DE10013450B4

DE10013450B4 - Device for producing monodisperse drops

Info

Publication number: DE10013450B4
Application number: DE2000113450
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Wiedemann; Vitus Dr. Dorfner; Günter Dr. Brann; Franz Prof. Dr. Dr. Durst
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: DE10013450A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten, mit einem Schwingungserzeuger (6), der auf die in einem Zufuhrkanal (1, 1') in einem Gehäuse (2, 2') enthaltene Flüssigkeit einwirkt, mit einer den Zufuhrkanal (1, 1') abschließenden, mindestens eine Düsenöffnung (4) aufweisende Düsenwand (5), wobei der Schwingungserzeuger (6) einen piezoelektrischen Schwingungsaktuator (7) aufweist und der piezoelektrische Schwingungsaktuator (7) im Abstand zum Zufuhrkanal (1, 1') angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Schwingungsaktuator (7) mit dem Gehäuse (2, 2') des Zufuhrkanals (1, 1') über ein im Wesentlichen starres Schwingungsübertragungsglied (9, 10) verbunden ist, dessen Längsachse sich quer zur Schwingungsrichtung des angekoppelten piezoelektrischen Schwingungsaktuators (7) erstreckt.contraption for producing monodisperse drops of liquids, with a vibrator (6) which is adapted to be in a supply channel (1, 1 ') in a housing (2, 2 ') contained liquid acts, with a supply channel (1, 1 ') final, at least one nozzle opening (4) having nozzle wall (5), wherein the vibration generator (6) comprises a piezoelectric vibration actuator (7) and the piezoelectric vibration actuator (7) in Distance from the supply channel (1, 1 ') is arranged, characterized in that the piezoelectric vibration actuator (7) is connected to the housing (2, 2 ') of the supply channel (1, 1') via a substantially rigid vibration transmission member (9, 10) is connected, its longitudinal axis transverse to the direction of vibration of the coupled piezoelectric Vibration actuator (7) extends.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten mit einem Schwingungserzeuger, der auf die in einem Zufuhrkanal in einem Gehäuse enthaltene Flüssigkeit einwirkt, mit einer den Zufuhrkanal abschließenden, mindestens eine Düsenöffnung aufweisende Düsenwand, wobei der Schwingungserzeuger einen piezoelektrischen Schwingungsaktuator aufweist und der piezoelektrische Schwingungsaktuator im Abstand zum Zufuhrkanal angeordnet ist.The The invention relates to a device for generating monodisperse Drops of liquids with a vibrator, which in a feed channel in a casing contained liquid acting, with a supply channel final, at least one nozzle opening having Nozzle wall, wherein the vibrator is a piezoelectric vibration actuator and the piezoelectric vibration actuator at a distance is arranged to the supply channel.

Derartige Vorrichtungen dienen dazu, monodisperse Tropfen und Sprays mit genau einstellbarem Tropfendurchmesser herzustellen. Die Monodispersität der Tropfen und Sprays ist durch die VDI-Richtlinie 3491 definiert. Monodisperse Sprays sind erforderlich, wenn sowohl das dynamische Verhalten der Spraytropfen als auch ihr Wärme- und Stoffaustauschverhalten genau bestimmbar sein sollen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für eine Optimierung von Geräten und Anlagen, in denen Tropfen und aus Tropfen bestehende Sprays zum Einsatz kommen, beispielsweise Sprühtrocknungsanlagen und Feuerungen.such Devices serve to monodisperse drops and sprays with accurate adjustable drop diameter produce. The monodispersity of the drops and Sprays is defined by the VDI Guideline 3491. monodisperse Sprays are required when both the dynamic behavior of the Spray drops as well as their heat and mass transfer behavior should be accurately determined. This is an important requirement for an optimization of devices and plants containing drops and drops of sprays are used, for example spray drying systems and furnaces.

Bei einer bekannten Vorrichtung ( DE 39 12 524 A1 ) ist der einen piezoelektrischen Schwingungsaktuator enthaltende Schwingungserzeuger unmittelbar im Gehäuse des Zufuhrkanals angeordnet. Wenn die Temperatur der zu zerstäubenden Flüssigkeit hoch ist, wird dadurch auch der piezoelektrische Schwingungsaktuator erwärmt. Beim Überschreiten des Curie-Punktes (etwa bei 300–350°C) geht der piezoelektrische Effekt verloren. Dadurch ist die Anwendbarkeit der bekannten Vorrichtung und aller ähnlich aufgebauter bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung monodisperser Tropfen eingeschränkt, weil ein Einsatz bei Flüssigkeiten hoher Temperatur, beispielsweise bei Metallschmelzen, nicht möglich ist.In a known device ( DE 39 12 524 A1 ), the vibration generator containing a piezoelectric vibration actuator is arranged directly in the housing of the supply channel. When the temperature of the liquid to be atomized is high, it also heats the piezoelectric vibration actuator. When exceeding the Curie point (about 300-350 ° C), the piezoelectric effect is lost. As a result, the applicability of the known device and all similarly constructed known devices for generating monodisperse drops is limited, because use in liquids of high temperature, for example in metal melts, is not possible.

Aus DE 25 43 635 B2 ist ein Flüssigkeitszerstäuber mit einem Ultraschallwandler und einem mechanischen Schwingungsverstärker bekannt, wobei die Flüssigkeit von einem zu Resonanzschwingungen angeregten, hohlzylindrischen Ultraschallvibrationsteil aus radial versprüht wird. Die anregende Schwingungserzeugung muss dabei auf die Abmessungen des hohlzylindrischen Ultraschall-Vibrationsteils abgestimmt sein. Es wird ein weitgehend ungerichtetes polydispersives Spray erzeugt. Monodispersive Tröpfchen mit bestimmbarem dynamischen Verhalten, Wärme- und Stoffaustauschverhalten können nicht erzeugt werden.Out DE 25 43 635 B2 a liquid atomizer with an ultrasonic transducer and a mechanical vibration amplifier is known, wherein the liquid is radially sprayed by a resonant vibrations excited, hollow cylindrical ultrasonic vibration member from. The stimulating vibration generation must be matched to the dimensions of the hollow cylindrical ultrasonic vibration part. It is produced a largely undirected polydispersive spray. Monodispersive droplets with determinable dynamic behavior, heat and mass transfer behavior can not be generated.

Die Patentschrift DE 718 744 C zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung und Verarbeitung von Dispersionen, Emulsionen und Suspensionen. Ein in einem Behälter angeordneter, flüssigkeitsdurchströmter Schwingkörper weist eine Wasserkühlung auf, mittels deren die Temperatur des Schwingkörpers im unteren Bereich kontrollierbar ist.The patent DE 718 744 C shows an apparatus for the preparation and processing of dispersions, emulsions and suspensions. An arranged in a container, liquid-flowed oscillating body has a water cooling, by means of which the temperature of the vibrating body in the lower region is controllable.

Die Offenlegungsschrift DE 35 01 077 A1 zeigt eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung mit einem Stapel ringförmiger piezoelektrischer Kristalle, die über isolierende Körper mit einem Schwingstempel verbunden sind. Der piezoelektrische Antrieb ist von dem Zufuhrkanal, dem Vorratsraum und dem Düsenkörper durch eine Membran getrennt. Der als Schwingungsübertragungsglied wirkende Schwingstempel ist parallel zur Richtung der Auslenkung der piezoelektrischen Kristalle ausgerichtet.The publication DE 35 01 077 A1 shows a device of the aforementioned type with a stack of annular piezoelectric crystals, which are connected via insulating body with a vibrating punch. The piezoelectric drive is separated from the supply channel, the reservoir and the nozzle body by a membrane. The vibrating punch acting as a vibration transmitting member is aligned parallel to the direction of deflection of the piezoelectric crystals.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass sie einfach und kostengünstig herstellbar ist und einen störungsfreien Betrieb gewährleistet, wobei deren Verwendung auch bei Flüssigkeiten hoher Temperaturen, und zwar insbesondere auch im Frequenzbereich von 5–300 kHz, möglich sein soll.task The invention is therefore an apparatus of the aforementioned Form genus so that they can be produced easily and inexpensively is and a trouble-free Ensures operation, the use of which also applies to liquids of high temperatures, and in particular in the frequency range of 5-300 kHz, possible should be.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der piezoelektrische Schwingungsaktuator mit dem Gehäuse des Zufuhrkanals über ein im Wesentlichen starres Schwingungsübertragungsglied verbunden ist, dessen Längsachse sich quer zur Schwingungsrichtung des angekoppelten piezoelektrischen Schwingungsaktuators erstreckt.These Task is inventively characterized solved, that the piezoelectric vibration actuator with the housing of the supply channel via a connected essentially rigid vibration transmission member is, whose longitudinal axis is transverse to the direction of vibration of the coupled piezoelectric Vibration actuator extends.

Durch das Schwingungsübertragungsglied werden die vom piezoelektrischen Schwingungsaktuator erzeugten Schwingungen auf das Gehäuse übertragen; die Wärmeübertragung vom Gehäuse auf den piezoelektrischen Schwingungsaktuator ist aber allein schon durch den räumlichen Abstand und darüber hinaus durch die Länge des Schwingungsübertragungsgliedes entscheidend verringert, so dass auch Flüssigkeiten verarbeitet werden können, deren Temperatur, die sich auf das Gehäuse überträgt, höher als der Curie-Punkt des piezoelektrischen Schwingungsaktuators liegt. Erst dadurch ist es möglich, beispielsweise auch Metallschmelzen zu verarbeiten.By become the vibration transmission member the vibrations generated by the piezoelectric vibration actuator transferred to the housing; the heat transfer from the housing but the piezoelectric Schwingungsaktuator is already alone through the spatial Distance and above out through the length the vibration transmission member significantly reduced, so that even liquids are processed can, their temperature, which is transmitted to the housing, higher than the Curie point of the piezoelectric vibration actuator is located. Only then is it possible, For example, to process molten metal.

Die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit, den Ort der Anordnung des piezoelektrischen Schwingungsaktuators bezüglich des Gehäuses weitgehend frei zu wählen, ermöglicht eine sehr flexible Anpassung an unterschiedliche Anforderungen des Tropfen- oder Sprayerzeugungsprozesses. Insbesondere können die durch den Piezoeffekt gegebenen thermischen Anforderungen erfüllt werden, weil der piezoelektrische Schwingungsaktuator vor Überhitzung geschützt wird.The possibility afforded by the invention of choosing the location of the arrangement of the piezoelectric vibration actuator largely freely with respect to the housing allows a very flexible adaptation to different requirements of the droplet or spray generation process. in the In particular, given by the piezo effect thermal requirements can be met, because the piezoelectric Schwingungsaktuator is protected from overheating.

Es hat sich gezeigt, dass auch Biegeschwingungen ohne wesentlichen Energieverlust über verhältnismäßig große Entfernungen übertragen und in Form von Biegekräften in das Gehäuse des Zufuhrkanals eingeleitet werden können, um die zur Tropfenbildung erforderlichen Druckschwingungen im Zufuhrkanal zu erzeugen.It has been shown that even bending vibrations without substantial Energy loss over transmit relatively large distances and in the form of bending forces in the case of the feed channel can be introduced to the dripping to generate required pressure oscillations in the supply channel.

Vorzugsweise besteht das Schwingungsübertragungsglied aus einem schlecht wärmeleitenden Material; so dass auch die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung stark herabgesetzt ist.Preferably there is the vibration transmission member from a bad heat-conducting Material; so that also the heat transfer through heat conduction is greatly reduced.

Eine weitere Verringerung der Wärmeübertragung zwischen dem durch die Flüssigkeit aufgeheizten Gehäuse und dem piezoelektrischen Schwingungsaktuator kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht werden, dass zwischen dem Gehäuse des Zufuhrkanals und dem piezoelektrischen Schwingungsaktuator eine auf das Schwingungsübertragungsglied wirkende Kühleinrichtung und/oder eine Wärmeabschirmung angeordnet ist.A further reduction of heat transfer between through the liquid heated housing and the piezoelectric Schwingungsaktuator can in a further embodiment be achieved by the fact that between the housing of the Feed channel and the piezoelectric Schwingungsaktuator a on the vibration transmission member acting cooling device and / or a heat shield is arranged.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the inventive concept are the subject further dependent claims.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung jeweils stark vereinfacht dargestellt sind. Es zeigt:following Be exemplary embodiments of Invention closer explains which are each shown greatly simplified in the drawing. It shows:

1 eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator, der über einen Biegebalken als Schwingungsübertragungsglied angekoppelt ist und 1 a device for generating monodisperse drops with a piezoelectric vibration actuator, which is coupled via a bending beam as a vibration transmission member and

2 eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen, bei der ein piezoelektrischer Schwingungsaktuator über ein angekoppeltes Schwingungsübertragungsglied mit mehreren Gehäusen von Zufuhrkanälen verbunden ist. 2 a device for generating monodisperse drops, in which a piezoelectric vibration actuator is connected via a coupled vibration transmission member with a plurality of housings of supply channels.

Die in 1 stark vereinfacht dargestellte Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen weist einen Zufuhrkanal 1 in einem beispielsweise rohrförmigen Gehäuse 2 auf. Dem Zufuhrkanal 1 wird die zu zerstäubende Flüssigkeit über einen Anschluss 3 mit Druck zugeführt. Die Flüssigkeit tritt am entgegengesetzten Ende des Gehäuses 2 durch eine Düsenöffnung 4 einer Düsenwand 5 aus.In the 1 greatly simplified device for generating monodisperse drops has a supply channel 1 in a tubular housing, for example 2 on. The feed channel 1 is the liquid to be atomized through a port 3 supplied with pressure. The liquid enters at the opposite end of the housing 2 through a nozzle opening 4 a nozzle wall 5 out.

Die zur Tröpfchenbildung erforderlichen Druckschwingungen der Flüssigkeit im Zufuhrkanal 1 werden durch einen Schwingungserzeuger 6 erzeugt. Dieser weist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen als Stab ausgebildeten piezoelektrischen Schwingungsaktuator 7 auf, der durch einen elektrischen Signalgenerator 8 zu Längenänderungen in Stablängsrichtung angeregt wird. Der piezoelektrische Schwingungsaktuator 7 ist über einen als Schwingungsübertragungsglied wirkenden Biegebalken 9 mit dem Gehäuse 2 verbunden. Der Biegebalken 9 greift an seinem einen Ende biegesteif am Gehäuse 2 an. Am anderen Ende des Biegebalkens 9 ist der piezoelektrische Schwingungsaktuator so angekoppelt, dass sich die Längsachse des Biegebalkens 9 quer zur Schwingungsrichtung des angekoppelten piezoelektrischen Schwingungsaktuators 7 erstreckt. Die Vorrichtung ist insbesondere für den Einsatz im Frequenzbereich von 5–300 kHz geeignet.The pressure oscillations of the liquid in the feed channel required for droplet formation 1 be through a vibrator 6 generated. This points at the in 1 illustrated embodiment designed as a rod piezoelectric vibration actuator 7 on, by an electric signal generator 8th is stimulated to length changes in rod longitudinal direction. The piezoelectric vibration actuator 7 is via a bending beam acting as a vibration transmission member 9 with the housing 2 connected. The bending beam 9 grips rigidly on the housing at one end 2 at. At the other end of the bending beam 9 the piezoelectric vibration actuator is coupled so that the longitudinal axis of the bending beam 9 transverse to the direction of vibration of the coupled piezoelectric Schwingungsaktuators 7 extends. The device is particularly suitable for use in the frequency range of 5-300 kHz.

Alle diese Maßnahmen bewirken zusammen mit der räumlichen Trennung des piezoelektrischen Schwingungsaktuators vom Gehäuse 2, dass auch bei verhältnismäßig starker Erhitzung des Gehäuses 2, beispielsweise durch eine Metallschmelze hoher Temperatur, keine störende Erwärmung des piezoelektrischen Schwingungsaktuators 7 eintritt und insbesondere der Curie-Punkt des verwendeten Piezomaterials nicht überschritten wird.All these measures, together with the physical separation of the piezoelectric Schwingungsaktuators effect of the housing 2 that even with relatively high heating of the housing 2 , For example, by a molten metal high temperature, no disturbing heating of the piezoelectric Schwingungsaktuators 7 occurs and in particular the Curie point of the piezomaterial used is not exceeded.

Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel greift der das Schwingungsübertragungsglied bildende Biegebalken 10 an seinen beiden Enden biegesteif an zwei Gehäusen 2, 2' von Zufuhrkanälen 1, 1' an. Der piezoelektrische Schwingungsaktuator 7, der hier entsprechend dem Beispiel nach 1 stabförmig ausgebildet ist und Längsschwingungen erzeugt, ist im mittleren Bereich des Biegebalkens 10 angekoppelt.At the in 2 illustrated embodiment engages the vibration transmitting member forming bending beam 10 at its two ends rigid on two housings 2 . 2 ' of supply channels 1 . 1' at. The piezoelectric vibration actuator 7 who according to the example here 1 is rod-shaped and generates longitudinal vibrations is in the central region of the bending beam 10 coupled.

Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass nicht nur die Schwingungsübertragungsglieder, sondern auch die zugeordneten Verbindungen (Schweißnähte, Verschraubungen usw.) als Übertragungseinheit jeweils einen E-Modul aufweisen, wie er metallischen oder keramischen Bauteilen eigen ist.all embodiments is common that not only the vibration transmission links, but also the assigned connections (weld seams, screw connections etc.) as a transmission unit each have a modulus of elasticity, such as metallic or ceramic Components is intrinsic.

Claims

Apparatus for producing monodisperse drops of liquids, comprising a vibrator ( 6 ), which are located in a feed channel ( 1 . 1' ) in a housing ( 2 . 2 ' ), with one of the feed channels ( 1 . 1' ), at least one nozzle opening ( 4 ) having nozzle wall ( 5 ), the vibrator ( 6 ) a piezoelectric vibration actuator ( 7 ) and the piezoelectric vibration actuator ( 7 ) at a distance to the feed channel ( 1 . 1' ) angeord is net, characterized in that the piezoelectric Schwingungsaktuator ( 7 ) with the housing ( 2 . 2 ' ) of the feed channel ( 1 . 1' ) via a substantially rigid vibration transmission member ( 9 . 10 ) whose longitudinal axis is transverse to the direction of vibration of the coupled piezoelectric Schwingungsaktuators ( 7 ).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the vibration transmission member ( 9 . 10 ) consists of a poorly heat-conducting material.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the vibration transmission member on a housing ( 2 . 2 ' ) of the feed channel ( 1 . 1' ) bending-resistant bending beam ( 9 . 10 ).

Apparatus according to claim 1, characterized in that on the piezoelectric Schwingungsaktuator ( 7 ) coupled vibration transmission member ( 10 ) with several housings ( 2 . 2 ' ) of feed channels ( 1 . 1' ) connected is.

Apparatus according to claim 3, characterized in that the bending beam ( 10 ) at its two ends rigidly on two housings ( 2 . 2 ' ) of feed channels ( 1 . 1' ) and the piezoelectric vibration actuator ( 7 ) in the middle region of the bending beam ( 10 ) is coupled.

Device according to one of claims 1-5, characterized in that between the housing ( 2 . 2 ' ) of the feed channel ( 1 . 1' ) and the piezoelectric vibration actuator ( 7 ) one on the vibration transmission member ( 9 . 10 ) acting cooling device and / or a heat shield is arranged.