CH664909A5 - Ultraschall-fluessigkeitszerstaeuber. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Flüssig-keitszerstäuber, mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, das mechanisch mit einem Anplitudentransformator (auch als «Horn» oder «Rüssel» bezeichnet) gekoppelt ist, und mit einem am freien Ende des Amplitudentransformators angeordneten Zerstäuberteller.
Piezoelektrische Ultraschallschwinger zur Flüssigkeitszerstäubung sind bekannt. Zum Stand der Technik wird beispielsweise verwiesen auf die Zeitschrift «Technische Informationen für die Industrie», November 1978, herausgegeben von der Firma VALVO, Hamburg. Ultraschall-Flüssigkeits-zerstäuber der in Rede stehenden Art bestehen aus einem piezoelektrischen Wandlerelement, welches, bei einer üblichen Ausführungsform, mechanisch fest mit einem Amplitudentransformator (sog. Horn) gekoppelt ist. Im Wandlerelement erfolgt die Umformung von elektrischer in mechanische Energie, während mit dem «Horn» eine Vergrösserung der Amplituden erzielt wird. Um möglichst grosse Amplituden zu erhalten, ist es ausserdem erforderlich, dass der Zerstäuber in der Nähe seiner Serienresonanz schwingt.
Weitere Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber der eingangs bezeichneten Art sind durch die US-PS 3 400 892 und die DE-PS'n 2 831 553 und 2 137 083 bekannt geworden.
Die bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber arbeiten mit Amplitudentransformatoren, deren Längen mindestens X/4 (z.B. US-PS 3 400 892) bis ein ganzzahliges Vielfaches von X/4 (DE-PS'n 2 831 553 und 2 137 083) betragen. Hierbei bedeutet X/4 die Wellenlänge der Longitudinal-Schwingung in einem zylindrischen Amplitudentransformator (Rüssel).
Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber nach dem bisherigen Stand der Technik haben sich insbesondere hinsichtlich folgender Punkte als unbefriedigend erwiesen.
a) Sie weisen aufgrund von auftretenden Kerbspannungen zu geringe Standzeiten auf. Das Problem liegt hierbei in einer geeigneten Dimensionierung des Ultraschall-Flüssig-keitszerstäubers.
b) Die bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber weisen einen zu geringen spezifischen Flüssigkeitsdurchsatz auf. Hierbei liegt die Problematik in der Tatsache, dass der gesamte Amplitudentransformator schwingt und kein Biegeelement mit nach aussen zunehmender Biegeamplitude ist. Aufgrund dessen waren bisher vergleichsweise grosse Schwinger erforderlich.
c) Die bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber sind durch Spratzerbildung aufgrund von Kavitation gekennzeichnet. Problematisch sind hier die grossen Amplituden des als Stufenrüssel ausgebildeten Amplitudentransforma-tors im Bereich der Flüssigkeitszuführung. Hierdurch werden die nachteiligen Spratzer verursacht.
Nach dem im vorstehenden Gesagten sollten demnach Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber in erster Linie folgende Anforderungen erfüllen:
1. Sie sollten lange Standzeiten aufweisen.
2. Spezifische Flüssigkeitsdurchsätze sollten erzielbar sein.
3. Kavitationsfreiheit sollte gegeben sein.
Um einen möglichst grossen und vielseitigen Anwendungsbereich der in Rede stehenden Ultraschall-Flüssig-keitszerstäuber zu gewährleisten, sollten die im vorstehenden genannten Eigenschaften nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch noch bei sehr hohen Temperaturen, wie sie z.B. für Ölbrenner charakteristisch sind, gegeben sein.
Die auf dem Markt befindlichen bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber erfüllen die vorerwähnten Voraussetzungen nicht oder nur unbefriedigend. Bei bekannten Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubern (vgl. hierzu die eingangs genannte Literaturstelle) sind zwar gute Schwingeigenschaften vorhanden, jedoch wird dies offenbar mit indiskutabel kurzen Standzeiten erkauft (Auftreten von Biegebrüchen). Ein entsprechender Stand der Technik ist auch aus der DE-AS 2 904 861 entnehmbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber zu schaffen, der nicht nur gute Schwingungseigenschaften besitzt, sondern darüber hinaus auch die erforderlichen langen Standzeiten erreicht.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber der eingangs bezeichneten Gattung gekennzeichnet durch eine derartige Abstimmung von Zerstäuberteller und Amplitudentransformator aufeinander, dass das Schwingungssystem Zerstäuberteller-Amplitudentransformator dieselbe Resonanzfrequenz wie das Wandlerelement, vorzugsweise ca. 60 kHz, aufweist, und ferner dadurch, dass die Querschnittsübergänge zwischen Wandlerelement und Amplitudentransformator einerseits und zwischen Amplitudentransformator und Zerstäuberteller andererseits kerb-spannungsarm ausgebildet sind.
Hervorragende Ergebnisse können dann erzielt werden, wenn der Amplitudentransformator, einschliesslich Zerstäuberteller, eine Länge von mindestens '/io bis höchstens 9/io der Wellenlänge (x/4) seiner Longitudinal-Schwingung aufweist.
Eine wesentliche Eigenschaft des erfindungsgemässen Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubers besteht darin, dass der Zerstäuberteller Biegeschwingungen ohne Knotenkreis bzw. -kreise ausführt, und zwar dergestalt, dass die Schwingungsamplitude zum Tellerrand hin stark zunimmt, in der Mitte aber einen bestimmten Mindestbetrag aufweist. Die Min-destgrösse der Schwingungsamplitude in der Tellermitte ist dann gegeben, wenn die Flüssigkeit zwar anhaftet, aber noch keine Zerstäubung stattfindet. Aufgrund dieser durch die Erfindung erzielten vorteilhaften Eigenschaften wird die Sprat-zerbildung im Zuführungsbereich des Zerstäubertellers vermieden und trotzdem eine gute Verteilung der Flüssigkeit über die gesamte Oberfläche desselben erreicht.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Grundgedankens der Erfindung lässt sich die angestrebte kerbspannungsarme Ausbildung des Schwingungssystems Amplitudentransfor-mator-Zerstäuberteller optimal dadurch praktisch verwirklichen, dass die Querschnittsübergänge zwischen Wandlerelement und Amplitudentransformator einerseits und zwischen Amplitudentransformator und Zerstäuberteller andererseits vergleichsweise, d.h. relativ zum Durchmesser von Amplitudentransformator bzw. Zerstäuberteller, grosse Radien aufweisen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können ferner den abhängigen Ansprüchen sowie — anhand eines Ausführungsbeispiels — der Zeichnung und der nachstehenden Zeichnungsbeschreibung entnommen werden. Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform eines Ultraschall-Flüssig-keitszerstäubers im Längsschnitt bzw. in Seitenansich (jeweils hälftig).
Es bezeichnet 10 ein piezoelektrisches Wandlerteil, welches zur Umformung von elektrischer in mechanische Schwingungsenergie dient. Das piezoelektrische Wandlerteil besteht aus zwei Keramikscheiben. Zwischen den beiden Keramikscheiben 10 des piezoelektrischen Wandlerteils liegt eine mit 21 bezeichnete Elektrode, die einen (in der Zeichnung nicht gezeigten) elektrischen Anschluss nach aussen erhält. Die eine zylindrische Axialausnehmung 22 aufweisenden piezoelektrischen Scheiben 10,21 sitzen konzentrisch auf einem Zapfenteil 23, welches an seinem oberen freien Ende ein Gewinde 24 besitzt. Nach unten hin verbreitert sich das Zapfenteil 23 absatzartig zu einem Wandlerelement 12. welches als unterer axialer Anschlag für die drei piezoelektrischen Scheiben 10,21 dient. An der oberen Seite erfolgt die axiale Fixierung der piezoelektrischen Scheiben 10, 21 durch eine Mutter 11, die auf das Gewinde 24 aufgeschraubt ist.
Wie weiterhin aus der Zeichnung hervorgeht, besitzt das Wandlerelement 12 eine seitliche Anschlussbohrung 13, die der Zuführung der zu zerstäubenden Flüssigkeit in eine Axialbohrung 14 in einem Amplitudentransformator 15 dient.
Die in der Zeichnung gezeigte Art der Flüssigkeitszuführung stellt aber nur ein Ausführungsbeispiel dar. Weitere Möglichkeiten, die Flüssigkeit der zentralen Bohrung 14 des Amplitudentransformators 15 zuzuführen, sind denkbar. So ist z.B. auch eine axiale Flüssigkeitszuführung möglich.
Ebenso gibt es die verschiedensten (hier im einzelnen nicht gezeigten) Möglichkeiten, den aus der Zeichnung ersichtlichen Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber zu haltern. So ist es z. B. möglich, den Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber an eine geeignete Haltevorrichtung anzuflanschen.
Die Zeichnung macht weiterhin deutlich, dass der Amplitudentransformator 15 einstückig mit den Teilen 12,23 und 24 verbunden ist. Der Amplitudentransformator 15 geht an seinem Ende — ebenfalls einstückig — in einen Zerstäuberteller 16 über. Die Teile 15,16 werden von der bereits erwähnten Bohrung 14 mittig axial durchsetzt. Die zu zerstäubende Flüssigkeit wird auf die mit 17 bezifferte Oberfläche des Zerstäubertellers 16 gefördert, wo aufgrund der hochfrequenten Schwingungen des Zerstäubertellers 16 eine feine Zerstäubung der Flüssigkeit erfolgt.
Die Zeichnung lässt weiterhin erkennen, dass die Querschnittsübergänge 18 bzw. 19 zwischen Wandlerelement 12 und Amplitudentransformator 15 einerseits und zwischen Amplitudentransformator 15 und Zerstäuberteller 16 andererseits vergleichsweise grosse Radien von 2 mm (Übergang 18) bzw. 1,5 mm (Übergang 19) aufweisen.
Durch die grossen Radien von 2,0 bzw. 1,5 mm ist eine kerbspannungsarme Ausbildung der Querschnittsübergänge 18 und 19 gewährleistet. Hierdurch werden Biegebrüche vermieden und somit entsprechend lange Standzeiten erzielt.
Die in der Zeichnung mit L bezeichnete wirksame Länge des Schwingungssystems Amplitudentransformator 15/Zer-stäuberteller 16 beträgt '/io bis 9/io der Wellenlänge XU der Longitudinal-Schwingung in einem zylindrischen Amplitudentransformator. Die Länge L beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 16 mm. Der Amplitudentransformator 15 weist hierbei einen Durchmesser Da von 6 mm auf. Der Zerstäuberteller 16 besitzt einen Gesamtdurchmesser Dz von 12 mm. Auch beim Übergang 20 der Flüssigkeitsbohrung 14 in die Oberfläche 17 des Zerstäubertellers 16 ist ein vergleichsweise grosser Übergangsradius vorgesehen. Ausgehend von einem beispielsweisen Durchmesser d der Flüssig-keitszuführungsbohrung 14 kann der Übergangsradius 20 z.B. 1,5 mm betragen, so dass sich auf der Oberfläche 17 des Zerstäubertellers 16 ein Enddurchmesser der Flüssigkeitsbohrung 14 von 3 mm ergeben kann.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1,5 mm besitzt.
1. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber, mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, das mechanisch mit einem Amplitudentransformator gekoppelt ist, und mit einem am freien Ende des Amplitudentransformators angeordneten Zerstäuberteller, gekennzeichnet durch eine derartige Abstimmung von Zerstäuberteller (16) und Amplitudentransformator (15) aufeinander, dass das Schwingungssystem Zerstäuberteller-Amplitudentransformator (16,15) dieselbe Resonanzfrequenz wie das Wandlerelement (12) aufweist, und ferner dadurch, dass die Querschnittsübergänge (18 bzw. 19) zwischen Wandlerelement (12) und Amplitudentransformator (15) einerseits und zwischen Ampli» tudentransformator (15) und Zerstäuberteller (16) andererseits kerbspannungsarm ausgebildet sind.
2. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplitudentransformator
(15), einschliesslich Zerstäuberteller (16), eine Länge (L) von mindestens '/io bis höchstens 9/io der Wellenlänge (X,/4) seiner Longitudinal-Schwingung aufweist.
3. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsübergänge (18 bzw. 19) zwischen Wandlerelement (12) und Amplitudentransformator (15) einerseits und zwischen Amplitudentransformator (15) und Zerstäuberteller (16) andererseits vergleichsweise, d.h. relativ zum Durchmesser von Amplitudentransformator bzw. Zerstäuberteller, grosse Radien aufweisen.
4. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsübergang (18) zwischen Wandlerelement (12) und Amplitudentransformator (15) einen Radius von 2 mm oder im wesentlichen 2 mm und der Querschnittsübergang (19) zwischen Amplitudentransformator 15 und Zerstäuberteller 16 einen Radius von 1,5 mm oder im wesentlichen
5. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungssystem Amplitudentransformator-Zerstäuberteller (16, 15) bei Durchmessern des Amplitudentransformators (15) von 6 mm und des Zerstäubertellers (16) von
12 mm und einer Dicke des Zerstäubertellers von etwa 1 mm eine Länge (L) von etwa 16 mm aufweist.
6. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplitudentransformator (15) mit axial durchsetzender Flüssigkeitszuführungsbohrung (14) mit einem zwischen Aussenradius (19) und Oberfläche (17) stetig abnehmenden Querschnitt mittels Übergangsradien in den Zerstäuberteller
(16) übergeht.
7. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes (12) etwa 60 kHz beträgt.
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