DE3912524A1 - Device for periodically producing drops of the smallest dimensions - Google Patents
Device for periodically producing drops of the smallest dimensionsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur perio dischen Erzeugung von Tropfen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for perio generation of drops according to the generic term of Claim 1.
Derartige Tropfenerzeugungsvorrichtungen werden bei spielsweise bei Untersuchungen der Turbulenz in Strö mungen mittels berührungsloser optischer Meßverfahren und bei der Erzeugung kleinster Partikel bei verfah renstechnischen Problemstellungen benötigt. Die perio disch erzeugten Tropfen treten in ein ruhendes oder strömendes Gas ein, wobei ihr Verhalten in dem Gas untersucht wird.Such drop generating devices are used in for example when examining turbulence in Strö measurements using non-contact optical measuring methods and in the process of generating the smallest particles technical problems. The perio Drops that are generated occur in a dormant or flowing gas, their behavior in the gas is examined.
Eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art ist bekannt aus DE-37 13 253 A1. Die dort beschriebene Ultraschallzerstäuberanlage dient zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen. Am Ausgang einer in ein Luftansaugrohr mündenden Kraft stoffleitung ist eine Vorkammer vorgesehen, die mehrere Öffnungen aufweist. In die Vorkammer ragt ein Draht als Schall-Leiter hinein, der Schwingungen von einem Schwingungserzeuger in die Kammer überträgt. Der Flüs sigkeitsdruck wird durch eine Kraftstoffpumpe erzeugt und eine Mengen-Zumeßeinrichtung dosiert die Brenn stoffzufuhr in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine. Die Zerstäubung erfolgt nicht in einem definierten Druckbereich. Daher ist die Erzeugung von Tropfen gleicher Größe mit konstanter Tropfenfre quenz nicht möglich und bei der Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen auch nicht erforderlich. Die Schwingungsimpulse sind so stark, daß sie eine Zer tropfung bei jedem beliebigen Druck erzwingen.A device in the preamble of the claim 1 specified type is known from DE-37 13 253 A1. The Ultrasonic atomizing system described there is used for Injecting fuel into internal combustion engines. At the Output of a force flowing into an air intake pipe a prechamber is provided, the several Has openings. A wire protrudes into the antechamber Sound conductor into it, the vibrations of one Vibrator transmits into the chamber. The river liquid pressure is generated by a fuel pump and a quantity metering device doses the firing material supply depending on the operating parameters of the Internal combustion engine. The atomization does not take place in a defined pressure range. Hence the generation of drops of the same size with constant drop fre quenz not possible and with fuel injection also not required in internal combustion engines. The Vibration impulses are so strong that they have a zero Force drip at any pressure.
DE-AS 22 59 521 beschreibt eine Vorrichtung zum Zer teilen eines Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrahls in eine Folge von Flüssigkeitströpfchen mit Hilfe von Hochfrequenzschwingungen. Dabei steht die Flüssigkeit in der Kammer unter hohem Druck. Die Angaben über Druck, Düsenöffnung und Schwingfrequenz zeigen bei näherer Untersuchung, daß die Schwingfrequenz viel zu hoch ist, um die Zertropfung von dem Schwingungserzeu ger überhaupt noch beeinflussen zu können.DE-AS 22 59 521 describes a device for Zer dividing a high speed liquid jet into a sequence of liquid droplets with the help of High frequency vibrations. The liquid is there in the chamber under high pressure. The information about Pressure, nozzle opening and oscillation frequency show at closer examination that the oscillation frequency much too is high to the dropletization of the vibration generator to be able to influence at all.
Schließlich beschreibt JP-58-1 22 073 A (patent ab stracts C-190, 14.10.83, Vol. 7, No. 232) eine Zer stäubungsvorrichtung, bei der in einer Kammer ein Schwingungserzeuger angeordnet ist, der ein axial zu der Austrittsöffnung der Kammer gerichtetes Loch auf weist. Der Schwingungserzeuger bewirkt in der Kammer eine Kapillarwellenaufsteilung, wodurch ein Abschleu dern einer Aerosolwolke von der schallerzeugenden Plat te erfolgt. Finally, JP-58-1 22 073 A (patent from stracts C-190, 14.10.83, vol. 7, no. 232) a Zer dusting device in which in a chamber Vibration generator is arranged, the one axially hole directed towards the outlet opening of the chamber points. The vibrator causes in the chamber a capillary wave division, which leads to a discharge an aerosol cloud from the sound generating plate te done.
In der Praxis der periodischen Tropfenerzeugung tritt das Problem auf, daß Flüssigkeiten auch unter sehr tie fen oder sehr hohen Temperaturen in definierter Weise zertropft werden müssen. Eine solche definierte Zer tropfung bei stark variierenden Temperaturen ist mit den bekannten Vorrichtungen zur periodischen Tropfen erzeugung nicht möglich.In the practice of periodic drop generation occurs the problem that liquids even under very deep fen or very high temperatures in a defined manner must be drained. Such a defined Zer dripping at widely varying temperatures is included the known devices for periodic drops generation not possible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angege benen Art zu schaffen, mit der es möglich ist, sehr kleine Tropfen auch bei sehr tiefen und sehr hohen Tem peraturen (z.B. im Bereich von 123°K bis 513°K) zu zertropfen.The invention has for its object a Vorrich tion specified in the preamble of claim 1 to create the kind that is possible, very much small drops even at very low and very high temperatures temperatures (e.g. in the range from 123 ° K to 513 ° K) drip.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an gegebenen Merkmalen.This object is achieved with the invention in the characterizing part of claim 1 given characteristics.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine Vorkammer mit einer kleinen Öffnung, aus der der Flüssigkeits strahl austritt. In der Vorkammer befindet sich die Flüssigkeit unter einem so hohen Druck, daß bei nicht erregtem Quarzkristall-Schallwandler ein kontinuier licher laminarer Strahl aus der Vorkammeröffnung aus tritt. Die Vorkammeröffnung hat einen relativ geringen Durchmesser, der kleiner ist als 50 µm. Bei periodisch erregtem Quarzkristall-Schallwandler wird der aus der Öffnung austretende Flüssigkeitsstrahl in feinste Tröpfchen zertropft, die in konstanter zeitlicher Folge erzeugt werden und konstante Größe haben. Wird bei spielsweise eine Öffnung mit einem Durchmesser von 20 µm benutzt und eine errechnete zugehörige laminare Strahlgeschwindigkeit von 18 m/s mit Hilfe des för dernden Druckes eingestellt, so ergibt sich die erfor derliche Störfrequenz zuThe device according to the invention contains a prechamber with a small opening from which the liquid beam emerges. The is in the antechamber Liquid under such a high pressure that at not excited quartz crystal sound transducer a continuous Laminar jet from the prechamber opening occurs. The prechamber opening is relatively small Diameter smaller than 50 µm. At periodically excited quartz crystal sound transducer from the Opening liquid jet exiting in finest Droplets dripped in constant time generated and have constant size. Will at for example an opening with a diameter of 20 µm used and a calculated corresponding laminar Jet speed of 18 m / s with the help of the för derenden pressure set, so the required results interference frequency
f = u/4,5d = 18/4,5 × 20 × 10-6 = 200 kHz. f = u / 4.5 d = 18 / 4.5 × 20 × 10 -6 = 200 kHz.
Voraussetzung für die Zertropfung nach dem hier be schriebenen Verfahren ist die Ausbildung eines lami naren Strahls. Ein laminarer Strahl bildet sich dann aus, wenn seine Geschwindigkeit u folgende Ungleichung erfüllt:The formation of a laminar jet is a prerequisite for dropping according to the procedure described here. A laminar beam is formed when its velocity u satisfies the following inequality:
Hierin ist d der Strahldurchmesser, d die Flüssigkeits dichte und σ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit gegen das umgebende Gas. Diese Ungleichung wurde aus Veröffentlichungen hergeleitet (The Review Sci. In strum. 39 (1968), S. 1088-1089 und ZAMM 16 (1936), S. 355-358).Herein d is the jet diameter, d the liquid density and σ the surface tension of the liquid against the surrounding gas. This inequality was derived from publications (The Review Sci. In strum. 39 (1968), pp. 1088-1089 and ZAMM 16 (1936), pp. 355-358).
Der Druck, der zur Realisierung eines laminaren Strahls erforderlich ist, dient lediglich der Überwindung des Strömungswiderstandes innerhalb der Vorrichtung, ist daher abhängig von ihrem Aufbau und somit nicht mathe matisch beschreibbar, sondern empirisch zu ermitteln.The pressure required to create a laminar jet is only necessary to overcome the Flow resistance within the device therefore depending on their structure and therefore not math can be described mathematically, but determined empirically.
Aus der klassischen Theorie von Lord Rayleigh (Proc. Lond. Math. Soc. 10 (1878), S. 4-13), ist bekannt, daß ein laminarer Flüssigkeitsstrahl spontan in Tropfen zerfällt. Im vorliegenden Falle wird die Zertropfung mit Hilfe einer periodischen Störung, die dem Flüssig keitsstrahl aufgeprägt wird, derart synchronisiert, daß der Flüssigkeitsstrahl in Tropfen gleicher Größe und gleichen zeitlichen Abstandes zerfällt. Dieser Vorgang spielt sich genau dann ab, wenn die von Rayleigh ange gebene Wellengleichung From the classic theory of Lord Rayleigh (Proc. London. Math. Soc. 10 (1878), pp. 4-13), it is known that a laminar liquid jet spontaneously in drops disintegrates. In the present case, the dropletization with the help of a periodic disturbance that the liquid keitsstrahl is impressed, synchronized so that the liquid jet in drops of the same size and same time interval disintegrates. This process happens exactly when Rayleigh's given wave equation
u = 4,5 · d · f u = 4.5 · d · f
erfüllt ist, worin u die Ausströmgeschwindigkeit, d der Austrittsdurchmesser, f die Frequenz einer auf den Strahl aufgeprägten Störung und die Größe 4,5 × d die Störwellenlänge ist.is satisfied, in which u is the outflow velocity, d the exit diameter, f the frequency of a disturbance impressed on the jet and the size 4.5 × d the disturbance wavelength.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der hydro statische Druck in der Vorkammer so eingestellt, daß sich ohne Erregung des Schwingungserzeugers eine la minare Strömung durch die Öffnung ergibt. Diese Ein stellung des Drucks erfolgt empirisch. Wie die Un gleichung zeigt, existiert ein durch eine Obergrenze und eine Untergrenze definierter Geschwindigkeitsbe reich, in dem laminare Strömung erzeugt wird. Die Lage dieses Geschwindigkeitsbereiches hängt ab von Viskosi tät, Dichte, Oberflächenspannung und dem Durchmesser. Bei Einhaltung dieser Geschwindigkeitsbedingung ent steht eine nicht synchronisierte Zertropfung. Der laminar aus der Öffnung austretende Strahl zertropft in seinem weiteren Verlauf spontan. Nach der Erfindung erfolgt die Schwingungserregung in der Weise, daß diese natürliche Zertropfung durch den Schwingungserzeuger unterstützt wird. Hierbei hängt die Frequenz von der Größe der Ausströmgeschwindigkeit u ab. Die Schwing frequenz braucht nicht exakt die errechnete Größe zu haben, jedoch sollte sie hiervon nicht wesentlich ab weichen.In the device according to the invention, the hydrostatic pressure in the prechamber is set such that a la minute flow through the opening results without excitation of the vibration generator. This setting of the pressure is empirical. As the inequality shows, there is a speed range defined by an upper limit and a lower limit in which laminar flow is generated. The location of this speed range depends on viscosity, density, surface tension and diameter. If this speed condition is adhered to, an unsynchronized dripping occurs. The laminar jet emerging from the opening spontaneously drips as it continues. According to the invention, the vibration excitation takes place in such a way that this natural dropping is supported by the vibration generator. The frequency depends on the size of the outflow velocity u . The oscillation frequency does not need to be exactly the calculated size, but it should not deviate significantly from this.
Die Öffnung der Vorkammer ist vorzugsweise rund, jedoch kommen auch andere Öffnungsgeometrien in Betracht, z.B. quadratische oder polygone Öffnungen. In jedem Fall ist das Verhältnis zweier beliebiger Durchmesser, die durch den Öffnungsmittelpunkt hindurchgehen, nicht größer als The opening of the antechamber is preferably round, however other opening geometries are also possible, e.g. square or polygonal openings. In any case the ratio of any two diameters through go through the center of the opening, no larger than
√ : 1.√: 1.
Als Schwingungserzeuger werden Elemente benutzt, die üblicherweise als Druckaufnehmer verwendet werden und eine elektrische Ladung abgeben, die dem auf sie ein wirkenden mechanischen Druck proportional ist. Diese Druckaufnehmer werden in umgekehrter Weise angewendet, indem sie elektrisch erregt werden, ihre geometrischen Abmessungen ändern und somit Schall abstrahlen. Infolge der hohen Eigenfrequenz und der großen Steifigkeit sind Quarzkristall-Schallwandler zur Abstrahlung hochfre quenter Schallvorgänge in einem weiten Bereich von Um gebungstemperaturen geeignet. Diese Eigenschaft wird nach der Erfindung zur Erzeugung von Schall hoher Fre quenz genutzt. Der Quarzkristall-Schallwandler wird aus einer Wechselspannungsquelle mit steuerbarer Amplitude und Frequenz gespeist.Elements are used as vibration generators are usually used as pressure transducers and give off an electrical charge that is on them acting mechanical pressure is proportional. These Pressure transducers are used in reverse, by being electrically excited, their geometrical Change dimensions and thus emit sound. As a result the high natural frequency and the great rigidity Quartz crystal sound transducer for high frequency radiation quenter sound processes in a wide range of Um suitable temperatures. This property will according to the invention for generating sound high Fre quenz used. The quartz crystal transducer is turned off an AC voltage source with controllable amplitude and frequency fed.
Nach Anspruch 4 sind mindestens zwei Quarzkristall- Schallwandler vorgesehen, die mit gleicher Frequenz, jedoch unterschiedlichen Phasenlagen, betrieben werden. Auf diese Weise kann eine Amplitudenverstärkung erfol gen, die durch das Variieren der Phasendifferenz der Erregung beider Schallwandler gesteuert werden.According to claim 4, at least two quartz crystal Sound transducers provided with the same frequency, however different phase positions are operated. In this way, an amplification of the amplitude can take place gene by varying the phase difference of the Excitation of both transducers can be controlled.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher er läutert.In the following with reference to the drawing Solutions embodiments of the invention he closer purifies.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Tropfenerzeu gungsvorrichtung mit einem einzigen Quarz kristall-Schallwandler und Fig. 1 shows a longitudinal section through a drop generation device with a single quartz crystal transducer and
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Tropfenerzeu gungsvorrichtung mit zwei Quarzkristall-Schall wandlern. Fig. 2 is a longitudinal section through a drop generation device with two quartz crystal transducers.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird in dem Gehäuse 10 die unter einem entsprechenden Vordruck stehende Flüssigkeit über die Bohrung 11 und die daran anschließende Bohrung 11′ einer Vorkammer 12 zugeführt. In der Vorkammer 12 werden mit Hilfe eines als elektro akustischer Schallwandler benutzbaren Schallwandlers 13 (Quarzkristall-Druckaufnehmer) periodisch Schallwellen erzeugt, die über den in die Vorkammer 12 hineinragen den Ansatz 13 a in die Vorkammer übertragen werden. Diese Schallschwingungen werden dem in der Vorkammer 12 herrschenden hydrostatischen Druck überlagert. Das Ge häuse 10 ist mit einem Deckel 16 abgeschlossen, der mit einer Überwurfmutter 17 am Gehäuse 10 festgehalten wird. Im Deckel 16 befindet sich eine Öffnung 16 a, wel che an der Innenseite von einer Dichtung 18 umgeben ist. Die Dichtung 18 drückt ein dünnes Plättchen 14 von weniger als 1 mm Stärke gegen die Wand des Gehäuses 10. Das Plättchen 14 bildet den äußeren Abschluß der Vor kammer 12 und es enthält eine Öffnung 15, die mittig in der Öffnung 16 a angeordnet ist. Der Durchmesser der Öffnung 15 ist kleiner als 50 µm.In the device shown in Fig. 1, the liquid under a corresponding pre-pressure is supplied via a bore 11 and the adjoining bore 11 'to a prechamber 12 in the housing 10 . In the prechamber 12 , sound waves are periodically generated with the aid of a sound transducer 13 (quartz crystal pressure transducer) which can be used as an electro-acoustic sound transducer and which are transmitted via the projection 13 a projecting into the prechamber 12 into the prechamber. These acoustic vibrations are superimposed on the hydrostatic pressure prevailing in the prechamber 12 . The Ge housing 10 is completed with a lid 16 which is held on the housing 10 with a union nut 17 . In the lid 16 there is an opening 16 a , which is surrounded on the inside by a seal 18 . The seal 18 presses a thin plate 14 of less than 1 mm thickness against the wall of the housing 10 . The plate 14 forms the outer end of the front chamber 12 and it contains an opening 15 which is arranged centrally in the opening 16 a . The diameter of the opening 15 is less than 50 microns.
In den Bohrungen 11 und 11′ sowie in der Vorkammer 12 befindet sich die Flüssigkeit unter einem Druck, der so groß ist, daß ohne Schalleinwirkung die Flüssigkeit in laminarem Strahl aus der runden Öffnung 15 austritt. Ist der Schallerzeuger 13 periodisch erregt, dann zer fällt der Flüssigkeitsstrahl unmittelbar hinter der Öffnung 15 in kleine Tröpfchen, deren zeitliche Folge der Erregerfrequenz entspricht und die zeitlich kon stante Abstände voneinander haben. In the bores 11 and 11 'and in the prechamber 12 , the liquid is under a pressure which is so great that the liquid emerges from the round opening 15 in a laminar jet without sound. If the sound generator 13 is periodically excited, then zer drops the liquid jet immediately behind the opening 15 into small droplets, the temporal sequence of which corresponds to the excitation frequency and which have constant spacing from one another over time.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ragen in die Vorkammer 12 die Ansätze 13 a und 19 a der beiden Schwingungserzeuger 13 und 19 von entgegengesetzten Seiten her hinein. Beide Schwingungserzeuger werden mit gleicher Frequenz, jedoch mit unterschiedlichen Phasen lagen erregt. Dadurch ist eine Amplitudenverstärkung der Schallschwingungen durch Interferenz möglich. Darüber hinaus kann durch Veränderung der Phasendiffe renz die räumliche Lage der Amplitudenverstärkung so verändert werden, daß Ort und Zeitpunkt der Tropfen entstehung aus dem laminaren Strahl in gewissen Grenzen verändert werden können. Somit kann eine einmal in ihren geometrischen Abmessungen festgelegte Vorrichtung zur periodischen Erzeugung von Tropfen kleinster Ab messungen den jeweiligen Anforderungen besser angepaßt werden.In the embodiment of FIG. 2, the approaches 13 a and 19 a of the two vibration generators 13 and 19 protrude into the antechamber 12 from opposite sides. Both vibrators are excited with the same frequency, but with different phases. This enables amplification of the sound vibrations by interference. In addition, the spatial position of the amplitude amplification can be changed by changing the phase difference so that the location and time of the drop formation from the laminar beam can be changed within certain limits. Thus, once defined in its geometric dimensions, the device for periodically generating drops of smallest dimensions can be better adapted to the respective requirements.
Zweckmäßigerweise beträgt für die Öffnung 15 das Ver hältnis Tiefe : Durchmesser etwa 4, um zunächst einen einwandfreien laminaren Strahl zu erhalten, der dann unter der Einwirkung der Störfrequenz in gleich große Tropfen zerfällt.Appropriately for the opening 15, the ratio is depth: diameter about 4, in order to initially obtain a perfect laminar jet, which then breaks down into drops of equal size under the influence of the interference frequency.
Claims (5)
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