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Title:
METHOD AND DEVICE FOR ATOMIZING A LIQUID WITH A HIGH DEGREE OF VISCOSITY, IN PARTICULAR A HIGHLY VISCOUS LIQUID
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/206520
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for atomizing a liquid (1) with a high degree of viscosity, in particular a highly viscous liquid, using a pressurized gaseous or liquid carrier medium (2) which is discharged using a spray device (3). According to the invention, the liquid (1) to be atomized is supplied to a mixing chamber (4) of the spray device (3), through which the pressurized carrier medium (2) is conducted during the discharge process such that the liquid (1) to be atomized is carried along with the carrier medium (2). The invention additionally relates to a device for carrying out the method.

Inventors:
STUKE, Bernd (Lamternstr. 2, Leonberg, 71229, DE)
OLEMS, Lars (Begonienweg 18, Stuttgart, 70374, DE)
DIEZ, Michael (Haffnerstr. 10, Marbach, 71672, DE)
BENZ, Christoph (Barbarossastr. 7, Uhingen, 73066, DE)
Application Number:
EP2019/056822
Publication Date:
October 31, 2019
Filing Date:
March 19, 2019
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
B05B1/30; B05B7/04; B05B7/16; B05B17/06
Foreign References:
US20020104900A12002-08-08
JP2012040529A2012-03-01
GB604560A1948-07-06
FR2758476A11998-07-24
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Zerstäuben einer höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit (1) mit Hilfe eines druckbeaufschlagten gasförmigen oder flüssigen Trä germediums (2), das unter Verwendung einer Spritzvorrichtung (3) ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zu zerstäubende Flüssigkeit (1) einer Mischkam mer (4) der Spritzvorrichtung (3) zugeführt wird, durch welche das druckbeaufschlagte Trägermedium (2) beim Austragen hindurch geleitet wird, so dass die zu zerstäubende Flüssigkeit (1) von dem Trägermedium (2) mitgerissen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass ein Nadelventil (5) mit einer Düse (6) und einem dü senseitig aufgesetzten Adapter (7) als Spritzvorrichtung (3) verwendet wird, wobei der Adapter (7) die Mischkammer (4) ausbildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium (2) mittels der Spritzvorrich tung (3) in einem gepulsten Verfahren ausgetragen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die zu zerstäubende Flüssigkeit (1), bevor sie der Mischkammer (4) zugeführt wird, mit Druck, vorzugsweise mit Hochdruck, beaufschlagt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die zu zerstäubende Flüssigkeit (1) mit Hilfe einer Heizvorrichtung (8) erwärmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Ultraschallwandlers (9) mechanische Schwingungen erzeugt und auf die zu zerstäubende Flüssigkeit (1) und das Trägermedium übertragen werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Spritzvorrichtung (3) mit einer Mischkammer (4), die einen Einlass (10) und einen Auslass (11) für ein druckbeaufschlagtes gasförmiges oder flüssiges Trägermedium (2) sowie einen Anschluss an eine Fluidleitung (12) besitzt, mittels welcher der Mischkammer (4) eine in einem Fluidbehälter (13) bevorratete höher viskose, insbesondere hochviskose Flüssigkeit (1) zuführbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzvorrichtung (3) ein Nadelventil (5) mit einer Düse (6) und einen düsenseitig aufgesetzten Adapter (7) zur Ausbildung der Mischkammer (4) umfasst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Heizvorrichtung (8) zum Erwärmen der höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit (1) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Heizvorrichtung (8) an der Mischkammer (4), an der Fluidleitung (12) und/oder an dem Fluidbehälter (13) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler (9), insbesondere in Form eines piezokeramischen Elements, zur Erzeugung mechanischer Schwingungen vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der Ultraschallwandler (9) im Bereich des Auslasses (11) der Mischkammer (4) angeordnet ist.

Description:
Beschreibung

Titel:

Verfahren und Vorrichtung zum Zerstäuben einer höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerstäuben einer höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Unter einer höher viskosen Flüssigkeit wird vorliegend eine Flüssigkeit verstanden, deren Viskosität größer als 100 mPas bei einer Temperatur von 20°C beträgt. Unter einer hochviskosen Flüssigkeit wird vorliegend eine Flüssigkeit verstanden, deren Viskosität größer als 1000 mPas bei einer Temperatur von 20°C beträgt. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um einen Klebstoff, ein Silikonöl oder einen Dickschichtlack handeln.

Stand der Technik

Es gibt eine Vielzahl an Anwendungen, in denen höher viskose, insbesondere hochviskose Flüssigkeiten zum Beschichten eingesetzt werden. Beispielhaft kann auf die Pharmaindustrie verwiesen werden, die beispielsweise hochviskose Silikonöle zum Beschichten einsetzt. Um möglichst dünne Schichten auszubilden, muss die Flüssigkeit fein zerstäubt werden. Dies erweist sich jedoch bei Einsatz einer hochviskosen Flüssigkeit als schwierig.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Zerstäuben höher viskoser, insbesondere hochviskoser Flüssigkeiten zu vereinfachen. Dabei soll die hö- her viskose, insbesondere hochviskose Flüssigkeit in kleinste Tropfen zerlegt werden, so dass sehr feine Schichten aus der Flüssigkeit herstellbar sind.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Zerstäuben einer höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit mit Hilfe eines druckbeaufschlagten gasförmigen oder flüssigen Trägermediums, das unter Verwendung einer Spritzvorrichtung ausgetragen wird. Erfindungsgemäß wird die zu zerstäubende Flüssigkeit einer Mischkammer der Spritzvorrichtung zugeführt, durch welche das druckbeaufschlagte Trägermedium beim Austragen hindurch geleitet wird, so dass die zu zerstäubende Flüssigkeit von dem Trägermedium mitgerissen wird. Auf diese Weise wird die höher viskose, insbesondere hochviskose Flüssigkeit beim Austragen über die Spritzvorrichtung in kleinste Tropfen zerlegt, so dass extrem dünne Schichten aus der Flüssigkeit herstellbar sind.

Das Trägermedium wird dabei auf die jeweilige höher viskose, insbesondere hochviskose Flüssigkeit abgestimmt. Flandelt es sich beispielsweise bei der Flüssigkeit um einen wasserbasierten Dichtschichtlack, kann Wasser als Trägermedium eingesetzt werden. Gleiches gilt, wenn die Flüssigkeit ein mit Wasser verdünnbares Silikonöl ist. Andernfalls kann auch ein Lösungsmittel als Trägermedium eingesetzt werden.

Bei dem Trägermedium kann es sich sowohl um eine Flüssigkeit als auch um ein Gas handeln. Wichtig ist, dass das Trägermedium druckbeaufschlagt ist, vorzugsweise hochdruckbeaufschlagt ist, um den zum Zerstäuben der höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit erforderlichen Impuls einzubringen. Flochdruck besitzt den Vorteil, dass ein entsprechend starker Impuls einbringbar ist, so dass die Zerstäubung der höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit weiter optimiert wird.

Vorteilhafterweise wird ein Nadelventil mit einer Düse und einem düsenseitig aufgesetzten Adapter als Spritzvorrichtung verwendet. Der Adapter bildet dabei die Misch- kammer aus. Nadelventile sind beispielsweise aus der Kraftstoffeinspritztechnik bekannt. Mittels derartiger Nadelventile, auch Kraftstoffinjektoren genannt, werden Kraftstoffe unter sehr hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Der Einspritzdruck kann dabei 2.000 bis 3.000 bar betragen. Wird ein aus der Kraftstoffeinspritztechnik bekanntes Nadelventil zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt, können entsprechend hohe Drücke erzielt werden, was sich als Vorteil bei der Zerstäubung einer höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit erweist. Zudem kann auf eine ausgereifte Technik und bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen werden, so dass Kosten eingespart werden.

Der Einsatz eines aus der Kraftstoffeinspritztechnik bekannten Nadelventils erfordert ein Trägermedium, dessen Viskosität deutlich unter der Viskosität des zu zerstäubenden Flüssigkeit liegt. Vorzugsweise wird daher ein Trägermedium eingesetzt, dessen Viskosität weniger als 300 mPas, weiterhin vorzugsweise weniger als 100 mPas bei einer Temperatur von 20°C beträgt. Trägermedien, deren Viskosität darüber liegt, können mittels eines herkömmlichen Kraftstoffinjektors nicht geschaltet bzw. zerstäubt werden.

Folglich wird daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zu zerstäubende höher viskose oder hochviskose Flüssigkeit nicht über das Nadelventil ausgetragen, sondern über einen nachgeschalteten Adapter, der hierzu auf die Düse des Nadelventils aufgesetzt wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen herkömmlichen Kraftstoffinjektor beim Zerstäuben einer höher viskosen oder hochviskosen Flüssigkeit einzusetzen.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Trägermedium mittels der Spritzvorrichtung in einem gepulsten Verfahren ausgetragen wird. Das heißt, dass mehrere aufeinanderfolgende Impulse erzeugt werden, welche die in der Mischkammer vorhandene höher viskose oder hochviskose Flüssigkeit mitreißen. Da auch bei der Einspritzung von Kraftstoffen gepulste Verfahren eingesetzt werden, kann auf diese Technik zurückgegriffen werden.

Vorteilhaftweise wird die zu zerstäubende höher viskose, insbesondere hochviskose Flüssigkeit, bevor sie der Mischkammer zugeführt wird, mit Druck, vorzugsweise mit Hochdruck, beaufschlagt. Durch die Druckbeaufschlagung der zu zerstäubenden Flüs- sigkeit kann die Zerstäubungswirkung weiter optimiert werden. Hierzu kann die höher viskose oder hochviskose Flüssigkeit in einem Druckbehälter bevorratet und/oder mittels einer Pumpe, vorzugsweise mittels einer Hochdruckpumpe, vor dem Einleiten in die Mischkammer verdichtet werden. Als Pumpe kann wiederum eine aus der Kraftstoffeinspritztechnik bekannte Pumpe, insbesondere Hochdruckpumpe, verwendet werden. Gleiches gilt für die Druckbeaufschlagung des Trägermediums. Beispielsweise kann eine als Kolbenpumpe ausgeführte Hochdruckpumpe eingesetzt werden.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die zu zerstäubende höher viskose oder hochviskose Flüssigkeit mit Hilfe einer Heizvorrichtung erwärmt wird. Durch Erwärmen der Flüssigkeit kann die Viskosität der Flüssigkeit herabgesetzt werden, so dass sich diese leichter zerstäuben lässt. Die Flüssigkeit kann bereits vor Eintritt in die Mischkammer und/oder in der Mischkammer erwärmt werden.

Darüber hinaus wird alternativ oder ergänzend vorgeschlagen, dass mit Hilfe eines Ultraschallwandlers mechanische Schwingungen erzeugt und auf die zu zerstäubende Flüssigkeit und das Trägermedium übertragen werden. Mit Hilfe der Schwingungsanregung kann die Tropfenbildung verbessert, insbesondere der Tropfendurchmesser verringert werden, so dass eine besonders feine Zerstäubung erreicht wird. Denn mit steigender Frequenz der Schwingungsanregung verringert sich die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, was die Ausbildung kleinster Tröpfchen begünstigt. Als Ultraschallwandler kann insbesondere ein piezokeramisches Element verwendet werden, das elektrische Schwingungen in mechanische umsetzt.

Die ferner vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Spritzvorrichtung mit einer Mischkammer, die einen Einlass und einen Auslass für ein druckbeaufschlagtes gasförmiges oder flüssiges Trägermedium sowie einen Anschluss an eine Fluidleitung besitzt, mittels welcher der Mischkammer eine in einem Fluidbehälter bevorratete höher viskose, insbesondere hochviskose Flüssigkeit zuführbar ist. Das druckbeaufschlagte Trägermedium bewirkt einen Impuls, der dazu führt, dass die der Mischkammer zugeführte Flüssigkeit mitgerissen und beim Austragen zerstäubt wird. Auf diese Weise lassen sich kleinste Tröpfchen ausbilden, die zur Herstellung extrem dünner Schichten geeignet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Spritzvorrichtung ein Nadelventil mit einer Düse und einen düsenseitig aufgesetzten Adapter zur Ausbildung der Mischkammer. Bei dem Nadelventil kann es sich insbesondere um ein aus der Kraftstoffeinspritztechnik bekanntes Nadelventil, insbesondere um einen Kraftstoffinjektor, handeln. Mittels derartiger Nadelventile können Einspritzdrücke über 2.000 bar erreicht werden, was die Ausbildung feinster Tröpfchen begünstigt. Zudem kann eine gleichmäßige Tröpfchenverteilung erzielt werden.

Da derartige Nadelventil in der Regel nicht zum Zerstäuben höher viskoser, insbesondere hochviskoser Flüssigkeiten geeignet sind, weist das Nadelventil düsenseitig einen die Mischkammer ausbildenden Adapter auf. Die höher viskose oder hochviskose Flüssigkeit wird demnach nicht durch das Nadelventil geführt, sondern lediglich der nachgeschalteten Mischkammer zugeführt. Der zum Zerstäuben erforderliche Impuls wird durch das druckbeaufschlagte Trägermedium eingebracht, das durch die Mischkammer hindurch geleitet wird und dabei die höher viskose oder hochviskose Flüssigkeit mitreißt. Dadurch ist es möglich, aus der Kraftstoffeinspritztechnik bekannte Nadelventile zum Zerstäuben höher viskoser oder hochviskoser Flüssigkeiten einzusetzen.

Vorteilhafterweise ist mindestens eine Heizvorrichtung zum Erwärmen der höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit vorgesehen. Das Erwärmen der Flüssigkeit führt zu einer Herabsetzung der Viskosität der Flüssigkeit, so dass sich diese leichter zerstäuben lässt. Die Heizvorrichtung kann an der Mischkammer, an der Fluidleitung und/oder an dem Fluidbehälter angeordnet sein.

Alternativ oder ergänzend kann ein Ultraschallwandler, insbesondere in Form eines piezokeramischen Elements, zur Erzeugung mechanischer Schwingungen vorgesehen sein. Der Ultraschallwandler wandelt elektrische Schwingungen in mechanische um, die auf die Flüssigkeit und das Trägermedium übertragen werden. Die Schwingungsanregung begünstigt die Ausbildung feinster Tröpfchen dadurch, dass die Oberflächenspannung herabgesetzt wird. Dadurch wird eine noch bessere Zerstäubung der höher viskosen Flüssigkeit erreicht. Der Ultraschallwandler ist hierzu bevorzugt im Bereich des Auslasses der Mischkammer angeordnet. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, und

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dient der Zerstäubung einer höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit 1 mit Hilfe eines druckbeaufschlagten Trägermediums 2. Sie umfasst eine Spritzvorrichtung 3 mit einem Nadelventil 5 und einem Adapter 7, der zur Ausbildung einer Mischkammer 4 auf eine Düse 6 des Nadelventils 5 aufgesetzt ist. In der Düse 6 ist ein Einlass 10 in die Mischkammer 4 für das Trägermedium 2 ausgebildet. Die zu zerstäubende höher viskose bzw. hochviskose Flüssigkeit 1 wird der Mischkammer 4 über eine Fluidleitung 12 zugeführt, welche die Mischkammer 4 mit einem Fluidbehälter 13 verbindet, in dem die Flüssigkeit 1 bevorratet wird. Das Trägermedium 2 und die Flüssigkeit werden gemeinsam über einen Auslass 11 ausgetragen, der im Adapter 7 ausgebildet ist.

Das Trägermedium 2 ist druckbeaufschlagt, insbesondere hochdruckbeaufschlagt. Hierzu weist die dargestellte Vorrichtung eine Pumpe 14 auf, wobei es sich beispielsweise um eine Hochdruckpumpe nach Art einer Kraftstoffhochdruckpumpe handeln kann. Gibt eine Düsennadel 16 des Nadelventils 5 den in der Düse 6 ausgebildeten Einlass 10 frei, gelangt das druckbeaufschlagte Trägermedium 2 in die Mischkammer 4, in der sich die zu zerstäubende höher viskose bzw. hochviskose Flüssigkeit be- findet. Auf dem Weg in Richtung Auslass 11 reißt das Trägermedium 2 die höher viskose bzw. hochviskose Flüssigkeit mit, so dass diese gemeinsam mit dem Trägermedium 2 über den Auslass 11 ausgetragen und fein zerstäubt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Fig. 2 dargestellt. Hier ist eine weitere Pumpe 15 zur Druckbeaufschlagung, insbesondere Flochdruckbeaufschlagung der höher viskosen bzw. hochviskosen Flüssigkeit 1 vorgesehen, die dem Fluidbehälter 13 vorgeschaltet ist. Die Pumpe 15 kann analog der Pumpe 14, insbesondere als Kolbenpumpe, ausgebildet sein.

Die in der Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zerstäuben einer höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit 1 weist im Unterschied zur Vorrichtung der Fig. 1 Fleizvorrichtungen 8 auf, die am Fluidbehälter 13, an der Fluidleitung 12 und an der Mischkammer 4 angeordnet sind. Anstelle mehrerer Fleizvorrichtungen 8 kann auch nur eine Fleizvorrichtung 8 vorgesehen sein. Mittels der mindestens einen Fleizvorrichtung 8 kann die höher viskose bzw. hochviskose Flüssigkeit 1 erwärmt werden, wodurch die Viskosität der Flüssigkeit 1 herabgesetzt wird. Je geringer die Viskosität der Flüssigkeit 1 ist, desto einfacher kann sie zerstäubt werden.

Der Fig. 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zerstäuben einer höher viskosen, insbesondere hochviskosen Flüssigkeit 1 zu entnehmen. Hier weist die Vorrichtung zusätzlich einen Ultraschallwandler 9 auf, der im Bereich des Auslasses 11 angeordnet ist und dazu beiträgt, dass die Flüssigkeit 1 noch feiner zerstäubt wird. Der Ultraschallwandler 9 kann beispielsweise ein piezokeramisches Element sein, das elektrische Schwingungen in mechanische umwandelt und diese auf die Flüssigkeit 1 und das Trägermedium 2 überträgt.

Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Maßnahmen können jeweils einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen zur Realisierung der Erfindung eingesetzt werden.