AT515995A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit. Um insbesondere auf ein zusätzliches Fluid zur Zerteilung eines Stroms der Flüssigkeit in Tröpfchen verzichten zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Strömungskanal (3) umfasst, welcher in einem Betriebszustand der Vorrichtung ausschließlich von der Flüssigkeit durchströmbar ist, wobei der Strömungskanal (3) einen Austrittsabschnitt (13) aufweist, welcher Austrittsabschnitt (13) zumindest abschnittsweise von einer ersten Fläche (6) und einer zweiten Fläche (7) begrenzt wird, wobei die Vorrichtung weiters einen Austrittsquerschnitt (4) mit einer Breite (l) zum Austreten der Flüssigkeit aus dem Austrittsabschnitt (13) aufweist, wobei weiters die erste Fläche (6) und/oder die zweite Fläche (7) gekrümmt sind/ist, um eine zentrifugale Instabilität der Strömung der Flüssigkeit mit Wirbeln im Austrittsabschnitt (13) zu erzeugen und anwachsen zu lassen, und wobei die Krümmung der ersten Fläche (6) und/oder der zweiten Fläche (7) und die Breite (l) des Austrittsquerschnitts (4) derart aufeinander abgestimmt sind, um ein Austreten der Flüssigkeit durch den Austrittsquerschnitt (4) in Form von entlang von Wirbelachsen (2) der Wirbel verlaufenden Flüssigkeitsstrahlen (11) zu ermöglichen.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ZERSTÄUBUNG EINER FLÜSSIGKEIT

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zurZerstäubung einer Flüssigkeit, die Vorrichtung umfassend einenStrömungskanal.

Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zurZerstäubung einer Flüssigkeit.

Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendungeiner erfindungsgemäßen Vorrichtung.

STAND DER TECHNIK

Flüssigkeiten werden in vielen technischen Anwendungen inzerstäubter Form, d.h. in Form von Flüssigkeitströpfchen (auchals „Spray” bezeichnet), eingesetzt. Dabei ist es bei vielenAnwendungen wünschenswert, dass die Flüssigkeitströpfchenmöglichst gleich groß („monodispers") sind.

Zur Umwandlung eines zusammenhängenden Flüssigkeitsstroms ineinzelne Tröpfchen sind aus dem Stand der Technik Verfahrenbzw. Vorrichtungen bekannt, die als aufwendig bezeichnetwerden müssen, da ein zusätzliches Fluid zur Zerteilung desFlüssigkeitsstroms in einzelne Tröpfchen verwendet wird. Sosind beispielsweise aus der US 5679135 A oder der US 5129583 ADüsen zur Zerstäubung einer Flüssigkeit bekannt, bei welchen neben der Flüssigkeit ein Gas in die Düse eingeleitet wird, umeine Zerstäubung der Flüssigkeit beim Austritt aus der Düse zubewirken.

Schließlich sind bekannte Verfahren bzw. Düsen nur bedingt inder Lage, hohe Anforderungen betreffend Monodispersität derTröpfchen zu erfüllen.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eineVorrichtung sowie ein Verfahren zur Zerstäubung vonFlüssigkeiten zur Verfügung zu stellen, die einen geringenkonstruktiven Aufwand erfordern und dennoch eine hoheMonodispersität der Tröpfchen garantieren. Insbesondere sollauf ein zusätzliches Fluid zur Zerteilung eines Stroms derFlüssigkeit in Tröpfchen verzichtet werden können.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Grundsätzlich ist es bekannt, dass ein feinerFlüssigkeitsstrahl aufgrund auftretender Kapillarkräfte inTröpfchen zerfallen kann, was auch als Plateau-Rayleigh-Instabilität bezeichnet wird. Dabei entstehen aufgrund vonUnregelmäßigkeiten in der Strahlströmung, die aus derFlüssigkeitszufuhr stammen oder aus der Umgebungsluftübertragen werden können, „Störungen" bzw. Verformungen desStrahls. Diese Störungen können anwachsen und zu einemAbschnüren des Flüssigkeitsstrahls und damit zur Bildung vonTröpfchen führen.

Ein Aspekt der Erfindung ist es, für die Erzeugung vonFlüssigkeitströpfchen aus einem Flüssigkeitsstrom diesePlateau-Rayleigh-Instabilität auszunutzen. Dies bedingt die

Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen, die in weiterer Folgeaufgrund der Plateau-Rayleigh-Instabilität in einzelneTröpfchen zerfallen können. Je genauer die

Flüssigkeitsstrahlen dabei dimensioniert werden können, destogenauer lässt sich die Tröpfchengröße sowie deren Dispersitäteinstellen. Kern der Erfindung ist es nun, zur Erzeugung derFlüssigkeitsstrahlen den Flüssigkeitsstrom nicht etwa durchLochblenden oder Bohrungen zu führen oder gar mittels einesMechanismus mit bewegten Teilen aufzuteilen, da dies dasRisiko von rascher Verstopfung bzw. Defektanfälligkeit mitsich bringen würde. Stattdessen ist erfindungsgemäß dieAusnutzung des - an sich bekannten - Phänomens derzentrifugalen Instabilität von Flüssigkeitsströmungenvorgesehen.

Die zentrifugale Instabilität von Flüssigkeitsströmungen istgrundsätzlich für drei verschiedene Strömungsformen bekannt:die Taylor-Strömung zwischen zwei koaxialen Kreiszylindern,die um ihre Achse rotieren; die Görtler-Strömung, welche durchZentrifugalkräfte in Grenzschichten längs gekrümmter Wändebeeinflusst wird; und die Dean-Strömung, die unterDruckeinfluss zwischen zwei gekrümmten, still stehenden Wändenverläuft. In all diesen Fällen erzeugt die zentrifugaleInstabilität Wirbel mit Wirbelachsen bzw. Drehachsen längs dergekrümmten Wände.

Im Falle von Flüssigkeitsströmungen strukturieren diese Wirbeldas Strömungsfeld in einer Weise, dass bei der Dean-Strömungam Austritt aus einem Strömungskanal einzelne Wirbelfäden invon einander getrennte Flüssigkeitsstrahlen umgewandelt werdenkönnen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, über einemAustrittsquerschnitt statt einer geschlossenen Lamelleeinzelne Strahlen der Flüssigkeit zu erzeugen. Es sei betont,dass dies ohne das Vorhandensein von Bohrungen in einem festenBauteil geschieht - und damit ohne die Verstopfungsgefahr, die mit der Durchströmung von Bohrungen durch Flüssigkeitenverbunden ist.

Die theoretische Grundlage für die zentrifugale Instabilitätin der Dean-Strömung findet sich in W.R. Dean, Proc. R. Soc.Lond. A 121, 402 (1928). Etwas später wurde in W.H. Reid,

Proc. R. Soc. Lond. A 244, 186 (1958) der mathematischeFormalismus weiterentwickelt, der es ermöglicht, diezentrifugale Instabilität in der Dean-Strömung sowie dieresultierenden Wirbelstrukturen zu berechnen. Die genanntenArbeiten beziehen sich explizit nur auf eine Zylinder-Geometrie, jedoch kann beispielsweise eine Anpassung für einesphärische Geometrie leicht vorgenommen werden.

In aufwendigen Versuchsreihen wurde herausgefunden, dass esfür die Erzeugung sowie Dimensionierung, d.h. Einstellung derAnzahl und Dicke bzw. des Durchmessers, derFlüssigkeitsstrahlen erforderlich ist, die Krümmung derFlächen, entlang derer die Flüssigkeitsströmung imStrömungskanal geführt wird, sowie eine Breite desAustrittsquerschnitts aufeinander abzustimmen. Dabei wurdeinsbesondere herausgefunden, dass grundsätzlich auch schondann Flüssigkeitsstrahlen erzeugt werden können, wenn dieFlüssigkeitsströmung lediglich entlang einer gekrümmten Flächegeführt wird. Allerdings wird ein schnelleres Anwachsen derzentrifugalen Instabilität - und damit eine bessereWirbelbildung - beobachtet, wenn die Flüssigkeit zwischen zweigekrümmten Flächen strömt.

Durch das Abstimmen der Krümmung der gekrümmten Fläche(n) undder Breite des Austrittsquerschnitts wird sichergestellt, dassdie zentrifugale Instabilität nicht nur entsteht, sondern auchsoweit anwächst, dass die Flüssigkeit durch denAustrittsquerschnitt in Form von Flüssigkeitsstrahlendurchtritt, wobei die Flüssigkeitsstrahlen entlang vonWirbelachsen der durch die zentrifugale Instabilität verursachten Wirbel verlaufen. Nachdem die

Flüssigkeitsstrahlen den Austrittsquerschnitt passiert haben,verlaufen sie selbstverständlich prinzipiell dem Einfluss derSchwerkraft folgend.

Es zeigt sich, dass die so erzeugten Flüssigkeitsstrahlen sehrregelmäßig ausgebildet und zueinander sehr ähnlich sind. Zudemist bei der Tröpfchenbildung durch die Plateau-Rayleigh-Instabilität das Spektrum der anwachsenden Störungen, dieletztlich zur Ausbildung der Tröpfchen führen, sehr begrenzt.Typischerweise ist der Tröpfchendurchmesser innerhalb desZweifachen des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahls aus demdie Tröpfchen mittels Plateau-Rayleigh-Instabilitäthervorgehen. Insgesamt ergibt sich somit eine äußerst homogenebzw. enge (monodisperse) Verteilung der erfindungsgemäßerzeugten Tröpfchen.

Im Vergleich dazu ist das Spektrum anwachsender Störungen z.B.bei Kelvin-Helmholtzscher Instabilität, d.h. insbesondere beider Zerstäubung von Flüssigkeitsstrahlen durch Einwirkungeiner begleitenden Gasströmung, wesentlich - typischerweise umzwei Größenordnungen - breiter. Entsprechend weit ist dieGrößenverteilung der so erhaltenen Tröpfchen.

Daher ist es bei einer Vorrichtung zur Zerstäubung einerFlüssigkeit erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtungeinen Strömungskanal umfasst, welcher in einem Betriebszustandder Vorrichtung ausschließlich von der Flüssigkeitdurchströmbar ist, wobei der Strömungskanal einenAustrittsabschnitt aufweist, welcher Austrittsabschnittzumindest abschnittsweise von einer ersten Fläche und einerzweiten Fläche begrenzt wird, wobei die Vorrichtung weiters einen Austrittsquerschnitt zumAustreten der Flüssigkeit aus dem Austrittsabschnitt aufweist,wobei eine Randlinie des Austrittsquerschnitts zumindestabschnittsweise in der ersten Fläche und/oder in der zweiten

Fläche verläuft und wobei der Austrittsquerschnitt eine Breiteaufweist, welche einem geringsten Abstand der ersten Flächezur zweiten Fläche entspricht, wobei dieser Abstand in einerSchnittebene gemessen ist, in welcher Schnittebene eineLängsachse des Austrittsabschnitts verläuft,wobei weiters die erste Fläche und/oder die zweite Flächegekrümmt sind/ist, um eine zentrifugale Instabilität derStrömung der Flüssigkeit mit Wirbeln im Austrittsabschnitt zuerzeugen und anwachsen zu lassen, und wobei die Krümmung der ersten Fläche und/oder der zweitenFläche und die Breite des Austrittsquerschnitts derartaufeinander abgestimmt sind, um ein Austreten der Flüssigkeitdurch den Austrittsquerschnitt in Form von entlang vonWirbelachsen der Wirbel verlaufenden Flüssigkeitsstrahlen zuermöglichen.

Analog ist es bei einem Verfahren zur Zerstäubung einerFlüssigkeit erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren diefolgenden Schritte umfasst: - Erzeugen einer Strömung der Flüssigkeit durch einenStrömungskanal, wobei lediglich die Flüssigkeit durch denStrömungskanal strömt und wobei die Flüssigkeit aus einemAustrittsabschnitt des Strömungskanals durch einenAustrittsquerschnitt austritt; - Bildung von Flüssigkeitsstrahlen am Austrittsquerschnittdurch Erzeugen und Anwachsenlassen einer zentrifugalenInstabilität der Strömung der Flüssigkeit im

Austrittsabschnitt mit Wirbeln, wobei die Flüssigkeitsstrahlenim Austrittsquerschnitt entlang von Wirbelachsen der Wirbelverlaufen und wobei die Flüssigkeitsstrahlen derartdimensioniert werden, dass die Flüssigkeitsstrahlen inweiterer Folge aufgrund der Plateau-Rayleigh-Instabilität zuTröpfchen zerfallen.

Die Strömung wird dabei mittels Druckbeaufschlagung erzeugt,z.B. durch eine Druckdifferenz von 3,2 bar gegen

Atmosphärendruck. Der Austrittsquerschnitt steht normal aufdie HauptStrömungsrichtung und damit auch normal auf dieWirbelachsen.

Dieses Verfahren funktioniert grundsätzlich nicht nur mitzentrifugalen Instabilitäten einer Dean-Strömung, sondern aucheiner Taylor-Strömung oder einer Görtler-Strömung. Diekonstruktiv am einfachsten zu realisierende Strömung istjedoch die Dean-Strömung. Daher ist es bei einer bevorzugtenAusführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen,dass für die Erzeugung der zentrifugalen Instabilität dieströmende Flüssigkeit im Austrittsabschnitt entlang zumindesteiner gekrümmten Fläche geführt wird, welche gekrümmte Flächeden Austrittsabschnitt begrenzt und in welcher eine Randliniedes Austrittsquerschnitts zumindest abschnittsweise verläuft.

Wie bereits gesagt, können die Anzahl und die Dicke derFlüssigkeitsstrahlen eingestellt werden, indem die Krümmungder Flächen, entlang derer die Flüssigkeitsströmung imStrömungskanal bzw. Austrittsabschnitt geführt wird, sowie dieBreite des Austrittsquerschnitts aufeinander abgestimmtwerden. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform deserfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass dieDimensionierung der Flüssigkeitsstrahlen durch Abstimmen derKrümmung der mindestens einen Fläche und einer Breite desAustrittsquerschnitts erfolgt.

Optimal lässt sich dies mit einer erfindungsgemäßenVorrichtung erreichen, weshalb es bei einer bevorzugtenAusführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenist, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.

Um eine für die Erzeugung und für das Anwachsen derzentrifugalen Instabilität geeignete Krümmung der erstenund/oder zweiten Fläche zu garantieren, ist es bei einerbevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtungvorgesehen, dass die erste Fläche mindestens einen

Krümmungsradius aufweist und/oder dass die zweite Flächemindestens einen Krümmungsradius aufweist, wobei dermindestens eine Krümmungsradius 1 mm bis 50 mm, vorzugsweise 4 mm bis 15 mm groß ist. Dabei sind die Randpunkte der hier undim Folgenden angegebenen Intervalle stets als zum jeweiligenIntervall dazu gehörend zu lesen, sofern nicht explizitanderes angegeben ist.

Obiges bedeutet, dass die Krümmung der ersten und/oder zweitenFläche auch variieren kann, d.h. die Krümmung kann konstantsein oder variabel. Der angegebene mindestens eineKrümmungsradius bezieht sich klarerweise nur auf jene Teileder ersten bzw. zweiten Fläche, die nicht eben sind.

Ebenso ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform dererfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Breite desAustrittsquerschnitts 0,02 mm bis 2 mm, vorzugsweise 0,07 mmbis 0,4 mm groß ist, um die Ausbildung vonFlüssigkeitsstrahlen zu begünstigen. Überraschenderweise zeigt es sich, dass bei sich einstellendenFlüssigkeitsstrahlen durch Änderung der Breite desAustrittsquerschnitts direkt die Größe der Tröpfchen, in diedie Flüssigkeitsstrahlen in der Folge zerfallen, variiertwerden kann. Daher ist es bei einer bevorzugtenAusführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen,dass die Breite des Austrittsquerschnitts variiert wird, umeinen mittleren Durchmesser der Tröpfchen zu variieren.Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform dererfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Breite desAustrittsquerschnitts verstellbar ist.

Um besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf dieMonodispersität der erzeugten Tröpfchen zu erzielen, ist esbei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßenVorrichtung vorgesehen, dass die erste Fläche mindestens einenKrümmungsradius aufweist und/oder dass die zweite Fläche mindestens einen Krümmungsradius aufweist und dass dasVerhältnis der Breite des Austrittsquerschnitts zum mindestenseinen Krümmungsradius 0,0047 bis 0,1 beträgt.

Die Krümmung der ersten bzw. zweiten Fläche kann soausgestaltet sein, dass sich die jeweilige Fläche zumAustrittsquerschnitt hin („konvexe Krümmung") oder vomAustrittsquerschnitt weg („konkave Krümmung") wölbt. Dabeisind grundsätzlich sämtliche Kombinationen von Krümmungen fürdie erste und zweite Fläche, insbesondere im Bereich desAustrittsquerschnitts, möglich: konvex-eben; konkav-eben;eben-konvex; eben-konkav; konvex-konkav; konkav-konvex;konvex-konvex; konkav-konkav. Daher ist es bei einerbevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtungvorgesehen, dass die erste Fläche und/oder die zweite Flächegegen den Austrittsquerschnitt konvex gekrümmt sind/ist.

Ebenso ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform dererfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die zweiteFläche und/oder die erste Fläche gegen denAustrittsquerschnitt konkav gekrümmt sind/ist.

Um eine besonders einfache Realisierung der gekrümmten Flächenzu erreichen, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform dererfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die ersteFläche und/oder die zweite Fläche zumindest abschnittsweisedie Form eines Abschnitts eines Zylindermantels aufweist.

Insbesondere - aber nicht nur - im Fall, dass sowohl die ersteals auch die zweite Fläche im Wesentlichen als Abschnitte vonZylindermänteln geformt sind, kann der Austrittsquerschnitt imWesentlichen eine rechteckige Form aufweisen. Daher ist es beieiner bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßenVorrichtung vorgesehen, dass der Austrittsquerschnittrechteckig ist.

Ebenso ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform dererfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die zweite

Fläche und/oder die erste Fläche zumindest abschnittsweise dieForm eines Abschnitts einer Kugelfläche aufweist. Auf dieseWeise lässt sich leicht eine Drehsymmetrie des Strömungskanalsbzw. des Austrittsabschnitts erzeugen, was sich wiederumgünstig auf die Herstellung auswirkt. Insbesondere - abernicht nur - im Falle eines drehsymmetrischenAustrittsabschnitts kann der Austrittsabschnitt imWesentlichen ringförmig sein.

Es ist auch denkbar, dass aus Konstruktionsgründen ein odermehrere Stege vorgesehen sind, sodass sich mehrereAustrittsquerschnitte ergeben. Insbesondere können sichmehrere Austrittsquerschnitte ergeben, die jeweils rechteckigsind oder die Form von Ringsegmenten haben.

Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform dererfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass derAustrittsquerschnitt ringförmig oder ringsegmentförmig ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßenVorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass die Vorrichtungmindestens eine Abrisskante aufweist. Die mindestens eineAbrisskante bewirkt eine Lokalisierung der Abströmung derFlüssigkeit nach Verlassen der Vorrichtung. Das bedeutet, dasskeine Flüssigkeit unkontrolliert nach dem Austrittsquerschnittvon der Vorrichtung herunter tropft. Stattdessen finden sichannähernd 100% der die Vorrichtung durch den

Austrittsquerschnitt verlassenden Flüssigkeit in den mittelszentrifugaler Instabilität erzeugten Flüssigkeitsstrahlen.

Um Flüssigkeitsverlust durch Heruntertropfen praktischvollständig auszuschließen, ist es bei einer besondersbevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtungvorgesehen, dass zwei Abrisskanten vorgesehen sind, diebezogen auf den Austrittsquerschnitt einander gegenüberliegendangeordnet sind. Vorzugsweise schließt dabei die eine

Abrisskante an die erste Fläche an und die andere Abrisskantean die zweite Fläche.

Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtungbzw. das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Zerstäubungvon Wasser, sondern für unterschiedlichste Flüssigkeiten. DieErzeugung von Flüssigkeitsstrahlen mittels der zentrifugalenInstabilität kann bei Flüssigkeiten mit unterschiedlicherViskosität insbesondere dadurch erreicht werden, indem gewisseReynolds-Zahlen bei der Durchströmung des Strömungskanals bzw.des Austrittsabschnitts sichergestellt werden, wobei dieBreite des Austrittsquerschnitts das für die Reynolds-Zahlrelevante Längenmaß bildet. Selbstverständlich gilt dies nichtnur für chemisch unterschiedliche Flüssigkeiten, sondern auchfür eine Flüssigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen unddamit unterschiedlichen kinematischen Viskositäten. TypischeWerte für die kinematische Viskosität liegen z.B. im Bereichzwischen 1CT6 m2/s und 1,38*1CT5 m2/s.

Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform deserfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass einevolumenstromäquivalente mittlere Geschwindigkeit v derFlüssigkeit, eine Breite 1 des Austrittsquerschnitts sowie diekinematische Viskosität V der Flüssigkeit so aufeinanderabgestimmt bzw. gewählt werden, dass für die Reynolds-ZahlRe = v * 1 / V gilt: 10 ^ Re ^ 10000, vorzugsweise 50 ^ Re ^ 2500, besondersbevorzugt 70 ^ Re ^ 2400.

Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäßeVorrichtung können aufgrund der ausgezeichnetenMonodispersität der erzeugten Tröpfchen vielfältig verwendetwerden. Mögliche Anwendungen reichen von der Verwendung zurBefeuchtung, Reinigung oder Dekontamination von Produkten überdie Verwendung zur Behandlung von Strukturoberflächen beilithographischen Produktionsverfahren bis zur Verwendung bei

Sprühtrocknungsverfahren. Daher ist erfindungsgemäß dieVerwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zurSprühtrocknung vorgesehen, wobei mittels der VorrichtungTröpfchen einer Suspension oder homogenen Lösung erzeugtwerden, welche Tröpfchen wiederum vorzugsweise mit Heißluftgetrocknet werden, um ein Pulver eines in der Suspensionsuspendierten oder in der Lösung gelösten Stoffesherzustellen.

Beispielsweise lässt sich auf diese Weise mittelsSprühtrocknung Milchpulver (Trockenmilch) oder löslicherKaffee (Pulverkaffee) hersteilen. Entsprechend ist es beieiner bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßenVerwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dasses sich bei dem Stoff um ein Lebensmittel handelt.

Selbstverständlich können mittels Sprühtrocknung aber auchPulver anderer Stoffe, bei denen es sich nicht um Lebensmittelhandelt, hergestellt werden. Entsprechend ist es bei einerbevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendungder erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass es sich beidem Stoff um eine Chemikalie handelt. Beispiele für einesolche Chemikalie wären: Polymere, Düngemittel, keramischeAusgangsstoffe, Waschmittel oder Kautschuk.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen nähererläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen denErfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfallseinengen oder gar abschließend wiedergeben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit

Fig. 2 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie B-B in Fig.1, wobei die Pfeile in Fig. 1 die Blickrichtungandeuten

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Darstellung einesAustrittsabschnitts eines Strömungskanals derVorrichtung aus Fig. 1, wobei eine erste und einezweite Fläche, die den Austrittsabschnitt begrenzen,gegen einen Austrittsquerschnitt konvex gekrümmt sind

Fig. 4 eine Darstellung wie in Fig. 3, wobei die zweite

Fläche auch einen Abschnitt einer Mantelfläche einesZylinders ausbilden kann

Fig. 5 eine Darstellung wie in Fig. 3, wobei die zweite

Fläche gegen den Austrittsquerschnitt konkav gekrümmtist

Fig. 6 eine Darstellung wie in Fig. 3, wobei die zweiteFläche eben ist

Fig. 7 eine Darstellung wie in Fig. 4, wobei die erste Flächeeben ist

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht des Details A aus Fig. 6

Fig. 9 eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch mit einem rechteckigen Austrittsquerschnitt

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In der Schnittansicht der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäßeVorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in einemBetriebszustand der Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtungweist einen Strömungskanal 3 auf, in welchen die Flüssigkeit(in der Zeichnung) von oben eingeleitet wird und imBetriebszustand druckbeaufschlagt nach (in der Zeichnung) unten entlang einer Längsachse 8 als Flüssigkeitsströmung 1(vgl. auch z.B. Fig. 3) strömt.

Der Strömungskanal 3 weist einen Austrittsabschnitt 13 auf,der durch eine erste Fläche 6 und eine zweite Fläche 7begrenzt wird. Zwischen den Flächen 6 und 7 ist einAustrittsquerschnitt 4 angeordnet, durch den die Flüssigkeitaustritt. D.h. die Flüssigkeit wird vor ihrem Austritt aus demStrömungskanal 3 bzw. dem Austrittsabschnitt 13 entlang derFlächen 6 und 7 geführt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 istder Austrittsquerschnitt 4 ein im Wesentlichen ringförmigerSpalt mit einer Breite 1. Die Breite 1 entspricht einemgeringsten Abstand zwischen der ersten Fläche 6 und derzweiten Fläche 7, gemessen in einer Schnittebene, in welcherdie Längsachse 8 verläuft, d.h. im vorliegendenAusführungsbeispiel stellt die Schnittebene die Zeichenebneder Fig. 1 dar.

Sowohl die erste Fläche 6 als auch die zweite Fläche 7 sind imAusführungsbeispiel der Fig. 1 gekrümmt, und zwar gegen denAustrittsquerschnitt 4 konvex gekrümmt, d.h. die Flächen 6 und7 wölben sich zum Austrittsquerschnitt 4 hin. Die gekrümmtenFlächen 6, 7 bewirken, dass sich eine zentrifugaleInstabilität in der Flüssigkeitsströmung 1 imAustrittsabschnitt 13 ausbildet, wobei hierdurch Wirbelerzeugt werden, deren Drehachsen/Wirbelachsen 2 parallel zuden gekrümmten Flächen 6, 7 verlaufen. Dabei sind dieKrümmungen der Flächen 6, 7 und die Breite 1 (vgl. Fig. 8) desAustrittsquerschnitts 4 so ausgelegt bzw. aufeinanderabgestimmt, dass sich die zentrifugale Instabilität nicht nurausbildet, sondern auch anwachsen kann.

Dies wiederum hat eine Strukturierung der Flüssigkeitsströmung1 durch die Wirbel bzw. Wirbelfäden zur Folge - und zwar so,dass die Flüssigkeit durch den Austrittsquerschnitt 4 nichtals Lamelle, sondern in einzelnen Flüssigkeitsstrahlen 11 austritt. Dabei ergibt sich jeder Flüssigkeitsstrahl 11 auseinem Wirbelfaden oder durch Verschmelzen mehrererWirbelfäden. D.h. es werden zur Herstellung derFlüssigkeitsstrahlen 11 weder extra Bohrungen noch einweiteres Fluid benötigt - lediglich die Flüssigkeit strömtdurch den Strömungskanal 3 bzw. den Austrittsabschnitt 13 undtritt durch den Austrittsquerschnitt 4 aus.

Durch die Abstimmung der Krümmung der Flächen 6, 7 und derBreite 1 aufeinander wird nicht nur sichergestellt, dass sichbeim Austritt/Durchtritt aus/durch dem/den

Austrittsquerschnitt 4 Flüssigkeitsstrahlen 11 bilden, sonderndie Flüssigkeitsstrahlen 11 können gezielt dimensioniertwerden. D.h. es lassen sich Anzahl und Dicke bzw. Durchmesserder Flüssigkeitsstrahlen 11 einstellen, wobei dieFlüssigkeitsstrahlen 11 zueinander äußerst ähnlich undregelmäßig ausgebildet sind.

Die Flüssigkeitsstrahlen 11 können nun gezielt sodimensioniert werden, dass sie in weiterer Folge aufgrund derPlateau-Rayleigh-Instabilität zu Tröpfchen 12 zerfallen. Dabeientstehen aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Strömung derFlüssigkeitsstrahlen 11, die aus der Flüssigkeitszufuhrstammen oder aus der Umgebungsluft übertragen werden können,Störungen bzw. Verformungen der Flüssigkeitsstrahlen 11, dieanwachsen und zu einem Abschnüren der Flüssigkeitsstrahlen 11und damit zur Bildung der Tröpfchen 12 führen. Aufgrund deräußerst regelmäßigen Ausbildung der Flüssigkeitsstrahlen 11ist das Spektrum der anwachsenden Störungen sehr begrenzt,sodass sich eine sehr homogene, im Wesentlichen monodisperseGrößenverteilung der Tröpfchen 12 ergibt.

Fig. 2 illustriert die Bildung dieser Tröpfchen 12 in einerSchnittansicht gemäß der Schnittlinie B-B in Fig. 1, wobei diePfeile die Blickrichtung andeuten. Gut erkennbar ist dieregelmäßige, sternförmige Anordnung der aufgrund der zentrifugalen Instabilität ausgebildeten Flüssigkeitsstrahlen11.

Darüberhinaus ist in Fig. 2 eine Abrisskante 9 besser als inFig. 1 erkennbar. Diese Abrisskante 9 schließt an die zweiteFläche 7 an und bewirkt eine Lokalisierung der Abströmung derFlüssigkeit nach Verlassen der Vorrichtung. Das bedeutet, dasskeine Flüssigkeit unkontrolliert nach dem Austrittsquerschnitt4 von der Vorrichtung herunter tropft.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einesAustrittsabschnitts 13, wie er in der Vorrichtung der Fig. 1vorkommt. Wie bereits festgehalten sind sowohl die ersteFläche 6 als auch die zweite Fläche 7 konvex gegen denAustrittsquerschnitt 4 gekrümmt. Dabei weist die erste Fläche6 einen Krümmungsradius RK auf und die zweite Fläche 7, die dieOberfläche einer Kugelkalotte bildet, einen Krümmungsradius -Rj.Sowohl die erste Fläche 6 als auch die zweite Fläche 7 sind imgezeigten Ausführungsbeispiel drehsymmetrisch rund um dieLängsachse 8. Eine Wirbelachse 2 eines Wirbels, der durch diesich ergebende zentrifugale Instabilität gebildet wird, istdurch eine Strich-Punkt-Punkt-Linie dargestellt. DieWirbelachse 2 verläuft dabei parallel zu einerHauptStrömungsrichtung 10, die mittels eines Pfeils für dieFlüssigkeitsströmung 1 am Ort des Austrittsquerschnitts 4dargestellt ist.

Typische Abmessungen der ersten Fläche 6 und zweiten Fläche 7sind so, dass sich ein Austrittsradius 14, der einen größtenradialen Abstand des Austrittsquerschnitts 4 von derLängsachse 8 darstellt, von 1 mm bis 20 mm, vorzugsweise 3 mmbis 15 mm, besonders bevorzugt 5 mm bis 6 mm, insbesondere ca.5,5 mm ergibt. Krümmungsradien RK und Aj betragen amAustrittsquerschnitt 4 typischerweise 1 mm bis 50 mm,vorzugsweise 4 mm bis 15 mm. Die Breite 1 desAustrittsquerschnitts 4 beträgt typischerweise 0,02 mm bis 2 mm, vorzugsweise 0,07 mm bis 0,4 mm. Druckdifferenzen zurEinstellung der Flüssigkeitsströmung 1 durch denStrömungskanal 3 bzw. den Austrittsabschnitt 13 betragen gegenAtmosphärendruck typischerweise 1 bar bis 5 bar, vorzugsweise2,5 bar bis 3,5 bar, insbesondere 3,2 bar. Grundsätzlich istdie erfindungsgemäße Vorrichtung / das erfindungsgemäßeVerfahren auch für weit höhere Drücke geeignet, z.B. bis zu100 bar gegen Atmosphärendruck.

Beispielsweise ergibt sich für Wasser bei 20°C als zuzerstäubende Flüssigkeit in einem Austrittsabschnitt 13 gemäßFig. 3 bei einer Druckdifferenz von 3,2 bar gegenAtmosphärendruck, einer Breite 1 des Austrittsquerschnitts 4von 0,1 mm, einem Austrittsradius 14 von 11,75 mm,Krümmungsradien RKr Pj von jeweils 12,5 mm ein Massenstrom von170 kg/h. D.h. trotz einer relativ geringen Druckdifferenzkönnen relativ hohe Flüssigkeitsmassenströme derprozesstechnisch interessanten Größenordnung von 100 kg/herzeugt werden. Die durch die zentrifugale Instabilitäterzeugten Flüssigkeitsstrahlen 11 weisen am

Austrittsquerschnitt 4 einen Durchmesser bzw. eine Dicke auf,die der Breite 1 des Austrittsquerschnitts 4 entspricht. DurchVerschmelzen beim Strömen auf der zweiten Fläche 7,vorzugsweise bis zur Abrisskante 9, vereinigen sichtypischerweise zwei bis vier Flüssigkeitsstrahlen 11.

Hierdurch vergrößert sich der Durchmesser bzw. die Dicke derFlüssigkeitsstrahlen auf das 1,4-Fache bis 3-Fache des Wertsam Austrittsquerschnitt 4. Die schließlich erhaltenenTröpfchen 12 weisen einen mittleren Durchmesser auf, der demDoppelten der mittleren Dicke der Flüssigkeitsstrahlen 11 amEnde der zweiten Fläche 7 bzw. an der Abrisskante 9entspricht. Generell schwankt der Durchmesser der Tröpfchen 12in den mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Spraysum ±20 % bis +40 % um den jeweiligen mittleren Durchmesser.Dabei wird ein für die Prozessindustrie höchst interessanter

Durchsatz gewährleistet, der z.B. die Verwendung zurBefeuchtung, Reinigung oder Dekontamination von Produkten, dieVerwendung zur Behandlung von Strukturoberflächen beilithographischen Produktionsverfahren oder die Verwendung beiSprühtrocknungsverfahren ermöglicht. Insbesondere beilithographischen Produktionsverfahren kann eineerfindungsgemäße Vorrichtung / ein erfindungsgemäßes Verfahrenz.B. zur Reinigung der Oberflächen oder zur Behandlung derOberflächen mit ätzenden Flüssigkeiten verwendet werden bzw.zur Aufbringung von Ätzmitteln, Spülflüssigkeiten oderPhotoresist.

Schließlich sind in Fig. 3 zwei Abrisskanten 9 expliziteingezeichnet, die bezogen auf den Austrittsquerschnitt 4einander gegenüberliegend angeordnet sind und an die ersteFläche 6 bzw. die zweite Fläche 7 anschließen. Indem zweiAbrisskanten 9 vorgesehen sind, wird ein Flüssigkeitsverlustdurch Heruntertropfen praktisch vollständig ausgeschlossen.

Selbstverständlich ist die Geometrie der erfindungsgemäßenVorrichtung nicht nur auf jene der Fig. 3 beschränkt. Fig. 4zeigt ebenfalls eine Ausführungsvariante mit konvexen Flächen6, 7, wobei die zweite Fläche 7 insbesondere ein Abschnitteiner Kugeloberfläche sein kann. In letzterem Fall können dieFlächen 6, 7 drehsymmetrisch um die Längsachse 8 ausgebildetsein. Es ist jedoch auch möglich, dass die zweite Fläche 7 -und vorzugsweise auch die erste Fläche 6 - jeweils einenAbschnitt einer Mantelfläche eines Zylinders ausbilden, wobeidie Drehachse des jeweiligen Zylinders normal auf dieZeichenebene der Fig. 4 steht. In diesem Fall liegt keineDrehsymmetrie um die Längsachse 8 vor, und derAustrittsquerschnitt 4 ist vorzugsweise rechteckig. Diemöglichen Wertebereiche für die Krümmungsradien RK, und dieBreite 1 entsprechen dabei den oben im Zusammenhang mit Fig. 3angegebenen.

Es versteht sich, dass auch im Fall eines rechteckigenAustrittsquerschnitts 4 die Tröpfchenbildung wie oben anhandvon Fig. 1 beschrieben funktioniert. Der Vollständigkeithalber wird in Fig. 9 die Bildung der Tröpfchen 12 in einerSchnittansicht analog zu Fig. 2 illustriert, wobeiZylindergeometrie der Flächen 6, 7 vorliegt. Im gezeigten Falltritt die Flüssigkeit durch zwei rechteckige

Austrittsquerschnitte 4 aus, die bezogen auf die Längsachse 8einander gegenüber liegen (nicht dargestellt). Beim Austrittder Flüssigkeit ergeben sich aufgrund der zentrifugalenInstabilität statt zwei FlüssigkeitslamellenFlüssigkeitsstrahlen 11 in einer regelmäßigen Anordnung.Abrisskanten 9 verhindern dabei Flüssigkeitsverlust durchHeruntertropfen.

Darüberhinaus sind auch Konfigurationen möglich, bei welcheneine der beiden Flächen 6, 7 oder beide Flächen 6, 7 konkavstatt konvex sein können. Fig. 5 zeigt eine Variante, beiwelcher die erste Fläche 6 gegen den Austrittsquerschnitt 4konvex gekrümmt ist mit Krümmungsradius RK. Die zweite Fläche 7ist in diesem Fall gegen den Austrittsquerschnitt 4 konkavgekrümmt mit einem Krümmungsradius RA. Es besteht dieMöglichkeit einer drehsymmetrischen Anordnung um dieLängsachse 8, sodass sich ein im Wesentlichen ringförmigerAustrittsquerschnitt 4 ergibt. Alternativ ist es aber auchmöglich, dass die Flächen 6, 7 in Fig. 5 jeweils Abschnitteder Mantelfläche eines Zylinders ausbilden, dessen Drehachsenormal auf die Zeichenebene steht, sodass sich ein imWesentlichen rechteckiger Austrittsquerschnitt 4 ergibt. Diemöglichen Wertebereiche für die Krümmungsradien RK, RAentsprechen dabei den oben im Zusammenhang mit Fig. 3angegebenen für die Krümmungsradien RK, RT. Die möglichenWertebereiche für die Breite 1 entsprechen dabei den oben imZusammenhang mit Fig. 3 angegebenen.

Weiterhin sind auch in Fig. 5 zwei Abrisskanten 9 expliziteingezeichnet, die bezogen auf den Austrittsquerschnitt 4einander gegenüberliegend angeordnet sind und an die ersteFläche 6 bzw. die zweite Fläche 7 anschließen. Wiederum wirdmittels der zwei Abrisskanten 9 ein Flüssigkeitsverlust durchHeruntertropfen praktisch vollständig ausgeschlossen.

Schließlich haben aufwendige Versuche gezeigt, dass einezentrifugale Instabilität, die zur Aufteilung der Flüssigkeitin Flüssigkeitsstrahlen 11 und in der Folge zu Tröpfchen 12führt, auch dann erzeugt werden kann, wenn nur eine der beidenFlächen 6, 7 im Austrittsabschnitt 13 gekrümmt ist. Fig. 6illustriert eine Ausführungsform, bei welcher nur die ersteFläche 6 gekrümmt ist und die zweite Fläche 7 eben ist. Imgezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Fläche 6 dabeikonvex gegen den Austrittsquerschnitt 4 gekrümmt.

Fig. 7 hingegen zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem nurdie zweite Fläche 7 gekrümmt ist und die erste Fläche 6 ebenist. Die zweite Fläche 7 ist dabei gegen denAustrittsquerschnitt 4 konvex gekrümmt.

Die Ausführungsvarianten gemäß Fig. 6 und Fig. 7 könnendrehsymmetrisch um die Längsachse 8 ausgebildet sein mit einemim Wesentlichen ringförmigen Austrittsquerschnitt 4.

Alternativ können die Ausführungsvarianten gemäß Fig. 6 undFig. 7 auch nicht drehsymmetrisch um die Längsachse 8ausgebildet sein, wobei jeweils die gekrümmte Fläche 6 bzw. 7als Abschnitt eines Mantels eines Zylinders ausgebildet ist,dessen Drehachse normal auf die Zeichenebene der Fig. 6 bzw.Fig. 7 steht. Die möglichen Wertebereiche für dieKrümmungsradien RK, Rj und die Breite 1 entsprechen dabei denoben im Zusammenhang mit Fig. 3 angegebenen. Im Unterschied zuAusführungsformen, bei denen beide Flächen 6, 7 gekrümmt sind,wächst die zentrifugale Instabilität jedoch weniger schnellan, sodass die Tröpfchenbildung etwas weniger gut, d.h. weniger monodispers erfolgt. Andererseits könnenAusführungsformen mit nur einer gekrümmten Fläche 6 oder 7,wie sie in Fig. 6 und Fig. 7 beispielhaft gezeigt sind,Vorteile hinsichtlich einer besonders einfachen und damitkostengünstigen Herstellung bieten.

Fig. 8 zeigt in vergrößerter Darstellung das Detail A aus Fig.6, um den Austrittsquerschnitt 4 deutlich zu illustrieren. DerAustrittsquerschnitt 4 ist dabei als punktierte Linieangedeutet und wird zumindest abschnittsweise von Randlinien 5berandet, welche Randlinien 5 normal auf die Schnittebene bzw.Zeichenebene der Fig. 8 stehen. Im Falle einerdrehsymmetrischen Ausbildung mit der Längsachse 8 alsDrehachse ist der Austrittsquerschnitt 4 im Wesentlichenringförmig und ausschließlich von den Randlinien 5 begrenzt.Die Randlinien 5 verlaufen in der ersten Fläche 6 und derzweiten Fläche 7. Die HauptStrömungsrichtung 10 derFlüssigkeit bzw. der Flüssigkeitsstrahlen 11 beim Durchtrittdurch den Austrittsquerschnitt 4 steht normal auf denAustrittsquerschnitt 4. Dies gilt völlig analog auch beisämtlichen anderen Ausführungsbeispielen, weshalb aus Gründender Knappheit auf weitere entsprechende vergrößerte Ansichtenverzichtet wird.

Neben den Werten für die Krümmungsradien RKr RIr RA und dieBreite 1 selbst kann auch das Verhältnis der Breite 1 zumindestens einem der Krümmungsradien RK, Ri, Ra herangezogenwerden, um ein Funktionieren der erfindungsgemäßen Zerstäubungsicherzustellen. Konkret werden gute Ergebnisse mit Tröpfchenmit einer sehr monodispersen Größenverteilung erzielt, wenndas Verhältnis der Breite 1 des Austrittsquerschnitts 4 zumindestens einem der Krümmungsradien RK, RIr RÄ 0, 0047 bis 0,1beträgt.

Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtungbzw. das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Zerstäubung von Wasser, sondern für unterschiedlichste Flüssigkeiten. DieErzeugung von Flüssigkeitsstrahlen 11 mittels derzentrifugalen Instabilität kann bei Flüssigkeiten mitunterschiedlicher Viskosität insbesondere dadurch erreichtwerden, indem gewisse Reynolds-Zahlen Re bei der Durchströmungdes Strömungskanals 3 bzw. des Austrittsabschnitts 13sichergestellt werden, wobei die Breite 1 des

Austrittsquerschnitts 4 das für die Reynolds-Zahl Re relevanteLängenmaß bildet. Selbstverständlich gilt dies nicht nur fürchemisch unterschiedliche Flüssigkeiten, sondern auch für eineFlüssigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen und damitunterschiedlichen kinematischen Viskositäten V bzw. für eineFlüssigkeit bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeitenv. Typische Werte für die kinematische Viskosität liegen z.B.im Bereich zwischen 10~6 m2/s und 1,38*1CT5 m2/s. Mit

Re = v * 1 / V ergeben sich bei Breiten 1 zwischen 0,07 mm und 0,32 mmtypische Werte für Re zwischen 70 und 2400, wobei alsStrömungsgeschwindigkeit v die volumenstromäquivalentemittlere Geschwindigkeit der Flüssigkeit herangezogen werdenkann. Typische Strömungsgeschwindigkeiten v liegen zwischenrund 0,219 m/s und 35 m/s.

Beispielsweise ergeben sich im Falle von Wasser bei 20°C,applizierten Drücken gegen Atmosphärendruck von 0,1 bar bis4,5 bar, einer Zerstäubergeometrie, die jener aus Fig. 3entspricht (RK = 15 mm; Κτ = 9 mm) , und Austrittradien 14 von11 mm bis 12 mm Strömungsgeschwindigkeiten v zwischen 3,8 m/sund 5,4 m/s.

Schließlich zeigt es sich, dass sich durch Variation derBreite 1 der Tröpfchendurchmesser variieren lässt. Konkretkönnen z.B. für Wasser bei 20°C bei einer Geometrie gemäß Fig.3 (RK = 15 mm; Rj = 9 mm), applizierten Drücken gegen

Atmosphärendruck von 3,9 bar bis 4,1 bar, und Austrittradien14 von 11 mm bis 12,3 mm, mittlere Tröpfchengrößen von 0,27 mmbis 0,37 mm erzielt werden, indem die Breite 1 zwischen 0,073mm und 0,083 mm variiert wird.

Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform dererfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Breite 1verstellbar ist. Beispielsweise kann bei einer Vorrichtunggemäß Fig. 1 bzw. mit einer Geometrie gemäß Fig. 3 die Breite1 verstellt werden, indem die zweite Fläche 7 gegenüber derersten Fläche 6 entlang der Längsachse 8 verschoben wird. D.h.die zweite Fläche 7 ist entsprechend verschiebbar ausgeführt.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Flüssigkeitsströmung 2 Wirbelachse 3 Strömungskanal 4 Austrittsquerschnitt 5 Randlinie des Austrittsquerschnitts 6 Erste einen Austrittsabschnitt des Strömungskanals begrenzende Fläche, in welcher die Randlinie desAustrittsquerschnitts zumindest abschnittsweiseverläuft 7 Zweite den Austrittsabschnitt begrenzende Fläche, in welcher die Randlinie des Austrittsquerschnittszumindest abschnittsweise verläuft 8 Längsachse 9 Abrisskante 10 HauptStrömungsrichtung 11 Flüssigkeitsstrahl 12 Flüssigkeitströpfchen 13 Austrittsabschnitt des Strömungskanals 14 Austrittsradius 1 Breite des Austrittsquerschnitts RK Krümmungsradius der ersten Fläche

Ri Krümmungsradius der zweiten Fläche bei gegen den

Austrittsquerschnitt konvexer Krümmung

Ra Krümmungsradius der zweiten Fläche bei gegen denAustrittsquerschnitt konkaver Krümmung

Claims (22)

1. ANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, dieVorrichtung umfassend einen Strömungskanal (3), welcher ineinem Betriebszustand der Vorrichtung ausschließlich vonder Flüssigkeit durchströmbar ist, wobei derStrömungskanal (3) einen Austrittsabschnitt (13) aufweist,welcher Austrittsabschnitt (13) zumindest abschnittsweisevon einer ersten Fläche (6) und einer zweiten Fläche (7)begrenzt wird, wobei die Vorrichtung weiters einen Austrittsquerschnitt(4) zum Austreten der Flüssigkeit aus dem Austrittsabschnitt (13) aufweist, wobei eine Randlinie (5)des Austrittsquerschnitts (4) zumindest abschnittsweise inder ersten Fläche (6) und/oder in der zweiten Fläche (7)verläuft und wobei der Austrittsquerschnitt (4) eineBreite (I) aufweist, welche einem geringsten Abstand derersten Fläche (6) zur zweiten Fläche (7) entspricht, wobeidieser Abstand in einer Schnittebene gemessen ist, inwelcher Schnittebene eine Längsachse (8) desAustrittsabschnitts (13) verläuft, wobei weiters die erste Fläche (6) und/oder die zweiteFläche (7) gekrümmt sind/ist, um eine zentrifugaleInstabilität der Strömung der Flüssigkeit mit Wirbeln imAustrittsabschnitt (13) zu erzeugen und anwachsen zulassen, und wobei die Krümmung der ersten Fläche (6) und/oder derzweiten Fläche (7) und die Breite (1) desAustrittsquerschnitts (4) derart aufeinander abgestimmtsind, um ein Austreten der Flüssigkeit durch denAustrittsquerschnitt (4) in Form von entlang vonWirbelachsen (2) der Wirbel verlaufendenFlüssigkeitsstrahlen (11) zu ermöglichen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (6) mindestens einen Krümmungsradius (RK) aufweist und/oder dass die zweite Fläche (7) mindestenseinen Krümmungsradius (RIr RA) aufweist, wobei dermindestens eine Krümmungsradius {RK, RIf RA) 1 mm bis50 mm, vorzugsweise 4 mm bis 15 mm groß ist.
3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Breite (1) des Austrittsquerschnitts (4) 0,02 mm bis 2 mm, vorzugsweise0,07 mm bis 0,4 mm groß ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurchgekennzeichnet, dass die erste Fläche (6) mindestens einenKrümmungsradius (RK) aufweist und/oder dass die zweiteFläche (7) mindestens einen Krümmungsradius (RIr RA)aufweist und dass das Verhältnis der Breite (I) desAustrittsquerschnitts (4) zum mindestens einenKrümmungsradius (Rk, Ri, Ra) 0,0047 bis 0,1 beträgt.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurchgekennzeichnet, dass die erste Fläche (6) und/oder diezweite Fläche (7) gegen den Austrittsquerschnitt (4)konvex gekrümmt sind/ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurchgekennzeichnet, dass die zweite Fläche (7) und/oder dieerste Fläche (6) gegen den Austrittsquerschnitt (4) konkavgekrümmt sind/ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurchgekennzeichnet, dass die erste Fläche (6) und/oder diezweite Fläche (7) zumindest abschnittsweise die Form einesAbschnitts eines Zylindermantels aufweist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurchgekennzeichnet, dass die zweite Fläche (7) und/oder dieerste Fläche (6) zumindest abschnittsweise die Form einesAbschnitts einer Kugelfläche aufweist.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurchgekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt (4)rechteckig ist.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurchgekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt (4)ringförmig oder ringsegmentförmig ist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (1) desAustrittsquerschnitts (4) verstellbar ist.
12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestenseine Abrisskante (9) aufweist.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass zwei Abrisskanten (9) vorgesehen sind, die bezogenauf den Austrittsquerschnitt (4) einander gegenüberliegendangeordnet sind.
14. 14. Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, wobeidas Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Erzeugen einer Strömung (1) der Flüssigkeit durch einenStrömungskanal (3), wobei lediglich die Flüssigkeit durchden Strömungskanal (3) strömt und wobei die Flüssigkeitaus einem Austrittsabschnitt (13) des Strömungskanals (3)durch einen Austrittsquerschnitt (4) austritt; - Bildung von Flüssigkeitsstrahlen (11) amAustrittsquerschnitt (4) durch Erzeugen undAnwachsenlassen einer zentrifugalen Instabilität derStrömung der Flüssigkeit im Austrittsabschnitt (13) mitWirbeln, wobei die Flüssigkeitsstrahlen (11) imAustrittsquerschnitt (4) entlang von Wirbelachsen (12) derWirbel verlaufen und wobei die Flüssigkeitsstrahlen (11)derart dimensioniert werden, dass die Flüssigkeitsstrahlen (11) in weiterer Folge aufgrund der Plateau-Rayleigh-Instabilität zu Tröpfchen (12) zerfallen.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass für die Erzeugung der zentrifugalen Instabilität dieströmende Flüssigkeit im Austrittsabschnitt (13) entlangzumindest einer gekrümmten Fläche (6, 7) geführt wird,welche gekrümmte Fläche (6, 7) den Austrittsabschnitt (13)begrenzt und in welcher eine Randlinie (5) desAustrittsquerschnitts (4) zumindest abschnittsweiseverläuft.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,dass die Dimensionierung der Flüssigkeitsstrahlen (11)durch Abstimmen der Krümmung der mindestens einen Fläche(6, 7) und einer Breite (1) des Austrittsquerschnitts (4)erfolgt.
17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurchgekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem derAnsprüche 1 bis 13 verwendet wird.
18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurchgekennzeichnet, dass eine volumenstromäquivalente mittlereGeschwindigkeit v der Flüssigkeit, eine Breite 1 desAustrittsquerschnitts (4) sowie die kinematischeViskosität V der Flüssigkeit so aufeinander abgestimmtbzw. gewählt werden, dass für die Reynolds-Zahl Re = v * 1 / v gilt: 10 ^ Re ^ 10000, vorzugsweise 50 < Re ^ 2500,besonders bevorzugt 70 < Re < 2400.
19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurchgekennzeichnet, dass die Breite (1) desAustrittsquerschnitts (4) variiert wird, um einenmittleren Durchmesser der Tröpfchen (12) zu variieren.
20. 20. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche1 bis 13 zur Sprühtrocknung, wobei mittels der VorrichtungTröpfchen (12) einer Suspension oder homogenen Lösungerzeugt werden, welche Tröpfchen (12) wiederumvorzugsweise mit Heißluft getrocknet werden, um ein Pulvereines in der Suspension suspendierten oder in der Lösunggelösten Stoffes herzustellen.
21. 21. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stoff um ein Lebensmittel handelt.
22. 22. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stoff um eine Chemikalie handelt.