoelectric disks 13 and 14, the rear compensation section 16 and a part 33 of the front atomizer part 15 Dimensions that are identical to the rear compensation section 16. The section 33 of the front atomizing part 15 thus forms a front compensation section which is essentially adapted to the rear compensation section 16.

Der verbleibende Teil des vorderen Zerstäuberteils 15 bildet den Schwingungsverstärker II, der aus einem ersten zylinderförmigen Abschnitt 34 mit dem gleichen Durchmesser wie der Ausgleichsteil 33 mit einer Länge A und aus einem zweiten zylinderförmigen Abschnitt 35 in Form einer Sonde von wesentlich kleinerem Durchmesser als der zylinderförmige Abschnitt 34 mit einer Länge B besteht, sowie aus einem dritten Abschnitt 36, der die Form einer mit Flansch versehenen Spitze aufweist, deren Länge C und deren Durchmesser größer ist als der der Sonde, jedoch beträchtlich kleiner als der des Abschnitts 34. Vorzugsweise ist das Innere der Bohrung 28, mindestens in dem dem Verstärkerabschnitt II entsprechenden Auslaßteil, ausgekleidet, vorzugsweise mit einer der Entkopplung dienenden Manschette 37, die aus einem Material besteht, das bei Ultraschallfrequenzen eine sehr hohe Dämpfung aufweist. Für diesen Zweck wird Polytetrafluoräthylen vorzugsweise benutzt, da es außerdem durch Brennstoffe auf Kohlenwasserstoffbasis und auch durch die meisten anderen Flüssigkeiten, die zerstäubt werden müssen, nicht angegriffen wird.The remaining part of the front atomizer part 15 forms the vibration amplifier II, which consists of a first cylindrical section 34 with the same diameter as the compensating part 33 with a length A and a second cylindrical section 35 in the form of a probe of substantially smaller diameter than the cylindrical section 34 with a length B, and a third portion 36 which is in the form of a flanged tip has a length C and a diameter greater than that of the probe, but considerably smaller than that of section 34. Preferably, the interior of bore 28 is lined, at least in the outlet part corresponding to amplifier section II, preferably with a decoupling sleeve 37, which consists of a material that has a very high attenuation at ultrasonic frequencies. Polytetrafluoroethylene is preferably used for this purpose because it is also unaffected by hydrocarbon fuels and also by most other liquids that need to be atomized.

Obgleich der Schwingungsverstärker II ein untrennbarer Teil des vorderen Zerstäuberabschnitts ist, so ist es doch erwünscht, für bestes Betriebsverhalten den Wandler in zwei Stufen zu entwerfen. In der ersten Stufe wird ein Versuchsaufbau eines Wandlers hergestellt, der mit dem Treiberteil I des endgültigen Wandleraufbaus, d.h. mit dem längssymmetrischen Wandler mit doppeltem Ausgleich identisch ist.Although the vibration amplifier II is an inseparable part of the front atomizer section, it is desirable to design the transducer in two stages for best performance. In the first stage, a test setup of a converter is made, which is connected to driver part I of the final converter design, i.e. is identical to the longitudinally balanced converter with double compensation.

Die Länge dieses Versuchswandleraufbaus errechnet sich dann gleich der halben Wellenlänge ? bei einer versuchsweise ausgewählten Betriebsfrequenz f aus der Gleichung

Figure imgb0001
wobei c die Schallgeschwindigkeit in dem für die Vorder- und rückwärtigen Abschnitte gewählten Material ist. Dieses Material sollte den Schall sehr gut leiten. Aluminium, Titan, Magnesium und deren Legierungen sind gute Beispiels geeigneter Materialien, jedoch können auch andere Materialien verwendet werden.The length of this experimental transducer structure is then equal to half the wavelength? at an experimentally selected operating frequency f from the equation
Figure imgb0001
where c is the speed of sound in the for the Front and rear sections are chosen material. This material should conduct the sound very well. Aluminum, titanium, magnesium and their alloys are good examples of suitable materials, but other materials can also be used.

Der Wandlerversuchsaufbau wird dann zur Bestimmung der tatsächlichen Resonanzfrequenz untersucht. Da die berechnete Länge auf einer reinen Longitudinalschwingung in einem homogenen Zylinder mit konstantem Durchmesser basiert, der aus dem Wandlermaterial des vorderen und rückwärtigen Abschnitts besteht, vernachlässigt man den Einfluß der Flansche, der Montageplatte, der Halteschrauben, der verschiedenen Materialien der scheibenförmigen Elektrode und der piezoelektrischen Scheiben, der Dichtungsringe, die unvollkommene Anpassung der Oberflächen zwischen den Elementen und eine Befestigung außerhalb eines Knotenpunkts, die Ankopplung der Brennstoffleitung und der Bohrungen und andere Abweichungen von dem theoretischen Modell. Diese Auswirkungen sind schwierig und in den meisten Fällen überhaupt nicht analytisch zu erfassen, aber kumulativ verschieben sie die tatsächliche Resonanzfrequenz des doppelt ausgeglichenen Wandlers um einen ganz wesentlichen Betrag aus der theoretisch errechneten Resonanzfrequenz heraus. Benutzt man die experimentell bestimmte Resonanzfrequenz als Betriebsfrequenz des Zerstäubers, dann erhält man einen abgeglichenen Treiber, der sich bei optimalem Wirkungsgrad betreiben läßt.The converter test setup is then examined to determine the actual resonance frequency. Since the calculated length is based on a pure longitudinal vibration in a homogeneous cylinder with a constant diameter, which consists of the transducer material of the front and rear section, the influence of the flanges, the mounting plate, the retaining screws, the various materials of the disk-shaped electrode and the piezoelectric one is neglected Washers, the sealing rings, the imperfect adaptation of the surfaces between the elements and an attachment outside a node, the coupling of the fuel line and the bores and other deviations from the theoretical model. These effects are difficult and in most cases cannot be recorded analytically at all, but cumulatively they shift the actual resonance frequency of the double-balanced converter by a very substantial amount from the theoretically calculated resonance frequency. If you use the experimentally determined resonance frequency as the operating frequency of the atomizer, you get an compensated one chenen driver that can be operated with optimal efficiency.

Wenn größere Anstrengungen durch das beabsichtigte Anwendungsgebiet gerechtfertigt sind, kann man eine genauere Voraussage der tatsächlichen Resonanzfrequenz des Treibers dadurch erhalten, daß man berücksichtigt, daß jede Viertel-Wellenlänge des vorderen und rückwärtigen Abschnittes aus drei zylinderförmigen Elementen unterschiedlicher Durchmesser, Dichte und Schallübertragungsgeschwindigkeit, entsprechend dem piezoelektrischen Element, dem Flansch bzw. dem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser, zusammengesetzt ist. Mit vorgegebenen Abmessungen des piezoelektrischen Elements und des Flanschs läßt sich die Länge des Abschnitts mit kleinerem Durchmesser dadurch ermitteln, daß man die bekannte Wellen-Differentialgleichung durch die Bedingung löst, in der das elektrodenseitige Ende des Abschnitts in einer Knotenpunktebene liegt (Auslenkung Null), während das andere Ende des Ausgleichsabschnitts an einem Schwingungsbauch liegt (Beanspruchung Null).If greater efforts are warranted by the intended application, a more accurate prediction of the driver's actual resonant frequency can be obtained by considering that each quarter-wavelength of the front and rear sections is composed of three cylindrical elements of different diameters, densities, and sound transmission rates, corresponding to that Piezoelectric element, the flange or the section with a smaller diameter, is composed. With given dimensions of the piezoelectric element and the flange, the length of the section with a smaller diameter can be determined by solving the known wave differential equation by the condition in which the electrode-side end of the section lies in a node plane (zero deflection), while the other end of the compensation section lies on an antinode (zero stress).

Im zweiten Abschnitt wird ein neuer vorderer Zerstäuberabschnitt hergestellt, der den abgestuften Verstärkungsabschnitt mit der Länge A enthält, wobei die Länge B und C als Viertellänge der empirisch in der ersten Stufe bestimmten Betriebsfrequenz errechnet wird. Da der Verstärkerabschnitt einstückig aus homogenem Material mit einfachen Abmessungen besteht, können die Längenabmessungen A, B und C, die durch Lösung der Wellengleichung bestimmt worden sind, zum Aufbau eines Abschnitts herangezogen werden, dessen Resonanzfrequenz sehr nahe an der,für die Berechnungen verwendeten Betriebsfrequenz liegt. Mit anderen Worten, wenn man den Wandler gedanklich in einen abgeglichenen Treiberteil I zerlegt, dessen Resonanzfrequenz nur durch Versuch genau bestimmt werden kann und einen Verstärkerabschnitt, dessen Resonanzfrequenz ohne allzu ungewöhnliche Schwierigkeiten theoretisch vorhergesagt werden kann, läßt sich ein vollständiger Zerstäubungswandler konstruieren, bei dem für einen Betrieb mit optimalem Wirkungsgrad Treiberteil und Verstärkerteil aneinander angepaßt sind.In the second section, a new front atomizer section is produced which contains the stepped reinforcement section with the length A, the length B and C being calculated as a quarter length of the operating frequency determined empirically in the first step. Since the amplifier section is made in one piece from homogeneous material with simple Dimensions exist, the length dimensions A, B and C, which were determined by solving the wave equation, can be used to build a section whose resonance frequency is very close to the operating frequency used for the calculations. In other words, if you mentally disassemble the transducer into a balanced driver part I, the resonance frequency of which can only be determined by experiment and an amplifier section whose resonance frequency can be theoretically predicted without too unusual difficulties, a complete atomization transducer can be constructed, for which an operation with optimal efficiency driver part and amplifier part are adapted to each other.

Dieses Entwurfsverfahren für einen Wandler für Ultraschallzerstäuber ist in der oben angegebenen US-Patentschrift 4,153,201 ausführlich beschrieben, wobei ebenfalls angegeben ist, daß es sehr erwünscht ist, am Ende der verstärkenden Sonde einen starren Flansch als Zerstäuberspitze zu verwenden, wobei angegeben ist, daß für beste Ergebnisse die gesamte Länge der Sonde und der mit Flansch versehenen Spitze, d.h. B+C, kleiner sein sollte als die Länge A des Verstärkerteils mit größerem Durchmesser. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die mit einem starren Flansch versehene Spitze der Sonde am Ende der Sonde eine Massebelastung ergibt, wodurch der Ort der Ebene mit der höchsten Schwingungsamplitude um einen merklichen Betrag verschoben wird gegenüber einer glatten Sonde ohne vergrößerte Spitze.This design method for an ultrasonic nebulizer transducer is described in detail in the above-referenced U.S. Patent 4,153,201, which also states that it is very desirable to use a rigid flange as the nebulizer tip at the end of the amplifying probe, indicating that it is best Results the total length of the probe and flanged tip, ie B + C, should be less than the length A of the larger diameter amplifier section. The reason for this is to be seen in the fact that the tip of the probe, which is provided with a rigid flange, results in a mass load at the end of the probe, whereby the location of the The plane with the highest vibration amplitude is shifted by a noticeable amount compared to a smooth probe without an enlarged tip.

Gemäß der oben genannten Patentschrift wurde eine ebene Zerstäuberoberfläche senkrecht zur Achse der Sonde bevorzugt, da alle Bereiche einer solchen Oberfläche mit der gleichen Amplitude schwingen, wenn die Spitze bei der Betriebsfrequenz des Wandlers starr ist. Gleichzeitig war vorgeschlagen worden, daß eine konvex gekrümmte Zerstäuberoberfläche in solchen Fällen Verwendung finden könnte, bei denen eine weitere Verteilung der zerstäubten Teilchen erwünscht war. Wie jedoch bereits dargelegt, haben nachfolgende Untersuchungen ergeben, daß derartige konvexe Zerstäuberoberflächen nicht sonderlich zufriedenstellend arbeiteten.According to the above patent, a planar atomizer surface perpendicular to the axis of the probe was preferred because all areas of such a surface vibrate with the same amplitude when the tip is rigid at the transducer operating frequency. At the same time, it had been suggested that a convexly curved atomizing surface could be used in cases where a further distribution of the atomized particles was desired. However, as already explained, subsequent investigations have shown that such convex atomizing surfaces did not work particularly satisfactorily.

Eine genaue Beobachtung der konvexen Zerstäuberoberfläche unter Betriebsbedingungen ließ erkennen, daß die Zerstäubung der Flüssigkeit auf einen eng begrenzten, ringförmigen Bereich in unmittelbarer Nachbarschaft der Auslaßöffnung der Zuleitung beschränkt war, wo die Zerstäuberoberfläche im wesentlichen senkrecht zur Sondenachse verlief. In den weiter außen gelegenen Bereichen, bei denen die konvexe Zerstäuberoberfläche einen zunehmend größeren Winkel mit dieser senkrechten Ebene bildet, wurden nur sehr kleine Mengen der Flüssigkeit zerstäubt. Aus diesen Ergebnissen könnte man annehmen, daß eine abgewinkelte Oberfläche für eine Zerstäubung einer Flüssigkeit in einen Weitwinkelstrahl unwirksam sein würde.Close observation of the convex atomizer surface under operating conditions indicated that the atomization of the liquid was limited to a narrow, annular area in the immediate vicinity of the outlet opening of the supply line, where the atomizer surface was essentially perpendicular to the probe axis. In the more distant areas, where the convex atomizer surface forms an increasingly larger angle with this vertical plane, only very small ones became Amounts of the liquid atomized. From these results, one might assume that an angled surface would be ineffective at atomizing a liquid into a wide angle beam.

Überraschenderweise wurde jedoch festgestellt, daß eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Zerstäuberoberfläche gemäß der Erfindung bei Versuchen außergewöhnlich gute Ergebnisse lieferte. Die Beobachtungen bei den Versuchen zeigen, daß die Flüssigkeit auf der gesamten Kegeloberfläche zerstäubt wird und daß die Zerstäubungsrichtung etwa senkrecht auf der konischen Oberfläche steht. Daraus folgt, daß man einen gewünschten öffnungswinkel für einen Strahl lediglich dadurch erzielen kann, daß man eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Zerstäuberoberfläche wählt, die einen komplementären öffnungswinkel aufweist. Beispielsweise wird eine kegelförmige Zerstäubungsoberfläche mit einem Öffnungswinkel von 120° einen im wesentlichen kegelförmigen Strahl mit einem Öffnungswinkel von 60° liefern.Surprisingly, however, it was found that a conical or frustoconical atomizing surface according to the invention gave exceptionally good results in tests. The observations during the experiments show that the liquid is atomized on the entire surface of the cone and that the direction of atomization is approximately perpendicular to the conical surface. It follows that a desired opening angle for a jet can only be achieved by choosing a conical or frustoconical atomizing surface which has a complementary opening angle. For example, a conical atomizing surface with an opening angle of 120 ° will provide a substantially conical jet with an opening angle of 60 °.

In Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilseitenansicht des äußeren Endes des Verstärkerabschnitts des in Fig. 1 gezeigten Wandlers dargestellt mit einer mit einem Flansch mit kegelstumpfförmiger Oberfläche versehenen Spitze.FIG. 2 shows an enlarged partial side view of the outer end of the amplifier section of the converter shown in FIG. 1 with a tip provided with a flange with a frustoconical surface.

Wie im Falle der ebenen Zerstäuberoberfläche gibt eine mit Flansch versehene Spitze wegen der vergrößerten Zerstäubungsfläche bessere Ergebnisse. Außerdem ist es sehr wichtig, daß der Flansch starr ist. Somit sollte die äußere Kante der kegelstumpfförmigen Oberfläche 29 von einem kurzen zylinderförmigen Basisteil 38 umgeben sein. Die Länge dieses Basisteils 38 sollte für die notwendige Starrheit ausreichen und sicherstellen, daß die Zerstäuberoberfläche gleichförmig vibriert und sich nicht bei der Betriebsfrequenz des Wandlers verbiegt, da es wünschenswert ist, die Masse der mit einem Flansch versehenen Spitze für einen vorgegebenen Durchmesser und Kegelwinkel möglichst klein zu halten.As in the case of the flat atomizer surface, a flanged tip gives way the increased atomization area better results. It is also very important that the flange is rigid. Thus, the outer edge of the frustoconical surface 29 should be surrounded by a short cylindrical base part 38. The length of this base part 38 should be sufficient for the necessary rigidity and ensure that the atomizer surface vibrates uniformly and does not bend at the operating frequency of the transducer, since it is desirable to minimize the mass of the flanged tip for a given diameter and cone angle to keep.

Da die Gesamtlänge von Sonde und Spitze einen kritischen Einfluß auf die Schwingungsamplitude der Zerstäubungsoberfläche ausübt, ist es außerordentlich wichtig, daß die Längen B der Sonde 35 und C der Spitze 36 so genau wie möglich bestimmt werden. Für den Fall einer an ihrer Spitze mit einem Flansch mit ebener Oberfläche versehenen Sonde sind die Grenzbedingungen für die Differential-Wellengleichung einfach, so daß eine analytische Lösung relativ einfach zu erhalten ist. Für eine an ihrer Spitze mit einem Flansch versehene Sonde mit einem zylinderförmigen Flansch und einer ebenen Zerstäuberoberfläche wurde die folgende Beziehung zwischen den Längen B und C analytisch ermittelt:

Figure imgb0002
wobei k = 2π f/c

  • S, = Querschnittsfläche der Sonde
  • s2 = Querschnittsfläche des Flansches ist.
Since the total length of the probe and tip has a critical influence on the vibration amplitude of the atomizing surface, it is extremely important that the lengths B of the probe 35 and C of the tip 36 are determined as accurately as possible. In the case of a probe provided with a flange with a flat surface at its tip, the boundary conditions for the differential wave equation are simple, so that an analytical solution is relatively easy to obtain. For a flanged probe with a cylindrical flange and a flat atomizer surface, the following relationship between lengths B and C was determined analytically:
Figure imgb0002
where k = 2π f / c
  • S, = cross-sectional area of the probe
  • s 2 = cross-sectional area of the flange.

Die analytische Lösung für eine kegelförmige Spitze ist wesentlich schwieriger und komplexer als für eine zylindrische Spitze, da der Durchmesser der Spitze über die Länge nicht konstant ist. Ein Versuch, eine brauchbare kegelförmige Spitze für eine Zerstäubersonde dadurch zu konstruieren, daß man die Gleichung für die zylinderförmige Spitze nahm und die kegelförmige Spitze gedanklich durch einen "äquivalenten" Zylinder ersetzte, war jedoch nicht erfolgreich.The analytical solution for a conical tip is much more difficult and complex than for a cylindrical tip because the diameter of the tip is not constant over the length. However, an attempt to construct a usable conical tip for an atomizer probe by taking the equation for the cylindrical tip and mentally replacing the conical tip with an "equivalent" cylinder was unsuccessful.

Der Grund für diese Näherung lag darin, daß die relativen Massen der Sonde und der Spitze die wohl.wichtigsten Faktoren sind, die die jeweiligen Längenabmessungen beeinflussen. Demzufolge sollte eigentlich eine kegelförmige Spitze mit der gleichen Masse wie eine "äquivalente" zylinderförmige Spitze die gleiche Schwingungsamplitude haben. Trotzdem hat ein Zerstäuber mit einer kegelförmigen Spitze mit Abmessungen, die aufgrund dieser vereinfachten Annahme ermittelt waren, keine zufriedenstellende Zerstäubung geliefert. Dieses Ergebnis, wenn es zusammen mit dem gleichfalls wenig zufriedenstellenden Ergebnis der früher erwähnten Versuche mit einem Wandler mit einer kugelförmig konvexen Spitze der Sonde zusammen betrachtet wird, legt den Schluß nahe, daß eine abgewinkelte Oberfläche für eine zufriedenstellende Zerstäubung nicht geeignet ist.The reason for this approximation was that the relative masses of the probe and the tip are probably the most important factors influencing the respective length dimensions. As a result, a conical tip with the same mass as an "equivalent" cylindrical tip should actually have the same vibration amplitude. Nevertheless, an atomizer with a conical tip with dimensions determined on the basis of this simplified assumption has not provided satisfactory atomization. This result, when considered together with the equally unsatisfactory result of the previously mentioned experiments with a transducer with a spherically convex tip of the probe, suggests that an angled surface is not suitable for satisfactory atomization.

Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, daß man eine gute Zerstäubung mit einem Zerstäuber erhält, der eine kegelförmige Spitze aufweist, dessen Abmessungen exakt durch strenge analytische Lösung ermittelt wurden. Dies zeigt klar den kritischen Einfluß, den selbst geringe Abweichungen in den Abmessungen auf das Betriebsverhalten eines Zerstäubers für den Fall einer kegelförmigen Zerstäuberoberfläche ausüben können.Surprisingly, however, it has been found that good atomization with an atomizer obtained, which has a conical tip, the dimensions of which were determined exactly by strict analytical solution. This clearly shows the critical influence that even slight deviations in dimensions can exert on the operating behavior of an atomizer in the case of a conical atomizer surface.

Das analytische Verfahren zur Ermittlung der richtigen Abmessungen eines eine Viertel-Wellenlänge langen Abschnittes einer verstärkenden Sonde mit einer mit Flansch versehenen Spitze mit kegelstumpfförmiger Zerstäuberoberfläche soll nunmehr beschrieben werden.The analytical method for determining the correct dimensions of a quarter-wavelength section of a reinforcing probe having a flanged tip with a frusto-conical atomizing surface will now be described.

In Fig. 3 sind die Sonde mit geringem Durchmesser und die kegelstumpfförmige Spitze des Verstärkerabschnitts der Fig. 2 etwa maßstabsgerecht in einem Diagramm dargestellt, in dem die normalisierte Schwingungsamplitude über dem axialen Abstand aufgetragen ist. Die x-Koordinate bezeichnet damit die Position in axialer Richtung und die r-Koordinate bezeichnet die radiale. Richtung. Die Trennflächen zwischen den drei einzelnen Teilen der Sonde sind mit x1' x2 und x3 bezeichnet, der abgestufte Übergang von dem Teil der Sonde mit verringertem Durchmesser gegenüber dem verbleibenden Teil des Wandlers liegt bei 0, und der projizierte Winkel der kegelstumpfförmigen Spitze liegt bei x4.In Fig. 3 the small diameter probe and the frustoconical tip of the amplifier section of Fig. 2 are shown approximately to scale in a diagram in which the normalized vibration amplitude is plotted against the axial distance. The x coordinate thus denotes the position in the axial direction and the r coordinate denotes the radial one. Direction. The interfaces between the three separate parts of the probe are designated x 1 ' x 2 and x 3 , the graded transition from the part of the probe with a reduced diameter to the remaining part of the transducer is 0, and the projected angle of the frustoconical tip is at x 4 .

Die Zeit-unabhängige Gleichung für die Fortpflanzung von Longitudinalwellen in einem festen Medium bei einer einzigen Frequenz f ist

Figure imgb0003
wobei ηi die Verschiebung gegenüber dem Gleichgewicht (äquivalent zur Schwingungsamplitude) in dem i-ten Bereich (i = 0, 1, 2) als Funktion der Position x ist. Ai (x) ist die Querschnittsfläche in jedem Bereich, wiederum als Funktion von x, und k ist die Wellenzahl, bezogen auf die Frequenz der Welle f und die Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Schalls im Medium mit der Formel k=2π f/c.The time-independent equation for the fort planting longitudinal waves in a solid medium at a single frequency f is
Figure imgb0003
where η i is the shift relative to the equilibrium (equivalent to the vibration amplitude) in the i-th range (i = 0, 1, 2) as a function of the position x. A i (x) is the cross-sectional area in each area, again as a function of x, and k is the wave number, based on the frequency of the wave f and the propagation speed c of the sound in the medium with the formula k = 2π f / c.

Gleichung 1 gilt unter den Bedingungen von

  • a) es ist nur eine einzig Frequenz einer sinusförmigen Schwingung vorhanden;
  • b) die Querabmessungen sind für die ausgewählte Frequenz kleiner als eine Viertel-Wellenlänge; und
  • c) elastische Linearität.
Equation 1 applies under the conditions of
  • a) there is only one frequency of a sinusoidal oscillation;
  • b) the transverse dimensions are less than a quarter wavelength for the selected frequency; and
  • c) elastic linearity.

Diese Bedingungen sind im vorliegenden Fall erfüllt.These conditions are met in the present case.

Für jede der drei Zonen wurden die Querschnittsflächen Ai(x) ermittelt zu

Figure imgb0004
Figure imgb0005
Figure imgb0006
The cross-sectional areas A i (x) were determined for each of the three zones
Figure imgb0004
Figure imgb0005
Figure imgb0006

Die diesen drei Zonen zugeordneten Wellengleichungen sind gegeben durch

Figure imgb0007
Figure imgb0008
Figure imgb0009
The wave equations assigned to these three zones are given by
Figure imgb0007
Figure imgb0008
Figure imgb0009

In den Zonen 0 und 1, in denen die Querschnittsflächen nicht eine Funktion von x sind, kann der Flächenausdruck aus der Wellengleichung gestrichen werden. In der Zone 2 ist die Querschnittsfläche variabel, und somit nimmt die Wellengleichung eine wesentlich andere Form an. Obgleich der Kegelwinkel nicht ausdrücklich in dem Ausdruck erscheint, gilt doch die Auswahl des Wertes für x4 diesen Parameter unverwechselbar.In zones 0 and 1, where the cross-sectional areas are not a function of x, the area expression can be deleted from the wave equation. The cross-sectional area is variable in zone 2, and thus the wave equation takes on a significantly different shape. Although the cone angle does not appear explicitly in the printout, the choice of the value for x 4 applies to this parameter unmistakably.

Analytische Lösungen für alle Differentialgleichungen zweiter Ordnung der Gleichungen (3) sind möglich. Gleichungen (3a) und (3b) haben beide einfache harmonische Lösungen. Gleichung (3c) ist eine Normalform einer sphärischen Bessel'schen Funktion null-ter Ordnung, deren beide Lösungen J und Y, als sphärische Bessel-Funktion bekannt sind, für die null-te Ordnung gegeben sind durch

Figure imgb0010
Analytical solutions for all second order differential equations of equations (3) are possible. Equations (3a) and (3b) both have simple harmonic solutions. Equation (3c) is a normal form of a zero order spherical Bessel function, both of whose solutions J and Y, known as the spherical Bessel function, are given for the zero order by
Figure imgb0010

Die Formen der drei Lösungen sind dabei wie folgt:

Figure imgb0011
Figure imgb0012
Figure imgb0013
wobei die sechs Konstanten Ao, A1, A2, Bo, B 1 und B2 bis jetzt unbekannt sind, wobei deren Werte von der Art der Randbedingungen an den Trennflächen zwischen den Zonen und an den Abschnittsenden abhängt.The forms of the three solutions are as follows:
Figure imgb0011
Figure imgb0012
Figure imgb0013
the six constants A o , A 1 , A 2 , B o , B 1 and B 2 are hitherto unknown, the values of which depend on the type of boundary conditions at the interfaces between the zones and at the end of the section.

Die Randbedingungen lassen sich einfach wie folgt angeben:

  • i) an jeder Trennfläche zwischen den Zonen (x = x1, x2) muß die Amplitude der Welle über der Trennfläche kontinuierlich sein und die durch die Bewegung der longitudinalen Welle erzeugten Spannungen müssen ebenfalls kontinuierlich sein.
  • ii) Bei der Amplitude x = 0 muß die Schwingungsamplitude Null sein, da dies eine Knotenpunktsebene ist.
  • iii) Am Ende der Spitze (x = x3) muß die Spannung verschwinden, da die Ebene von x3 ein Schwingungsbauch ist.
The boundary conditions can easily be specified as follows:
  • i) at each interface between the zones (x = x 1 , x 2 ) the amplitude of the wave above the interface must be continuous and the stresses generated by the movement of the longitudinal wave must also be continuous.
  • ii) With the amplitude x = 0, the vibration amplitude must be zero, since this is a node level.
  • iii) At the end of the peak (x = x 3 ) the tension must disappear, since the plane of x 3 is an antinode.

Diese Randbedingungen können durch sechs einfache Gleichungen dargestellt werden:

Figure imgb0014
Figure imgb0015
Figure imgb0016
Figure imgb0017
Figure imgb0018
Figure imgb0019
These boundary conditions can be represented by six simple equations:
Figure imgb0014
Figure imgb0015
Figure imgb0016
Figure imgb0017
Figure imgb0018
Figure imgb0019

Aus diesen sechs Gleichungen und den Lösungen der Differentialgleichungen (Gleichungen 3) ist es möglich, die sechs unbekannten Konstanten (die A's und B's) aufzufinden. Diese Art der Berechnung hat immer noch etwas willkürliches an sich, da es lediglich möglich ist, die Verhältnisse jeder dieser Konstanten zu einer von ihnen zu bestimmen. Somit ist es notwendig, willkürlich für eine der Konstanten einen Wert festzulegen, um die übrigen zu berechnen. Das macht jedoch keine praktischen Schwierigkeiten, da im vorliegenden Fall jedenfalls immer nur die relativen Amplituden von Interesse sind.From these six equations and the solutions of the differential equations (Equation 3) it is possible to find the six unknown constants (the A's and B's). There is still something arbitrary about this type of calculation since it is only possible to determine the ratios of each of these constants to one of them. It is therefore necessary to arbitrarily set a value for one of the constants in order to calculate the others. However, this does not cause any practical difficulties, since in the present case only the relative amplitudes are of interest.

Vor der Berechnung dieser Konstanten müssen die die Werte von x1, x2, x3 und x4 (außerdem auch So und S1) festgelegt werden. Es muß jedoch in Bezug auf diese Analyse eine prinzipielle Anmerkung gemacht werden, nämlich daß die Längenkoordinaten nicht voneinander unabhängig sind. Sie hängen vielmehr durch die Forderung zusammen, daß die Gesamtlänge gleich einer Viertel-Wellenlänge sein soll.Before calculating these constants, the values of x 1 , x 2 , x 3 and x 4 (also S o and S 1 ) must be defined. However, there must be a principal comment regarding this analysis be made, namely that the length coordinates are not independent of each other. Rather, they are connected by the requirement that the total length should be equal to a quarter wavelength.

Löst man die sechs Gleichungen für die Randbedingungen (Gleichungen 5), indem man in jede dieser Gleichungen die entsprechende Form der Lösungen der Wellengleichungen (Gleichungen 3) substituiert, erhält man eine 6 x 6 Determinante, die zu Null gesetzt wird. Löst man diese Determinante, so erhält man einen langen algebraischen Ausdruck zwischen den vier Koordinaten. Die Form dieser Beziehung, die als charakteristische Gleichung bezeichnet wird, ist wie folgt:

Figure imgb0020
Figure imgb0021
Figure imgb0022
Figure imgb0023
Figure imgb0024
Figure imgb0025
ist.If the six equations for the boundary conditions (equation 5) are solved by substituting the corresponding form of the solutions of the wave equations (equations 3) in each of these equations, a 6 x 6 determinant is obtained which is set to zero. If you solve this determinant, you get a long algebraic expression between the four coordinates. The form of this relationship, called the characteristic equation, is as follows:
Figure imgb0020
Figure imgb0021
Figure imgb0022
Figure imgb0023
Figure imgb0024
Figure imgb0025
is.

Wählt man willkürlich beliebige drei der vier Koordinaten aus, dann läßt sich ein einziger Wert für die vierte Koordinate durch Lösung der charakteristischen Gleichung berechnen. Wie nunmehr zu erkennen ist, ergibt sich, daß logischerweise x1 die zu berechnende Koordinate ist, nachdem Werte für x2-x1, x3-x2 und x4-x3 und die Zylinderquerschnittsflächen angenommen wurden. Es wird darauf hingewiesen, daß die tatsächlichen Mengen x2-xi usw. hier angegeben sind und nicht die Koordinaten selbst. Diese Größen sind funktional äquivalent in der Auswertung der charakteristischen Gleichung und führen zu einer beträchtlichen Vereinfachung.If you arbitrarily choose any three of the four coordinates, then a single value for the fourth coordinate can be calculated by solving the characteristic equation. As can now be seen, it follows that logically, x 1 is the coordinate to be calculated after values for x 2 -x 1 , x 3 -x 2 and x 4 -x 3 and the cylinder cross-sectional areas have been assumed. It is pointed out that the actual quantities x 2 -x i etc. are given here and not the coordinates themselves. These quantities are functionally equivalent in the evaluation of the characteristic equation and lead to a considerable simplification.

Die folgenden Erfordernisse müssen bei der Auswahl geeigneter Werte für die obengenannten Abmessungen berücksichtigt werden:

  • a) die Masse der mit einem Flansch versehenen Spitze muß klein genug sein, um eine übermäßige Belastung des gesamten Zerstäubers zu vermeiden;
  • b) die kegelförmige Fläche muß groß genug sein, damit für die beabsichtigten Strömungsgeschwindigkeiten eine ausreichende Zerstäuberfläche vorhanden ist,
  • c) der Kegelwinkel muß entsprechend dem gewünschten öffnungswinkel des zerstäubten Strahls gewählt werden;
  • d) am Fuß des Kegels sollte ein zylindrischer Abschnitt vorgesehen und sollte so dick gewählt sein, daß sichergestellt ist, daß die gesamte Spitze als starrer Körper vibriert, und
  • e) die Spitze muß notwendigerweise kegelstumpfförmig sein, damit eine kleine ebene Fläche rund um die Austrittsöffnung der Bohrung gebildet ist.
The following requirements must be taken into account when choosing suitable values for the above dimensions:
  • a) the mass of the flanged tip must be small enough to avoid excessive stress on the entire atomizer;
  • b) the conical surface must be large enough so that there is sufficient atomizing surface for the intended flow velocities,
  • c) the cone angle must be selected according to the desired opening angle of the atomized jet;
  • d) a cylindrical section should be provided at the foot of the cone and should be chosen so thick that it is ensured that the entire tip vibrates as a rigid body, and
  • e) The tip must necessarily be frustoconical so that a small flat surface is formed around the outlet opening of the bore.

Die sich widersprechenden Forderungen der Starrheit und der geringen Masse bestimmen die optimale Länge der zylindrischen Basis des Kegels x2-x1. Der gewünschte Öffnungswinkel legt den Kegel- öffnungswinkel fest und die Größe der Bohrung bestimmt den Durchmesser x3. Der Durchmesser von x2 wird dann so bestimmt, daß die erforderliche Zerstäubungsoberfläche entsteht. Der Öffnungswinkel und die Durchmesser x2, x3 legen dann die Abstände x3-x2 und x4-x3 fest. Damit verbleibt die Länge x1 des Abschnitts 0 mit verringertem Durchmesser als einzige unbekannte Abmessung. Der Wert von x1 wird aus der oben beschriebenen charakteristischen Gleichung berechnet, die nunmehr die Form annimmt

Figure imgb0026
wobei g der algebraische Ausdruck mit den trigonometrischen Funktionen der Parameter ist.The contradicting requirements of rigidity and low mass determine the optimal length of the cylindrical base of the cone x 2 -x 1 . The desired opening angle defines the cone opening angle and the size of the hole determines the diameter x 3 . The diameter of x 2 is then determined so that the required atomizing surface is created. The opening angle and the diameters x 2 , x 3 then define the distances x 3 -x 2 and x 4 -x 3 . This leaves the length x 1 of section 0 with reduced diameter as the only unknown dimension. The value of x 1 is calculated from the characteristic equation described above, which now takes the form
Figure imgb0026
where g is the algebraic expression with the trigonometric functions of the parameters.

Beispiel:Example:

Ein Ultraschallzerstäuber wurde für eine Betriebsfrequenz von 85 kHz entworfen, wobei die vorderen und rückwärtigen Abschnitte aus Aluminium bestanden, die piezoelektrischen Scheiben bestanden aus Bleizirkontitanat und die Scheibenelektrode aus Hartkupfer. Da die Longitudinalgeschwindigkeit von Schallwellen in Aluminium etwa 5,13 x 105 cm/sec beträgt, ist eine Viertel-Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz etwa 1,51 cm.An ultrasonic atomizer was designed for an operating frequency of 85 kHz, with the front and rear sections made of aluminum, the piezoelectric disks made of lead zirconium titanate and the disk electrode made of hard copper. Since the longitudinal velocity of sound waves in aluminum is approximately 5.13 x 10 5 cm / sec, a quarter wavelength at the operating frequency is approximately 1.51 cm.

Um sicherzustellen, daß der Wandler nur als Longitudinalschwinger arbeitet, sollten die Querabmessungen der Elemente kleiner sein als eine Viertel-Wellenlänge. Da der Verstärkungsfaktor der Sonde gleich dem Verhältnis der Querschnittsflächen des Wandlerkörpers und der Sonde ist, sollte der Durchmesser der Sonde so klein als möglich sein, so daß eine ausreichend hohe Schwingungsamplitude erzielt wird, die den für die Zerstäubung der zu zerstäubenden Flüssigkeit erforderlichen Schwellenwert überschreitet. Andererseits ist der kleinste Durchmesser der Sonde dadurch begrenzt, daß für die Brennstoffzufuhr eine Bohrung vorgesehen sein muß, und daß trotzdem die Sonde immer noch ausreichend starr und steif sein muß, eine mit einem starren Flansch versehene Spitze zu tragen, die die erforderliche Zerstäubungsoberfläche aufweist und trotzdem eine Schwingung nach Art einer einseitig eingespannten Feder vermeidet.In order to ensure that the transducer only works as a longitudinal oscillator, the transverse dimensions of the elements should be less than a quarter wavelength. Since the amplification factor of the probe is equal to the ratio of the cross-sectional areas of the transducer body and the probe, the diameter of the probe should be as small as possible so that a sufficiently high oscillation amplitude is achieved which exceeds the threshold value required for the atomization of the liquid to be atomized. On the other hand, the smallest diameter of the probe is limited by the fact that a bore must be provided for the fuel supply and that the probe must still be sufficiently rigid and rigid to carry a rigid flange with a tip that has the required atomizing surface and nevertheless avoids vibration in the manner of a cantilever spring.

Unter Beachtung dieser Überlegungen wurden für ein Verstärkungsverhältnis von etwa 8 folgende Abmessungen ausgewählt:

  • piezoelektrische Scheiben φ 1,27 cm u. 0,25 cm dick
  • Wandlerkörper φ 1,27 cm
  • Sonde φ 0,46 cm
  • mit Flansch versehene Spitze φ 0,7 cm an der Basis.
Taking these considerations into account, the following dimensions were selected for a gain ratio of approximately 8:
  • piezoelectric discs φ 1.27 cm u. 0.25 cm thick
  • Converter body φ 1.27 cm
  • Probe φ 0.46 cm
  • flanged tip φ 0.7 cm at the base.

Für den gewünschten öffnungswinkel für den zerstäubten Brennstoff von 60° wurde der entsprechende öffnungswinkel für die kegelförmige Zerstäubungsoberfläche mit 120° gewählt. Die Länge der zylinderförmigen Basis des kegelförmigen Flansches (x2-x1) sollte dabei etwa 0,05 cm sein, um sicherzustellen, daß der Flansch mit dem starren Körper vibriert. Somit ergeben sich aus einfachen geometrischen Überlegungen die gesamte axiale Länge der kegelförmigen Oberfläche für die Spitze der Sonde (x4-x2) zu etwa 0,20 cm. Die tatsächliche Oberfläche ist kegelstumpfförmig mit einem Durchmesser der Stirnfläche von etwa 0,21 cm. Somit wird x4-x3 = 0,06 cm. Dadurch wird die axiale Länge der kegelstumpfförmigen Fläche (x3-x2) auf etwa 0,14 cm verringert.For the desired opening angle for the atomized fuel of 60 °, the corresponding opening angle for the conical atomizing surface was chosen to be 120 °. The length of the cylindrical base of the conical flange (x 2 -x 1 ) should be about 0.05 cm to ensure that the flange vibrates with the rigid body. Thus, from simple geometrical considerations, the total axial length of the conical surface for the tip of the probe (x 4 -x 2 ) is approximately 0.20 cm. The actual surface is frusto-conical with an end face diameter of about 0.21 cm. So x 4 -x 3 = 0.06 cm. This reduces the axial length of the frustoconical surface (x 3 -x 2 ) to about 0.14 cm.

Es sei noch einmal daran erinnert, daß die vorbestimmten Werte für die Parameter der charakteristischen Gleichung waren:

Figure imgb0027
Figure imgb0028
Figure imgb0029
Figure imgb0030
Figure imgb0031
Recall that the predetermined values for the parameters of the characteristic equation were:
Figure imgb0027
Figure imgb0028
Figure imgb0029
Figure imgb0030
Figure imgb0031

Dies ergibt

Figure imgb0032
This results in
Figure imgb0032

Mit einem mit diesen Abmessungen des oben erwähnten Beispiels aufgebauten Zerstäuber durchgeführte Versuche ergaben einen Strahl mit brauchbarer Stabilität, bei dem die Flüssigkeit fast von der ganzen Fläche unter einem Winkel von etwa 30° in Bezug auf die Wandlerachse (d.h. 60° öffnungswinkel des Strahls, angedeutet durch die Pfeile X und Y in Fig. 2) zerstäubt wurde. Zusätzlich zur Erzeugung des gewünschten Öffnungswinkels des Strahls wurde durch die kegelstumpfförmige Zerstäuberoberfläche der Grad wesentlich reduziert, in dem die zerstäubten Tröpfchen anschließend wieder zusammenfließen, verglichen mit dem durch eine flache Zerstäubungsoberfläche abgegebenen Strahl, wodurch sich eine außergewöhnlich gleichmäßige Tröpfchenverteilung ergab. Als dieser Versuchszerstäuber in einem handelsüblichen ölbrenner im Austausch für einen normalen, mit Hochdruckdüse arbeitenden Zerstäuber eingebaut wurde, erzeugte er eine sehr gute selbsttragende Flamme mit einem Aussehen, das der Flamme der ursprünglich eingesetzten Düse weitgehend glich.Experiments carried out on an atomizer constructed with these dimensions of the above-mentioned example gave a jet with usable stability, in which the liquid indicated almost the entire surface at an angle of approximately 30 ° with respect to the transducer axis (ie 60 ° opening angle of the jet) was atomized by the arrows X and Y in Fig. 2). In addition to creating the desired beam opening angle, the frusto-conical atomizing surface significantly reduced the degree to which the atomized droplets then flow together again, compared to the jet emitted by a flat atomizing surface, resulting in an exceptionally uniform droplet distribution. When this test atomizer was installed in a commercially available oil burner in exchange for a normal atomizer working with a high pressure nozzle, it produced a very good self-supporting flame with an appearance that largely resembled the flame of the nozzle originally used.

Die mit einem gemäß der oben angegebenen rigorosen analytischen Lösung berechneten Zerstäuber erzielten Ergebnisse unterschieden sich ganz deutlich von den zuvor beschriebenen Versuchsergebnissen mit einem Zerstäuber, dessen verstärkende Spitze mit der für die Verwendung der Gleichung für eine Spitze mit zylindrischem Flansch erforderliche vereinfachende Annahme entworfen worden war. Dieser Unterschied in den Ergebnissen ist außerordentlich überraschend, da der Unterschied in der gesamten Länge der Sonde plus Spitze zwischen der angenäherten und der theoretisch exakten Lösung nur etwa 10 Prozent betrug. Dies zeigt, daß die Längsabmessungen des Verstärkerteils des mit einer kegelförmigen Spitze versehenen Ultraschallzerstäubers gemäß der Erfindung außerordentlich kritisch sind.The results obtained with a nebulizer calculated according to the rigorous analytical solution given above differed significantly from the previously described test results with an atomizer whose reinforcing tip was designed with the simplifying assumption required to use the equation for a cylindrical flange tip. This difference in results is extremely surprising since the difference in the total length of the probe plus tip between the approximated and the theoretically exact solution was only about 10 percent. This shows that the longitudinal dimensions of the amplifier part of the ultrasonic atomizer provided with a conical tip are extremely critical according to the invention.

Zur Vervollständigung der Analyse ist es erwünscht, die Koeffizienten Ai und Bi der Lösungen gemäß Gleichungen (3) zu berechnen. Diese sind für die Ermittlung weiterer Informationen bezüglich der Abmessungen nicht erforderlich, sind jedoch für die Ermittlung des Wirkungsgrads der Konstruktion des gesamten Verstärkerabschnitts nützlich. Wie bereits erläutert, kann man Absolutwerte für diese Koeffizienten nur dann erhalten, wenn einem dieser Koeffizienten ein willkürlich gewählter Wert gegeben wird. Dies ist in einem System von Gleichungen wie dem hier vorliegenden normal, wo die Lösungen solche sind, die nicht erzwungenen Schwingungen entsprechen, d.h. wo keine äußere anregende Kraft im Spitzenabschnitt zur Einwirkung kommt.To complete the analysis, it is desirable to calculate the coefficients A i and B i of the solutions according to equations (3). These are not required to determine further dimensional information, but are useful to determine the efficiency of the construction of the entire amplifier section. As already explained, absolute values for these coefficients can only be obtained if one of these coefficients is given an arbitrarily chosen value. This is normal in a system of equations like the one here, where the solutions are those that do not correspond to forced vibrations, ie where there are no external ones stimulating force comes into play in the tip section.

Es ist nur natürlich, für einen der Koeffizienten der Lösung für die Zone 0 (Gleichung 4a) einen willkürlichen Wert anzusetzen, da diese Zone des Verstärkerabschnitts den Doppelausgleichsabschnitt an die Düse ankoppelt. Für A = 0 als Ergebnis der Randbedingung der Gleichung (5a) wurde B = 1 als willkürlicher Wert gewählt. Die vier verbleibenden Koeffizienten wurden dann dadurch berechnet, daß man die Gleichung (4) für die Beziehungen für die Randbedingungen gemäß Gleichung (5) einsetzte und die sich ergebenden simultanen Gleichungen löste. Für das gegebene System sind die Ergebnisse

Figure imgb0033
Figure imgb0034
Figure imgb0035
Figure imgb0036
It is only natural to use an arbitrary value for one of the coefficients of the solution for zone 0 (equation 4a), since this zone of the amplifier section couples the double compensation section to the nozzle. For A = 0 as the result of the boundary condition of equation (5a), B = 1 was chosen as an arbitrary value. The four remaining coefficients were then calculated by using equation (4) for the relationships for the boundary conditions according to equation (5) and solving the resulting simultaneous equations. For the given system, the results are
Figure imgb0033
Figure imgb0034
Figure imgb0035
Figure imgb0036

In Fig. 3 ist ein Diagramm der relativen Verschiebung gegenüber der Position längs des Verstärkerabschnitts dargestellt. Die relative Amplitude ist als das Verhältnis der tatsächlichen Amplitude zu der Amplitude definiert, die an jedem Punkt auftreten würde, wenn der Verstäkerabschnitt ein gleichförmiger Zylinder mit einer Querschnittsfläche von

Figure imgb0037
mit der Länge einer Viertel-Wellenlänge wäre. Es sei darauf hingewiesen, daß die Spitze eine Amplitudenverringerung von nur etwa 3 Prozent bewirkt.FIG. 3 shows a diagram of the relative displacement with respect to the position along the amplifier section. The relative amplitude is defined as the ratio of the actual amplitude to the amplitude that would occur at any point if the amplifier section was a uniform cylinder with a cross-sectional area of
Figure imgb0037
with the length of a quarter wavelength. It should be noted that the peak causes an amplitude reduction of only about 3 percent.

Claims (6)

1. Ultraschallzerstäuber mit einem Treiber, dessen Ausgangsebene eine longitudinale Verschiebung einer vorbestimmten, im Ultraschallbereich liegenden Betriebsfrequenz liefert, mit einem Schwingungsverstärker in Form eines abgestuften Ultraschallschwingers, bestehend aus einem ersten Zylinderabschnitt (34), dessen eingangsseitige Ebene mit der Ausgangsebene des Treibers (33) zusammenfällt, wobei die Länge des ersten zylindrischen Abschnitts (34) einer Viertel-Längenwelle der Betriebsfrequenz entspricht, mit einem an den ersten zylindrischen Abschnitt anschließenden zweiten zylindrischen Abschnitt (35) mit wesentlich geringerem Durchmesser als der erste zylindrische Abschnitt (34), und mit einer am äußeren Ende des zweiten zylindrischen Abschnitts liegenden, mit einem Flansch versehenen Spitze (36), dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des zweiten, aber kleiner als der Durchmesser des ersten zylindrischen Abschnitts, wobei die Stirnfläche der mit einem Flansch versehenen Spitze eine Zerstäubungsoberfläche bildet, sowie mit Mitteln (27, 28) zum Zuführen einer zu zerstäubenden Flüssigkeit nach der Zerstäubungsoberfläche für eine Zerstäubung mittels den durch den Treiber erzeugten Schwingungen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zerstäubungsoberfläche (29) konvex kegelförmig ausgebildet ist, wobei die Achse dieses Kegels parallel zur Richtung der Longitudinalschwingung verläuft, und daß der Öffnungswinkel des Kegels den Ergänzungswinkel zu dem ausgewählten öffnungswinkel des Kegels der zerstäubten Flüssigkeit bildet.
1. Ultrasonic atomizer with a driver, the output plane of which provides a longitudinal displacement of a predetermined operating frequency lying in the ultrasonic range, with a vibration amplifier in the form of a graduated ultrasonic oscillator, consisting of a first cylinder section (34), the plane of the input side of which corresponds to the output plane of the driver (33) coincides, the length of the first cylindrical section (34) corresponding to a quarter-length wave of the operating frequency, with a second cylindrical section (35) adjoining the first cylindrical section having a much smaller diameter than the first cylindrical section (34), and with a at the outer end of the second cylindrical portion, a flanged tip (36), the diameter of which is larger than the diameter of the second but smaller than the diameter of the first cylindrical portion, the end face of the flanged spi forms an atomizing surface, and means (27, 28) for supplying a liquid to be atomized to the atomizing surface for atomization by means of the vibrations generated by the driver,
characterized,
that the atomizing surface (29) is convexly conical, the axis This cone runs parallel to the direction of the longitudinal vibration, and that the opening angle of the cone forms the supplementary angle to the selected opening angle of the cone of the atomized liquid.
2. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Zufuhr der zu zerstäubenden Flüssigkeit an die Zerstäubungsoberfläche eine sich durch die zylindrischen Abschnitte und die mit Flansch versehene Spitze axial erstreckende Bohrung (28) vorgesehen ist, deren Öffnung in der Mitte der Zerstäubungsoberfläche liegt.
2. Ultrasonic atomizer according to claim 1, characterized in
that for the supply of the liquid to be atomized to the atomizing surface there is provided an axially extending bore (28) through the cylindrical sections and the flanged tip, the opening of which lies in the middle of the atomizing surface.
3. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zerstäubungsoberfläche (29) kegelstumpfförmig gestaltet ist.
3. Ultrasonic atomizer according to claim 2, characterized in
that the atomizing surface (29) is frustoconical.
4. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 3, - dadurch gekennzeichnet,
daß die mit einem Flansch versehene Spitze einen an die Grundfläche des kegelförmigen Zerstäubungsoberfläche anschließenden kurzen zylinderförmigen Abschnitt (38) gleichen Durchmessers umfaßt, der sicherstellt, daß die Zerstäubungsoberfläche nur Longitudinalschwingungen ausführt.
4. Ultrasonic atomizer according to claim 3, - characterized in
that the flanged tip includes a short cylindrical portion (38) of the same diameter adjacent to the base of the conical sputtering surface, which ensures that the sputtering surface only performs longitudinal vibrations.
5. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste zylindrische Abschnitt (34) des Schwingungsverstärkers die Länge A, der zweite Abschnitt (35) die Länge B und die mit Flansch versehene Spitze (36) die axiale Länge C aufweist und daß die Summe (B + C) kleiner ist als A.
5. Ultrasonic atomizer according to claim 1, characterized in
that the first cylindrical section (34) of the vibration amplifier has the length A, the second section (35) the length B and the flanged tip (36) has the axial length C and that the sum (B + C) is less than A .
6. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die axialen Längen der beiden zylindrischen Abschnitte (34, 35) und des kegelstumpfförmigen Abschnitts der mit einem Flansch versehenen Spitze (36) gemäß den folgenden Gleichungen zueinander in Beziehung stehen:
Figure imgb0038
wobei
Figure imgb0039
Figure imgb0040
Figure imgb0041
Figure imgb0042
Figure imgb0043
Figure imgb0044
und x1 die axiale Länge des zweiten zylindrischen Abschnitts (35), x2-x1 die Länge des zylindrischen Abschnitts (38), x2-x3 die Länge des kegelstumpfförmigen Abschnitts der mit einem Flansch versehenen Spitze, x3-x4 der axiale Abstand vom äußeren Ende des kegelstumpfförmigen Abschnitts bis zur Spitze des die kegelstumpfförmige Oberfläche der Spitze enthaltenden Kegels, So die Querschnittsfläche des zweiten zylindrischen Abschnitts und S1 die Querschnittsfläche des zylindrischen Abschnitts der mit einem Flansch versehenen Spitze ist.
6. Ultrasonic atomizer according to claim 5, characterized in
that the axial lengths of the two cylindrical sections (34, 35) and the frustoconical section of the flanged tip (36) are related to each other according to the following equations:
Figure imgb0038
in which
Figure imgb0039
Figure imgb0040
Figure imgb0041
Figure imgb0042
Figure imgb0043
Figure imgb0044
and x 1 is the axial length of the second cylindrical portion (35), x 2 -x 1 is the length of the cylindrical portion (38), x 2 -x 3 is the length of the frusto-conical portion of the flanged tip, x 3 -x 4 is the axial distance from the outer end of the frusto-conical section to the tip of the cone containing the frustoconical surface of the tip, S o is the cross-sectional area of the second cylindrical section and S 1 is the cross-sectional area of the cylindrical section of the flanged tip.
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