DE3112882C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Erzeugen eines selektiv bemessenen Dampfstroms.

Dampfströme werden derzeit bei einer Reihe industrieller An­ wendungsfälle erzeugt und verwendet. Beispielsweise werden bei der Herstellung von Vorformlingen, aus denen dann optische Fasern gezogen werden, Dämpfe aus Materialien wie SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ und BBr₃ erzeugt und einer Vorformlinganordnung zu­ geführt, wo sie zur Reaktion gebracht und auf der Wandung einer Unterlage niedergeschlagen werden.

Dampfströme werden auch bei Verbrennungsmotoren, beispielsweise für den Fahrzeugantrieb, erzeugt und verwendet. Hierbei wird ein Dampfstrom gewöhnlich entweder durch Vergasungs- oder Brennstoffeinspritzsysteme erzeugt.

Ein seit langem bestehendes Problem und eine üblicherweise den bekannten Verfahren zum Erzeugen von Dampfströmen zugeordnete Beschränkung liegen in der genauen und schnellen Steuerung des Massenströmungsdurchsatzes des innerhalb des Dampfstroms vor­ handenen Dampfes. Es besteht daher ein Bedürfnis nach Mitteln zum Erzeugen von selektiv bemessenen Dampfströmen mit vergrößerter Steuerungsge­ schwindigkeit und Genauigkeit auf den verschiedensten An­ wendungsgebieten. Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, ein solches "flinkes" System bereitzustellen.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe für ein Verfahren zum Er­ zeugen eines selektiv bemessenen Dampfstromes mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und für eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 5 gelöst.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Strahl elektro­ statisch aufladbarer flüssiger Partikel erzeugt, der zum selek­ tiven Zumessen einiger der flüssigen Partikel in einen Verdampfer, wo die Partikel verdampft werden, elektrostatisch gesteuert wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden alle selektiv zugemessenen Partikel in einen Trägergasstrom injiziert, wo die Partikel verdampft werden. Entsprechend einer noch wei­ teren Ausführungsform der Erfindung wird der Strom aus elektro­ statisch aufladbaren Flüssigkeitströpfchen in einen Trägergas­ strom eingeführt, es wird aber nur ausgewählten Tröpfchen- Mengen verstattet, in dem Strom lange genug, um verdampft zu werden, zu verbleiben.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrie­ ben, die schematisch eine Apparatur zum Erzeugen eines Dampf­ stroms darstellt.

Die dargestellte Apparatur enthält einen üblichen stoßfreien Tintenstrahlerzeuger, der allgemein mit 10 bezeichnet ist. Der Strahlerzeuger besitzt einen Ultraschalltropfenerzeuger 12, einen Aufladetunnel 14 und ein Ablenkplattenpaar 16, 16′. Hinsichtlich einer detaillierten Erläuterung des Strahl­ generators und dessen Wirkungsweise sei verwiesen auf den Artikel "Ink-Jet Printing" von Kuhn und Myers im Aprilheft 1979 der Zeitschrift Scientific American.

Der Ultraschalltropfenerzeuger 12, der Aufladetunnel 14 und die Ab­ lenkplatte 16 sind je mit einer Steuerelektronik verbunden, während die Ablenkplatte 16′ elektrisch geerdet ist. Der Strahl­ generator 10 liegt benachbart zu einer Leitung 18 mit einer seit­ lichen Öffnung 20, die zu dem Strahlgenerator 10 ausgerichtet ist. Ein Trichter 22 befindet sich hinter und etwas oberhalb von Leitung 18 und Öffnung 20. Ein Abflußrohr 24 verläuft vom Trich­ ter 22 nach unten und zum Ultraschalltropfengenerator 12 über eine nicht dargestellte Pumpeinrichtung zurück. Der Strahl­ generator 10 befindet sich innerhalb eines Gehäuses, das von der Leitung 18 durchsetzt ist.

Ein erster Anwendungsfall ist die Verwendung der Apparatur zum Erzeugen eines Dampfstroms, wie dieser bei der Herstellung einer Vorform für optische Fasern benutzt wird. In diesem Fall wird der Ultraschalltropfengenerator 12, statt mit Tinte ge­ füllt zu sein, wenn er als Drucker benutzt würde, mit einer dielektrischen Flüssigkeit (d. h. einer solchen, die elektro­ statisch aufgeladen werden kann), wie SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ oder BBr₃ gefüllt. Vorzugsweise hat die dielektrische Flüssigkeit eine Viskosität kleiner als 0,1 Pa s für wirksame Tröpfchenerzeugung. Im Falle eines Verbrennungsmotors würde statt dessen flüssiger Brennstoff, wie Benzin, Äthylalkohol oder Methylalkohol dem Ultraschalltropfengenerator 12 zugeführt. Ein Trägergas, wie Sauerstoff, Helium oder Argon, das eine we­ sentlich niedrigere Verflüssigungstemperatur als die Siede­ temperatur der dielektrischen Flüssigkeit hat, wird dann durch die Leitung 18 für den Aufbau der Vorform hindurchgeschickt. Im Verbrennungsmotor-Falle würde statt dessen Luft, die aus Sauerstoff und Stickstoff besteht, durch die Leitung 18 hindurch­ geschickt. Da der Strahlgenerator 10 in einen toten Raum um die Öffnung 20 eingeschlossen ist, wird sich der tote Raum eben­ falls mit dem Trägergas füllen. Sodann wird ein Tröpfchen-Strahl oder eine Tröpfchenströmung vom Ultraschalltropfenerzeuger 12 erzeugt und zur Öffnung 20 hin getrieben. Die Tröpfchenstrahl­ erzeugung erfolgt mit ausgewähltem, vorzugsweise konstantem Durchsatz mit Hilfe eines Steuersignals, das über die Leitung 26 zwischen der Steuerelektronik und dem Tropfengenerator 12 übertragen wird. Mit Hilfe der Leitung 27 wird ein konstantes elektrostatisches Potential zwischen den Platten 16 und 16′ erzeugt. Digitalsignale werden durch die Steuerelektronik er­ zeugt und dem Ladetunnel 14 über die Leitung 28 zugeführt. Während des Anstehens einer Spannung am Tunnel 14 werden die gerade durchlaufenden Flüssigkeitströpfchen aufgeladen. In den Intervallen zwischen den digitalen Spannungsimpulsen wer­ den die den Tunnel passierenden Flüssigkeitströpfchen nicht geladen. Da nur einige der Tröpfchen geladen werden, werden auch nur einige Tröpfchen (beim dargestellten Ausführungsbei­ spiel nach oben) abgelenkt, wenn sie das elektrostatische Feld zwischen den Ablenkplatten 16 und 16′ passieren. Bei die­ ser Anordnung werden nur die ungeladenen und unabgelenkten Teile des Strahls oder Tröpfchenzuges, der vom Ultraschall­ tropfengenerator 12 erzeugt wird, in die Leitung 18 über die Öff­ nung 20 eingeführt, wo sie dann verdampfen. Die geladenen Teile des Strahls werden durch die Ablenkplatten 16 und 16′ oberhalb der Leitung 18 in den Trichter 22 gelenkt. Diese Tröpfchen wandern dann unter dem Einfluß der Schwer­ kraft nach unten in die Leitung 24, um zum Tröpfchengenerator 12 zurückgepumpt zu werden.

Das Verhältnis von Dampf zu Trägergas kann stromabwärts inner­ halb der Leitung 18 überwacht werden, so daß Abweichungen von einem gewünschten Verhältnis durch die Steuerelektronik korrigiert werden können. Beispielsweise kann, wenn ein festgestelltes Dampf/Trägergas-Verhältnis, das zur Lieferung eines gewünschten Dampfmassenströmungsdurchsatzes zu einer optischen Faservorform-Aufbaustelle mit einem gegebenen Trä­ gegasströmungsdurchsatz erforderlich ist, von diesem gewünsch­ ten Verhältnis abweicht, ein Korrektursignal zur Steuerelek­ tronik rückgekoppelt werden. Mit Hilfe üblicher Steuerschal­ tungen stellt dann die Steuerelektronik die dem Aufladetunnel zugeführten Digitalsignale ein, worauf ein größerer oder klei­ nerer Teil des Strahls in den Trägergasstrom injiziert wird. Im Verbrennungsmotor-Falle würden solche Steuersignale gewöhn­ lich auf Drossel-Maschinenzyklusänderungen hin erzeugt werden. Ein typischer Strömungsdurchsatz für den Aufbau einer Vorform ist ein Liter Trägergas pro Minute, in das 400 Milligramm Tröpfchen, die pro Minute eingeführt werden und 400 Milligramm Tröpf­ chen pro Minute rezirkuliert werden. Im Verbrennungsmotor-Fall könnten etwa 145 g Brennstoff pro Minute in einen Luftstrom injiziert werden, der mit einem Durchsatz von etwa 2180 g pro Minute strömt.

Da der Totraum um die Öffnung 20 mit Trägergas gefüllt ist, können zu Beginn ein Teil der Tröpfchen innerhalb des Totraums verdampfen. Wenn jedoch dieser Raum mehr und mehr gesättigt wird, wird das meiste des Strahls den Totraum passieren und in die Leitung 18 eintreten, und es wird nur wenig Verlust als Folge einer "Transit"-Verdampfung vorhanden sein. In jedem Fall werden stabile Systembedingungen rasch erreicht.

Zahlreiche Abwandlungen der beschriebenen Apparatur sind mög­ lich. Beispielsweise kann, statt ein Signal zuzuführen, der Ladetunnel 14 mit konstanter Gleichspannung beaufschlagt werden, um alle passierenden flüssigen Partikel aufzuladen. In diesem Fall wird dann ein Digital- oder Analogsignal der Platte 16 zugeführt, um eine Ablenkung ausgewählter Teile des vorbeigehen­ den Tröpfchenstrahls abzulenken. Ferner kann dann auch die Öffnung 20 der Leitung 18 entweder in der Flugbahn der gelade­ nen oder der ungeladenen Partikel oder innerhalb des Weges je­ ner geladener Partikel angeordnet werden, die abgelenkt oder nicht abgelenkt worden sind. Daß die im Trichter 22 gesammelten Tröpfchen rezirkuliert werden, ist ebenfalls nicht immer not­ wendig.

Eine weitere Abwandlung ist die, den gesamten Strahlgenerator 10 in die Leiung 18 einzusetzen, um einen Tröpfchenstrom in­ nerhalb der Trägergasströmung ausreichend lange bis zur Ver­ dampfung aufrechtzuhalten, während andere Tröpfchen des Strahls aus der Trägergasströmung durch eine seitliche Öff­ nung in der Leitung 18 ausgestoßen werden, bevor sie ausreichend Zeit zur Verdampfung gefunden haben. Beim dargestellten Aus­ führungsbeispiel verdampfen die Tröpfchen nach Einritt in die Öffnung 20, bevor sie an der gegenüberliegenden Wand der Lei­ tung 18 auftreffen. Die Übergangszeit durch den Leitungsquer­ schnitt kann geändert werden durch Ändern des Innendurchmessers der Leitung 18, die Orientierung der Leitung 18 relativ zur Flug­ bahn der in die Leitung 18 eintretenden Tröpfchen oder durch Än­ dern der Geschwindigkeit des vom Tropfengenerator 12 emittierten Strahls. Falls gewünscht, kann auch eine Gruppe von Strahler­ zeugern 10 benutzt werden, um Dampfmischungen in gesteuertem variablem Mischungsverhältnis zu erzeugen. Weiterhin braucht es auch nicht immer notwendig zu sein, daß die Tröpfchen in ein Trägergas injiziert werden. Beispielweise können die Tröpf­ chen in einen Verdampfer 18 mit einer heißen Platte eingeführt werden. Beim Auftreffen auf die Platte verdampfen die Tröpf­ chen und erzeugen einen ausreichenden Druck zur Erzeugung eines den Verdampfer 18 verlassenden Dampfstroms.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erzeugen eines selektiv bemessenen Dampfstromes, gekenn­ zeichnet durch

• - Herstellen eines Strahls elektrostatisch auflad­ barer flüssiger Partikel,
• - elektrostatisches Aufladen wenigstens einiger der Partikel,
• - Injizieren wenigstens einiger der Partikel in einen Partikel­ verdampfer und
• - elektrostatisches Steuern des Anteils der Strahlpartikel, die in dem Verdampfer verdampft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der in den Verdampfer injizierte Partikelanteil elektrostatisch gesteuert wird und alle der solcherart inji­ zierten Partikel verdampft werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß alle Partikel des Strahls in den Verdampfer in­ jiziert werden und daß ein elektrostatisch gesteuerter Anteil der Partikel aus dem Verdampfer vor Verdampfung ausgestoßen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Trägergas durch den Ver­ dampfer hindurchgeleitet wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• - einen Generator (12) zum Erzeugen eines Strahls elektrosta­ tisch aufladbarer flüssiger Partikel,
• - eine elektrostatische Ladungseinrichtung (14) zum Aufladen wenigstens einiger der Partikel,
• - eine Verdampfereinrichtung (18) zum Verdampfen von Partikeln hierin und
• - eine elektrostatische Ablenkeinrichtung (16) zum Steuern des Anteils der Partikel, die in dem Verdampfer verdampft werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ablenkeinrichtung dafür ausgelegt ist, den Anteil der Partikel, die in den Verdampfer zur Verdampfung hierin eintreten, zu steuern.