Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein modular aufgebautes Düsensystem mit des¬ sen Hilfe Tropfen aus Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität erzeugt wer¬ den können. Kernstück der Erfindung sind Mehrfachanordnungen von Einzeldü¬ sen ohne bewegte Teile, die untereinander in Verbindung stehen und Einzel¬ module bilden. Dieser Aufbau ermöglicht ein einfaches Erweitern und Anpassen des Systems wodurch eine maximale Flexibilität gewährleistet wird.

In der technologischen Praxis ist es häufig erforderlich, Einzeltropfen aus ver¬ schiedenen Flüssigkeiten zu erzeugen. Die einfachste und verbreitetste Metho¬ de dies zu erreichen, ist das Versprühen mittels geeigneter Düsen. Solche Dü¬ sen werden in einer sehr großen konstruktiven Vielfalt kommerziell angeboten. Die Palette reicht vom einfachen Brausenkopf oder Rasensprenger bis hin zu den Hightech Entwicklungen aus den Bereichen Maschinenbau oder Farben und Lacke. Alle diese Systeme sind so konstruiert, dass sie einen Sprühnebel oder zumindest einen Sprühstrahl erzeugen, der aus unzähligen Tropfen besteht, die jedoch einzeln weder beeinflussbar noch näher definierbar sind.

Will man jedoch genau definierte Tropfen erzeugen, um auf diese Weise durch chemisches oder physikalisches Aushärten sphärische Partikel zu erhalten, sind die o. g. Systeme aufgrund ihrer Ungenauigkeit im Hinblich auf die generierten Einzeltropfen unbrauchbar. Für solche Zwecke werden Anordnungen einge¬ setzt, die in der Lage sind, präzise Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen, die nach¬ träglich in Einzeltropfen definierter Größen aufgelöst werden.

Bei all diesen Systemen werden die Flüssigkeitsstrahlen durch Pressen der flüssigen Ausgangsstoffe durch Kapillaröffnungen erzeugt. Unterschiede tau¬ chen lediglich bei den Verfahren auf, durch die diese Strahlen in Einzeltropfen zerlegt werden. Die Methoden hierfür können in zwei große Gruppen unterteilt werden:

1. Verfahren bei denen der Flüssigkeitsstrahl außer seiner axialen auch noch andere Bewegungen wie Rotation oder Schwingung erfährt und 2. Verfahren bei denen der Flüssigkeitsstrahl außer seiner axialen Fließbewe¬ gung keine zusätzliche Bewegung erfährt.

Bei der ersten Kategorie wird der Strahl durch Zentrifugalkräfte bzw. durch Resonanzschwingungen aufgelöst, bei der zweiten durch die axiale Einwirkung zusätzlicher in der Regel gasförmiger Medien. Die vorliegende Erfindung reiht sich in die zweite Gruppe ein.

In der Fachliteratur findet man an vielen Stellen Systeme, die der Erzeugung von Einzeltropfen aus Flüssigkeiten mittels Kapillaren dienen. Nachfolgend sei¬ en nur zwei stellvertretend erwähnt.

1. Die Zweistoffdüse F. Lim und A. Sun beschreiben beispielsweise in der Zeitschrift "Science" Band 210, Seiten 908-910, Jahrgang 1980 eine Düse, bei der die Tropfen eines durch eine Kapillare gepressten Flüssigkeitsstrahls, über einen dazu konzen¬ trisch geführten Luftstrom abgerissen werden. Man erhält so Tropfengrößen zwischen ca. 200 μm und ca. 2 mm mit einer sehr engen Größenverteilung. In dieser Veröffentlichung geht es jedoch in erster Linie um einen Laboraufbau mit sehr geringem Durchsatz der für technische Anwendungen vollkommen ungeeignet ist.

2. Die Vibrationsdüse Ein anderes Verfahren zur Tropfenerzeugung ist jenes, das in der Patentan¬ meldung DE 3836894 beschrieben wird. Hier werden mehrere Kapillaren in Schwingung versetzt, was zu einem Zerteilen der Flüssigkeitsstrahlen in Ein¬ zeltropfen führt. Die erhaltenen Tropfen haben auch hier Durchmesser zwi¬ schen ca. 200 μm und ca. 2 mm, wobei die Produktivität deutlich höher als bei den o. g. Düsen ist, jedoch bei einer viel breiteren Größenverteilung. Das Sys- tem erfordert bei jeder neuen Anwendung eine Neujustierung da die Resonanz¬ frequenz für den Tropfenabriss immer neu eingestellt werden muss. Derzeit gibt es technische Verfahren, die Düsen verwenden, die nach dem o. g. Prinzip funktionieren. So bietet beispielsweise die deutsche Firma BRACE aus Alzenau bei Frankfurt/Main derartige Systeme für den industriellen Einsatz an.

Ausgehend von dieser Sachlage liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Düsensystem zu beschreiben, das aufgrund seines modularen Aufbaus in der Lage ist, aus Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität Tropfen in einem wei¬ ten Größenbereich mit einer engen Verteilung in Mengen herzustellen, die für eine technische Produktion geeignet sind. Das System funktioniert nach dem Prinzip der Zweistoffdüse und kommt somit ohne bewegte Teile und ohne auf¬ wändige Einstellungen der Parameter für die Tropfenerzeugung aus.

Erfindungsgemäß besteht das System aus sogenannten Einzelköpfen (EK), die zu Einzelanordnungen (EA) zusammengefügt werden können. Diese Einzelan¬ ordnungen können ihrerseits zu sogenannten Mehrfachanordnungen (MA) ver¬ eint werden. Jede dieser Mehrfachanordnungen kann in ähnlicher Weise selbst eine Einzelanordnung in einer noch größeren Mehrfachanordnung sein. Auf die¬ se Weise kann das Düsensystem je nach Bedarf beliebig erweitert werden ohne dass sich die physikalischen oder strömungstechnischen Gegebenheiten in dem System selbst grundlegend verändern. Die einzelnen Komponenten sind wei- testgehend Drehteile die aus geeigneten Materialien wie z. B. Edelstahl, Kunst¬ stoff, Keramik usw. gefertigt werden können. Die Düsen können beheizt wer¬ den und sind somit nicht nur für das Vertropfen von Lösungen sondern auch von Schmelzen geeignet.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Einzelkopfes (EK), der den Grundbaustein des Düsensystems bildet. Ein solcher Einzelkopf kann sowohl alleine als auch im Verbund mit anderen Einzelköpfen eingesetzt werden. Setzt man ihn alleine ein, muss zusätzlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau der Kopf mit einer ge¬ eigneten Abdeckplatte nach oben hin verschlossen werden. Diese Platte be- wirkt die Entstehung einer geschlossen Kammer im oberen Teil von Al und trägt die Anschlüsse für die Flüssigkeit und das Gas.

Der Einzelkopf ist im Grunde eine Mehrfachanordnung von sogenannten Zwei¬ stoffdüsen. Dies können beispielsweise 4; 8; 16; 32 usw. Einzeldüsen sein. Das Funktionsprinzip der Zweistoffdüse ist literaturbekannt. Erfindungsgemäß wurden sie jedoch so modifiziert, dass die einzelnen Zweistoffdüsen im Inne¬ ren eines Einzelkopfes über gemeinsame Kanäle für die Flüssigkeit und auch das Gas miteinander in Verbindung stehen. Auf diese Weise werden zusätzliche Zuleitungen vermieden was die Zuverlässigkeit und die Wartungsfreundlichkeit erhöht.

Der Einzelkopf besteht aus folgen Hauptkomponenten: - einem Verteilkörper für die Flüssigkeit Al mit eingearbeiteten Kapillaren Kap - einer Trennplatte A2, durch die die Kapillaren und das Gas mittels geeigneter Öffnungen hindurch geführt werden - einem Verteilkörper für das Gas A3 mit Austrittsöffnungen für das Gas und die flüssigkeitsführenden Kapillaren - Dichtungen Dil; Di2 usw.

Die Teile sind miteinander verschraubt wodurch der Einzelkopf leicht zerlegt werden kann. Er funktioniert wie folgt:

Das zu vertropfende Material wird über geeignete Zuleitungen in die Verteil¬ kammer des Körpers Al befördert. Dies kann beispielsweise mittels Druck oder Pumpen geschehen. Es muss in jedem Fall gewährleistet sein, dass die Flüssig¬ keit dem Kopf in einem gleichmäßigen Fluss zugeführt wird. Im Inneren der Kammer wird die Flüssigkeit auf die einzelnen Kapillaren verteilt und durch den hier herrschenden Druck durch diese gepresst. Dadurch entsteht aus jeder Kapillare am unteren Düsenende ein Flüssigkeitsstrahl.

Zeitgleich wird über einen Kanal in der Wandung des Kopfes und über eine Öffnung in der Trennplatte A2 ein Gas in die Verteilkammer des Körpers A3 geleitet, das über entsprechende Kanäle gleichmäßig den Austrittsöffnungen in A3 zugeführt wird. Im Zentrum der Austrittsöffnungen befinden sich die flüs¬ sigkeitsführenden Kapillaren. Auf diese Weise entsteht an jeder Kapillare ein konzentrischer Luftstrom. Dieser Luftstrom bewirkt einen definierten Tropfen- abriss wobei die Tropfengröße im umgekehrten Verhältnis zum Luftstrom steht.

Fig. 2 zeigt in welcher Weise die Einzelköpfe aus Fig. 1 zu einer Einzelanord¬ nung (EA) zusammengefügt werden können. Eine Einzelanordnung kann bei¬ spielsweise 4; 6; 8 usw. Einzelköpfe beinhalten. Die Einzelanordnung besteht aus folgenden Teilen:

- einer Abdeckplatte Bl, die die Anschlüsse für die Flüssigkeit und das Gas trägt - einer Verteilerplatte B2 an deren Ober- und Unterseite Kanäle für die Flüs¬ sigkeit und das Gas eingefräst sind - einer Deckplatte für die Einzelköpfe B3 mit geeigneten Öffnungen für die Flüssigkeit und das Gas - Dichtungen Dl; D2 - einer Grundplatte B4 für die Aufnahme der Einzelköpfe EK

Die Einzelanordnung EA funktioniert wie folgt:

Über die Anschlüsse in der Abdeckplatte Bl wird die Flüssigkeit und das Gas den Kanälen in der Verteilerplatte B2 zugeführt. Diese Kanäle sind strahlenför¬ mig angeordnet, leiten die beiden Medien an die geeigneten Stellen der Einzel¬ köpfe und verteilen diese gleichmäßig auf alle Einzelköpfe. Durch entsprechen¬ de Bohrungen in der Deckplatte B3 wird sichergestellt, dass sowohl die Flüs¬ sigkeit als auch das Gas an die dafür vorgesehenen Stellen der Einzelköpfe ge¬ langen. Auf diese Weise werden die Einzelköpfe versorgt und können wie bei Fig. 1 beschrieben funktionieren. Die Grundplatte B4 dient der Aufnahme der Einzelköpfe EK und der Befesti¬ gung der Einzelanordnung EA auf der Grundplatte einer Mehrfachanordnung oder in einer Maschine.

In Fig. 3 ist eine Mehrfachanordnung dargestellt. Im Grunde ist sie wie die in Fig. 2 dargestellte Einzelanordnung aufgebaut und funktioniert auch in glei¬ cher Weise, Der einzige Unterschied zur Einzelanordnung besteht darin, dass die Einzelköpfe EK hier durch ganze Einzelanordnungen EA ersetzt wurden. Dementsprechend besteht die Mehrfachanordnung aus: - einer Abdeckplatte Cl, die die Anschlüsse für die Flüssigkeit und das Gas trägt einer Verteilerplatte C2 an deren Ober- und Unterseite Kanäle für die Flüssigkeit und das Gas eingefräst sind - einer Deckplatte für die Einzelköpfe C3 mit geeigneten Öffnungen für die Flüssigkeit und das Gas - Dichtungen Dil; D21 - Grundplatte C4 für die Aufnahme der Einzelanordnungen EA

Die Mehrfachanordnung MA funktioniert analog der Einzelanordnung EA:

Über die Anschlüsse in der Abdeckplatte Cl wird die Flüssigkeit und das Gas den Kanälen in der Verteilerplatte C2 zugeführt. Diese Kanäle sind strahlenför¬ mig angeordnet, leiten die beiden Medien an die geeigneten Stellen der Einzel¬ anordnungen und verteilen diese gleichmäßig auf alle Einzelanordnungen. Durch entsprechende Bohrungen in der Deckplatte C3 wird sichergestellt, dass sowohl die Flüssigkeit als auch das Gas an die dafür vorgesehenen Stellen der Einzelanordnungen gelangen. Auf diese weise werden die Einzelanordnungen versorgt und können wie bei Fig. 2 beschrieben funktionieren.

Die Grundplatte C4 dient hier der Aufnahme der Einzelanordnungen und der Befestigung der Mehrfachanordnung MA auf der Grundplatte einer größeren Mehrfachanordnung oder in einer Maschine.