EP0224521B1 - Flüssigkeitszerstäuber - Google Patents

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EP0224521B1
EP0224521B1 EP86903344A EP86903344A EP0224521B1 EP 0224521 B1 EP0224521 B1 EP 0224521B1 EP 86903344 A EP86903344 A EP 86903344A EP 86903344 A EP86903344 A EP 86903344A EP 0224521 B1 EP0224521 B1 EP 0224521B1
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EP
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bending strip
bending
strip
liquid
liquid atomiser
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EP86903344A
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English (en)
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Ernst-Günter LIERKE
Rudolf Grossbach
Karl Flögel
Wolfgang M. Heide
Martin Junger
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Battelle Institut eV
Original Assignee
Battelle Institut eV
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B05B17/0653—Details
    • B05B17/0676—Feeding means
    • B05B17/0684—Wicks or the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers

Definitions

  • the invention relates to a liquid atomizer with a liquid supply, with an ultrasound excitation system and with a narrow bending strip coupled to it, on which several closely sequential, essentially parallel node lines can be generated when excited.
  • the nebulization is carried out by constricting drops from a standing capillary wave grid with checkerboard-like nodal lines, which is formed on a thin film of liquid excited by a vibrating solid surface at the liquid / gaseous phase boundary.
  • the atomization requires an excitation amplitude of the oscillating solid surface which is dependent on the frequency and various liquid parameters and a suitable thickness of the liquid film. If the film is too thin, no droplets can form; if the film is too thick, no effective capillary waves are excited by damping in the liquid.
  • an atomizer with a bending resonator which is designed in the form of an elongated, narrow strip, on which several parallel node lines are formed with ultrasonic excitation (DE-A 31 12 340).
  • These devices use dimensionally stable and rigid titanium sheet metal strips with a thickness of 1 to 2 mm, a width of 1 to 2 cm and a length of 20 cm to 2 m.
  • the excitation is carried out by a piezoelectric step concentrator, usually from the middle of the bending strip.
  • the liquid to be atomized is fed through a perforated tube above or below the bending strip with exit holes to the nodes of the converter rapid amplitude.
  • the distance between two adjacent resonances is approximately 300 Hz. It is difficult to maintain this resonance exactly, but otherwise changes occur, e.g. B. temperature influences, the node layers in an undesirable manner.
  • the object of the present invention is to develop a flexural oscillator with which a homogeneous and dense fog distribution is made possible with considerable power savings on the generator.
  • the bending strip has such a small thickness that it does not have sufficient inherent rigidity for linear alignment and that the dimensional stability of the bending strip is produced by at least one mechanical holder, one end of the bending strip being coupled to the ultrasound excitation system and the other end is mechanically supported and / or the bending strip is supported in the longitudinal direction.
  • a thin bending strip is used instead of the more massive bending strip with inherent rigidity.
  • the thickness of the strip is preferably less than 1 mm, in particular 0.3 to 0.9 mm.
  • the transducer can be aligned exactly parallel to the liquid supply pipe over a greater length than was previously possible. Since the adjacent bending wave nodes are closer together, a more uniform atomization can be achieved. A precise alignment of the liquid supply holes, which are linearly and closely spaced from each other, relative to the node lines becomes unnecessary. For this reason, in principle, a feed pipe with a longitudinal slot for liquid outlet can also be used, the Ka pillar gap between slot and bending strip can preferably be provided with a felt or the like.
  • the bending wavelength X B is considerably smaller, since X B is proportional to va.
  • the bending transducer no longer emits airborne sound into the environment with a sharp directional characteristic, which does not contribute to atomization. This can also save considerable power on the generator.
  • the long bending transducer (length 1) is practically permanently in resonance since the frequency spacing ⁇ f is proportional to the sheet thickness d due to f n - n / 1.
  • a change between neighboring resonances, which has no influence on the node positions at the end points of the transducer, is practically not perceived by the generator; a slight wobble of the excitation frequency makes the close node positions practically disappear. This also results in a much more uniform linear atomization.
  • the sheet metal strip can be preheated by passage of current.
  • viscous liquids the viscosity of which decreases sharply at higher temperatures, can be atomized in the preheated state. This also enables effective atomization of melting metals.
  • the bending strips do not have to be linearly tensioned, but can also be used to form a ring or in any other shape for the special case.
  • a narrow bending strip 1 which is so thin that it has no inherent stiffness in the longitudinal direction, is connected on the one hand to the step concentrator 2 and on the other hand to a pretensioning device 3.
  • the bending strip is guided through clamping jaws.
  • the bending strip 1 can be excited by the axial vibration of the step concentrator 2.
  • the bending strip is arranged perpendicular to the axis of the excitation system 2. By moving the end stop on a clamping frame with intermediate elements, the length of the atomizer can be varied within wide limits by simply exchanging the bending strip 1 of different lengths.
  • the bending strip 1 can be made from strip material.
  • Liquids with viscosities of less than 10 m - were nebulized with a 0.5 mm thick, 1 m long bending strip made of 90% Ti, 6% Al and 4% V.
  • the atomizer enables the atomization of 200-300 L liquid per hour.
  • the liquid supply can be ensured by a tube 4 which is aligned parallel to the bending strip 1. Because of the knot line density on the bending strip, the liquid can be fed continuously and linearly through a slot 5.
  • the slot 5 can be provided with a suitable porous material 6, e.g. B. felt, fibers or the like.
  • the liquid is fed from a reservoir 10 via pump 11 to the liquid supply 12 and the bending strip 1.
  • the fog outlet opening 8 of the tube 7 can be regulated by suitable adjustment of the diaphragms 13 in such a way that only the proportion of very fine droplets emerges through the slot 8.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitszerstäuber mit einer Flüssigkeitszufuhr, mit einem Ultraschall-Anregungssystem und mit einem hiermit gekoppelten schmalen Biegestreifen, auf dem bei Anregung mehrere dicht aufeinanderfolgende, im wesentlichen parallele Knotenlinien erzeugbar sind.
  • Bei konventionellen Ultraschall-Kapillarwellenzerstäubern erfolgt die Vernebelung durch Tropfenabschnürung aus einem stehenden Kapillarwellengitter mit schachbrettartig angeordneten Knotenlinien, das sich auf einem dünnen, von einer schwingenden Festkörperfläche angeregten Flüssigkeitsfilm an der flüssig/gasförmigen Phasengrenze ausbildet. Die Zerstäubung erfordert eine von der Frequenz und verschiedenen Flüssigkeitsparametern abhängige Anregungsamplitude der schwingenden Festkörperoberfläche und eine geeignete Dicke des Flüssigkeitsfilms. Bei zu dünnem Film können sich keine Tröpfchen ausbilden, bei zu dicken Film werden durch Dämpfung in der Flüssigkeit keine effektiven Kapillarwellen angeregt.
  • Hohe Zerstäuberleistungen und feine Tröpfchen lassen sich, unabhängig von den Flüssigkeitsparametern, mit Biegewellenzerstäubern erreichen. Bekannt ist z. B. ein Zerstäuber mit einem Biegeresonator, der in Form eines länglichen, schmalen Streifens ausgebildet ist, auf den sich bei Ultraschallanregung mehrere parallele Knotenlinien bilden (DE-A 31 12 340). Bei diesen Vorrichtungen werden formstabile und steife Titan-Blechstreifen von 1 bis 2 mm Dicke, 1 bis 2 cm Breite und 20 cm bis 2 m Länge eingesetzt. Die Anregung erfolgt durch einen piezoelektrischen Stufen-Konzentrator, in der Regel von der Mitte des Biegestreifens. Die zu vernebelnde Flüssigkeit wird durch ein perforiertes Rohr ober- oder unterhalb des Biegestreifens mit Austrittslöchern an die Knotenstellen der Wandlerschnelleamplitude zugeführt.
  • Der wesentliche Nachteil dieser Anordnung resultiert daraus, daß die Wandler bei Biegewellenlängen XB, die größer als die Schallwellenlänge Ao in Luft sind, sehr intensive Schallwellen in Luft abstrahlen und zwar unter einem Winkel a gegen die Flächennormale :
    Figure imgb0001
  • Die hohen Schallpegel in dieser Richtung sind stark störend und entziehen dem Wandler unnötigerweise Energie. Ferner reicht die Eigensteifigkeit des Biegeresonators bei weitem nicht aus, um den Wandler exakt parallel zum perforierten Flüssigkeitszuführungsrohr zu halten. Würde man solche langen Biegewandler mit gewisser Formstabilität mechanisch fixieren, z. B. durch sogenannte Reiter, so würde die Linearität der Zerstäubung beeinträchtigt werden. Ferner müsste die Fixierung exakt an den Schnelleknoten erfolgen, da sonst die Resonanzschwingung zerstört wäre. Prinzipiell ist bei solchen relativ dicken Biegeschwingern außerdem die Zerstäubung nicht homogen genug, da zwischen den parallelen Knotenlinien im Bereich der Knoten keine Vernebelung stattfindet. Die Resonanzfrequenzen eines solchen langen Biegestreifens sind außerdem noch gut direkt voneinander abgesetzt. Z. B. bei 30 kHz und einem 1 m langen 2 mm dicken Titan-Blechstreifen beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Resonanzen etwa 300 Hz. Es ist schwierig, diese Resonanz genau einzuhalten, anderenfalls verschieben sich aber bei Änderungen, z. B. Temperatureinflüsse, die Knotenlagen in unerwünschter Weise.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Biegeschwinger zu entwickeln, mit dem unter erheblicher Leistungsersparnis am Generator eine homogene und dichte Nebelverteilung ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Biegestreifen eine derart geringe Dicke aufweist, daß er keine ausreichende Eigensteifigkeit zur linearen Ausrichtung besitzt und daß die Formstabilität des Biegestreifens durch mindestens eine mechanische Halterung hergestellt ist, wobei ein Ende des Biegestreifens mit dem Ultraschall-Anregungssystem gekoppelt und das andere Ende mechanisch gehaltert ist und/ oder der Biegestreifen in Längsrichtung gehaltert ist.
  • Erfindungsgemäß wird anstelle des massiveren Biegestreifens mit Eigensteifigkeit ein dünner Biegestreifen eingesetzt. Die Stärke des Streifens beträgt vorzugsweise weniger als 1 mm, insbesondere 0,3 bis 0,9 mm. Zur Anregung wird der Streifen an einem Ende mit dem Stufenkonzentrator in an sich bekannter Weise, z. B. durch Schraubverbindung, gekoppelt. Die Formfestigkeit, vor allem die lineare Ausrichtung, ergibt sich durch eine mechanische Halterung am anderen Ende des Biegestreifens, die gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform zum Vorspannen des Streifens dient. Sowohl die Position der Halterung, als auch der Grad an Vorspannung können variiert werden. Eine exakte Knotenlage am Ende des Wandlers, d. h. außerhalb der nebelnden Zone des Zerstäubers, ermöglicht die gleichmäßige Zerstäubung auf praktisch der gesamten Wandlerlänge mit Ausnahme der beiden Endabschnitte.
  • Der Wandler kann über eine größere Länge als es bisher möglich war, exakt parallel zum Flüssigkeitszuführungsrohr ausgerichtet werden. Da die benachbarten Biegewellenknoten dichter nebeneinander liegen, kann eine gleichmäßigere Zerstäubung erzielt werden. Eine genaue Ausrichtung der Flüssigkeitszuführungslöcher, die linear und in geringem Abstand voneinander angeordnet sind, relativ zu den Knotenlinien wird überflüssig. Aus diesem Grunde kann im Prinzip auch ein Zuführungsrohr mit einem Längsschlitz zum Flüssigkeitsaustritt eingesetzt werden, wobei der Kapillarspalt zwischen Schlitz und Biegestreifen vorzugsweise mit einem Filz oder dergleichen versehen sein kann.
  • Bei geringer Blechstärke d von weniger als 1 mm ist die Biegewellenlänge XB wesentlich kleiner, da XB proportional zu va ist. Dadurch strahlt der Biegewandler nicht mehr mit scharfer Richtcharakteristik Luftschall in die Umgebung ab, der nicht zur Zerstäubung beiträgt. Dadurch kann außerdem erhebliche Leistung am Generator eingespart werden.
  • Durch die geringen Frequenzabstände zwischen benachbarten Biegeresonanzen ist der lange Biegewandler (Länge 1) praktisch permanent in Resonanz da der Frequenzabstand Δf wegen fn - n/1 proportional zu der Blechdicke d ist. Eine Änderung zwischen benachbarten Resonanzen, was auf die Knotenlagen an den Endpunkten des Wandlers keinen Einfluß hat, wird vom Generator praktisch nicht wahrgenommen ; ein leichtes Wobbeln der Anregefrequenz läßt die dichtliegenden Knotenpositionen praktisch zum Verschwinden bringen. Auch dadurch wird eine wesentlich gleichmäßigere lineare Zerstäubung erzielt.
  • Bei dünnen Biegeblechen von weniger als 0,5 mm Dicke aus hochohmigen Metallen und Legierungen, z. B. Titan oder Speziallegierungen, wie hochwarmfester sonderlegierter Federstahl, kann der Biegeblechstreifen mittels Stromdurchgang vorgeheizt werden. Auf diese Weise lassen sich zähe Flüssigkeiten, deren Viskosität bei höheren Temperaturen stark abnimmt, im vorgeheizten Zustand zerstäuben. Dadurch wird auch eine effektive Zerstäubung von niederschmelzenden Metallen ermöglicht.
  • Die Biegestreifen müssen nicht linear gespannt sein, sondern können auch zu einem Ring oder in jeder beliebig anderen Form gebogen für den speziellen Fall eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :
    • Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zerstäubers ;
    • Fig. 2 eine mögliche Ausrichtung der Flüssigkeitszuführung zu dem linearen Biegeresonator und
    • Fig. 3 im Querschnitt eine Ausführungsform für die Zerstäubung in einer Zerstäubungskammer.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird ein schmaler Biegestreifen 1, der so dünn ist, daß er keine Eigensteifigkeit in Längsrichtung besitzt, einerseits mit dem Stufenkonzentrator 2 und andererseits mit einer Vorspanneinrichtung 3 verbunden. Dabei wird der Biegestreifen durch Klemmbacken geführt. Der Biegestreifen 1 kann durch die axiale Schwingung des Stufenkonzentrators 2 angeregt werden. Der Biegestreifen ist senkrecht zu der Achse des Anregungssystems 2 angeordnet. Durch Verschieben der Endarretierung auf einem Spannrahmen mit Zwischenelementen kann man praktisch die Länge des Zerstäubers durch einfaches Austauschen des Biegestreifens 1 verschiedener Länge in weiten Grenzen variieren. Der Biegestreifen 1 kann aus Bandmaterial hergestellt werden.
  • Mit einem 0,5 mm dicken, 1 m langen Biegestreifen aus 90 % Ti, 6 % AI und 4 % V wurden Flüssigkeiten mit Viskositäten von weniger als 10 m Pa - s doppelseitig vernebelt. Der Zerstäuber ermöglicht die Verneblung von 200-300 L Flüssigkeit pro Stunde.
  • Die Flüssigkeitszuführung kann gemäß Fig. 2 durch ein Rohr 4 gewährleistet werden, das parallel zu dem Biegestreifen 1 ausgerichtet ist. Wegen der Knotenliniendichte auf dem Biegestreifen, kann die Flüssigkeit durch einen Schlitz 5 kontinuierlich und linear durchgehend zugeführt werden. Zur Erzeugung der Kapillarzuführung kann der Schlitz 5 mit geeignetem porösen Material 6 versehen sein, z. B. Filz, Fasern od. dgl.
  • Es zeigt sich, daß Flüssigkeiten, deren Viskosität durch Abdampfen von Lösungsmittelkomponenten während der Zerstäubung stark ansteigt, mit Biegewellenzerstäubern nur schwer zerstäubt werden können. Es bildet sich allmählich auf dem Wandler ein Rückstand, unter Umständen aus Suspensionsteilchen, klebrigen Bestandteilen oder kristallisierenden Komponenten aus. Dieser Rückstand beeinträchtigt die Schwingungseigenschaften des Biegewandlers. Es wird vorgeschlagen, das Abdampfen von Lösungsmittelkomponente dadurch zu verhindern, daß der Zerstäuber gemäß Fig. 3 einem horizontalen Rohr 7 mit Nebelauslaßschlitz 8 betrieben wird. Am Boden des Rohres 7 wird aus einem Lösungsmittel-Sumpf 9, der unter Umständen beheizt sein kann, genügend Lösungsmitteldampf erzeugt, so daß sich um den Zerstäuber ein Sättigungszustand einstellt.
  • Verdampfung erfolgt dann erst nach der Zerstäubung beim Nebelaustritt aus dem Öffnungsschlitz 8 des Rohres 7.
  • Bei dieser Ausführungsform wird die Flüssigkeit aus einem Reservoir 10 über Pumpe 11 zur Flüssigkeitszuführung 12 und dem Biegestreifen 1 geführt. Durch geeignete Einstellung der Blenden 13 kann die Nebelaustrittsöffnung 8 des Rohres 7 so reguliert werden, daß nur der Anteil feinster Tröpfchen durch den Schlitz 8 heraustritt.

Claims (7)

1. Flüssigkeitszerstäuber mit einer Flüssigkeitszufuhr (4 ; 12), mit einem Ultraschall-Anregungssystem und mit einem hiermit gekoppelten schmalen Biegestreifen, auf dem bei Anregung mehrere dicht aufeinanderfolgende, im wesentlichen parallele Knotenlinien erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestreifen (1) eine derart geringe Dicke aufweist, daß er keine ausreichende Eigensteifigkeit zur linearen Ausrichtung besitzt und daß die Formstabilität des Biegestreifens durch mindestens eine mechanische Halterung (3) hergestellt ist, wobei ein Ende des Biegestreifens (1) mit dem Ultraschall-Anre- . gungssystem (2) gekoppelt und das andere Ende mechanisch gehaltert ist und/oder der Biegestreifen (1) in Längsrichtung gehaltert ist.
2. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestreifen aus hochohmigen Metallen oder Legierungen, vorzugsweise auf Titanbasis oder aus rostfreien Stahl, besteht und daß der Biegestreifen eine Dicke von weniger als 1 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,9 mm aufweist.
3. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Halterung als eine Vorspanneinrichtung (3) ausgebildet ist, durch die eine beliebige Vorspannung auf dem Biegestreifen (1) einstellbar ist.
4. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der mechanischen Halterung (3) variierbar ist.
5. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestreifen (1) austauschbar ist.
6. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestreifen (1) in einem seiner Länge und Form entsprechenden Rohr (7) angeordnet ist, das im Bereich der vernebelnden Zone des Biegestreifens (1) mit einem Nebelauslaßschlitz (8) versehen ist.
7. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Nebelauslaßschlitzes (8) variierbar ist.
EP86903344A 1985-05-23 1986-05-21 Flüssigkeitszerstäuber Expired EP0224521B1 (de)

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EP (1) EP0224521B1 (de)
JP (1) JPS63500224A (de)
AT (1) ATE41326T1 (de)
DE (2) DE3518646A1 (de)
DK (1) DK161622C (de)
ES (1) ES8704090A1 (de)
WO (1) WO1986006985A1 (de)

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