Vorrichtung zum Zerstäuben eines flüssigen Mediums mit Hilfe von Ultraschall

Abstract

 Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Zerstäuben eines festen oder flüssigen Mediums mit Hilfe einer stehenden Ultraschallwelle, die zwischen zwei Ultraschallsendern (1, 3) ausgebildet wird. Dadurch wird eine automatische Ab­stimmung der stehenden Ultraschallwelle bei einer Än­derung der Temperatur des Mediums oder anderer Ver­fahrensparameter erreicht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen, normalen Flüssigkeiten oder agglomerier­ten Stoffen, mit Hilfe von Ultraschall mit einem ersten Ultraschallsender, zu dem beabstandet ein Ultraschallre­flektor angebracht ist, zwischen denen eine stehende Ultraschallwelle ausgebildet wird, in die das zu zer­stäubende Medium eingebracht wird.

[0002] Eine derartige Vorrichtung, die sich an und für sich bewährt hat, ist in der deutschen Patentschrift 26 56 330 beschrieben. Der Reflektor ist dort als passives Bauteil ausgebildet. Der Abstand zwischen Sender und Reflektor wird dort über eine geeignete Mechanik eingestellt, die aber lediglich den Reflektor verschiebt. In dieser Druck­schrift wird auch schon erwähnt, daß eine Erhöhung des statischen Gasdrucks in der die stehende Ultraschallwelle umgebenden Kammer zu einer proportionalen Erhöhung des Schallpegels führt. Weiterhin wird dort erwähnt, daß man einen Gasstrahl in die Kammer einblasen kann, um das zer­stäubte Medium dadurch schneller abkühlen zu lassen, daß es gegen ein gekühlte Metallfläche gespritzt wird.

[0003] Einen ähnlichen Stand der Technik beschreibt im übrigen die DE-PS 28 42 232, der auch noch der Gedanke entnommen werden kann, das zu zerstäubende Medium in die Druckkno­ten der stehenden Ultraschallwelle einzubringen.

[0004] Bedingt durch die geringen Abstände zwischen Sender und Reflektor beim geschilderten Stand der Technik wird aller dings der Reflektor während des Zerstäubungsvorganges mit flüssiger Schmelze beaufschlagt und setzt sich daher nach einer gewissen Betriebszeit zu. Der Sender dagegen bleibt durch die Vibration des Sendertellers und durch die damit verbundene Erzeugung des Ultraschallwindes frei.

[0005] Weitere Beeinträchtigungen ergeben sich bei dieser be­kannten Vorrichtung durch Veränderungen im Schallfeld, insbesondere bedingt durch Temperaturschwankungen beim Einbringen des Schmelzstrahls in das Schallfeld. Hier­durch ändern sich die Parameter des Schallfeldes, so daß zur Aufrechterhaltung der stehenden Welle der Re­flektor ständig nachgeführt werden muß. Wie erwähnt er­folgt diese Nachführung unsymmetrisch bezüglich der gehäusefesten Zufuhrstelle für die Schmelze bzw. das zu zerstäubende Medium.

[0006] Ausgehend von einer Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese so auszugestalten, daß eine Verstimmung der stehen­den Schallwelle im Betrieb der Vorrichtung selbsttätig verhindert wird. Außerdem soll die Energie der stehenden Schallwelle fühlbar erhöht werden können.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch ge­kennzeichnet, daß der Reflektor als ein zweiter Ultra­schallsender ausgebildet ist, dessen elektrische und akustische Eigenschaften etwa gleich denjenigen des ersten Senders sind.

[0008] Durch den hiermit vorgesehenen Einsatz zweier gleich starker, aktiver Ultraschallwandler oder Ultraschall­sender, die gleichzeitig als Sender und Reflektor wir­ ken, ergibt sich neben einer Erhöhung des Schallpegels eine thermische und akustische Symmetrie im Bereich der stehenden Schallwelle, die eine automatische Abstimmung der Schallwelle bei einer Änderung der Temperatur oder anderer Betriebsparameter ermöglicht.

[0009] Die Zufuhr für das zu zerstäubende Medium soll in der Mitte zwischen den beiden Sendern erfolgen, und zwar in einem Druckknoten der Schallwelle. Die beiden Sender werden dann dazu symmetrisch verschoben, und zwar um einander gleiche Wegstrecken in axialer Richtung nach außen oder innen gefahren.

[0010] Durch die Ausbildung des Reflektors als aktiver Ultra­schallwandler, d.h. als Sender, wird auch dort ein An­setzen des zerstäubten Mediums verhindert, weil beide Wandler sich durch Ultraschallwind selbst reinigen.

[0011] Die Abstandsänderung zur Anpassung an die Resonanz der stehenden Schallwelle kann durch einen phasenintensiven oder amplitudenintensiven Schallaufnehmer erfolgen, der vorzugsweise in der Nähe der Stirnfläche eines der beiden Sender angebracht wird, abermals vorzugsweise außerhalb des Zerstäubungsbereiches. Die Abstandsänderung kann aber auch anhand des Leistungsmaximums des abgestrahlten Ultraschalls automatisch oder von hand kontrolliert bzw. geregelt werden, da beide Wandler bei Stehwellenresonanz ausgeprägte Impedanzmaxima besitzen.

[0012] Beide Sender können über eigene oder über denselben Fre­quenzgenerator gespeist werden. Bei Verwendung ein und desselben Frequenzgenerators wird ohne weitere Maßnahmen sichergestellt, daß beide Sender mit derselben Frequenz und Amplitude schwingen. Bei Speisung beider Sender über eigene Frequenzgeneratoren kann man deren Frequenzen um ein geringes Maß voneinander abweichen lassen, so daß die zu erwartenden Schwebungen, die durch Interferenz der von beiden Sendern abgestrahlten Wellen entstehen mit einer Frequenz erfolgen, die die Zerstäubung nicht stört. Zu demselben Zweck kann auch der Frequenzgenerator als Wobbelsender ausgebildet sein, der in einem schmalen Fre­quenzb and um die Eigenfrequenzen der beiden Sender ar­beitet.

[0013] Für die Zufuhr des zu zerstäubenden Mediums zu der stehenden Schallwelle wird ein gehäusefestes, beheiztes Röhrchen vorgesehen, das insbesondere für die Zufuhr einer flüssigen Schmelze aus einem entsprechenden Re­servoir geeignet ist. Die Mündung des Röhrchens sollte wenige mm vor der die Sender verbindenden Achse ange­ordnet sein, damit die austretende Schmelze unter op­timalen Pegelbedingungen zerstäubt werden kann. Der radiale Abstand liegt beispielsweise bei 2 oder 3 mm. Der Durchmesser des Röhrchens sollte am Auslauf etwa 6 bis 8 mm nicht überschreiten. In einem Abstand von ca. 20 mm von der Zerstäuberachse kann er aber auf 20 bis 30 mm erweitert werden, um eine Widerstands-Heizwicklung im Röhrchen unterbringen zu können. Dadurch wird sicher­gestellt, daß eine ausreichend erhitzte Schmelze direkt in die stehende Ultraschallwelle abgegeben wird.

[0014] Das Röhrchen kann auch aus BN (Bornitrid) gefertigt werden, um ggf. ein Anhaften von Tropfen der Schmelze zu verhindern.

[0015] Eine wichtige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem Druckbe­hälter eingebaut ist, so daß die Zerstäubung bei fühl­ barem Überdruck stattfindet, beispielsweise in der Größenordnung zwischen 3 und 10 bar, ggfs. auch bei einem höheren überdruck. Wegen der großen Oberflächenspannung von Metallschmelzen sind zum Zerstäuben Schallpegel von über 180 dB erforderlich. Diese hohen Schallpegel können nur bei Gasüberdruck erreicht werden. Als Gas nimmt man üblicherweise ein Inertgas.

[0016] Die Zerstäubung einer Metallschmelze bei Gasüberdruck hat auch den Vorteil, hohe Schallpegel bei relativ kleinen Ultraschallamplituden der Wandler zu erreichen, so daß man zu sehr viel größeren Standzeiten der Wandler kommt.

[0017] Bei einem erhöhten Gasdruck ist die Konvektionskühlung der zerstäubten Schmelze verbessert und damit wird die Erstarrungszeit erheblich verkürzt, so daß man unter Umständen zu einer amorphen Erstarrung der Metallpulver kommt.

[0018] Wegen der bei extrem schneller Erstarrung und relativ geringen Fluggeschwindigkeit der Tröpfchen (um 1 m/s) zu erwartenden kurzen Flugstrecke in der schmelzflüssigen Phase sind die Abmessungen des Druckbehälters relativ klein, so daß Laboranlagen mit Abmessungen unter 1 m Durchmesser und 1 bis 2 m Höhe realisierbar sind.

[0019] Um ein Anhaften der zerstäubten Teilchen an den Sendern bzw. an der Wand des Druckbehälters zu verhindern, wird es weiterhin bevorzugt, wenn dort eine Luftschleuse aus­gebildet wird, die den Transport der Teilchen zu diesen Flächen verhindert.

[0020] Weiterhin wird es bevorzugt, den Sauerstoff-Partialdruck auf einen extrem niedrigen Wert einzustellen. Bei Abwe­ senheit von Sauerstoff entstehen nämlich kugelige Pulver, während bei einem normalen Sauerstoff-Partialdruck der Luft spratzige Teilchen entstehen, die ggf. beim Sintern vorteilhaft sind.

[0021] Die Erhöhung des Schallpegels infolge einer Erhöhung der Schallamplitude und/oder des Gasdrucks führt insgesamt zu feineren Pulvern, ohne daß, wie dies sonst bei der Ultra­schallzerstäubung der Fall ist, die Frequenz geändert werden muß.

[0022] Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich grundsätzlich für die Ultraschall-Zerstäubung aller schmelzbaren oder flüssigen Medien. Insbesondere ist sie zur Zerstäubung von Metallschmelzen geeignet. Weitere Anwendungsgebiete sind in den eingangs erwähnten deutschen Patentschriften 26 56 330 und 28 42 232 aufgeführt.

[0023] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­beispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Die Figur zeigt einen teilweise sche­matischen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Zer­stäubungsvorrichtung zum Zerstäuben einer Metallschmelze.

[0024] Ein erster Ultraschallsender 1 und ein zweiter Ultra­schallsender 2 sind je auf einer Schlitteneinheit 3 mon­tiert, die über einen Schrittmotor oder Gleichstrommotor 4 bewegt wird. Beide Sender 1, 2 werden vorzugsweise mit derselben Betriebsfrequenz betrieben, dei beispielsweise bei 20 kHz liegt. Beide Sender können durch einen ei­genen Frequenzgenerator 5 gespeist werden, der nach dem Prinzip des rückgekoppelten Oszillators arbeitet.

[0025] Beide Sender 1,2 sind mit einer Luftschleuse 6 als zu­sätzliche Maßnahme zur Verhinderung des Anhaftens von Schmelze ausgerüstet.

[0026] Durch die beweglichen Schlitteneinheiten 3 wird der Ab­stand zwischen den Sendern 1,2 den jeweiligen Betriebs­bedingungen angepaßt, und zwar symmetrisch zu einem Schmelzenstrahl 7, der über ein - nicht gezeigtes - be­heiztes Röhrchen Schmelze aus einem Schmelzofen 16 in das stehende Ultraschallfeld 14 transportiert.

[0027] In der Nähe eines der beiden Sender 1,2 ist ein Druck­sensor 8 angeordnet, der den Schalldruck der stehenden Welle 14 mißt und anhand eines Maximums zur elektroni­schen Nachführung weitergibt. Von dort erhalten die Stellmotoren 4 ihre Stellimpulse.

[0028] Die Schlitteneinheiten werden mit Hilfe von Winkelko­dierern 10 am Stellmotor oder von Linearpotentiometern 11 am Schlitten positioniert.

[0029] Die elektronische Nachführung 9 sucht immer diejenige Position, in der der Schalldruck des Schallfeldes 14 seinen maximalen Wert hat.

[0030] Die Frequenz des zweiten Senders 2 kann nahe bei der Frequenz des ersten Senders 1 liegen. Zur Verhinderung von zu niederfrequenten Schwebungen, die durch Indif­ferenz der von den beiden Sendern abgestrahlten Wellen entsteht, sollen sich beide Frequenzen um wenigstens 0,5 % unterscheiden.

[0031] Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung werden beide Ultraschallwandler 1,2 mit einem Fre­ quenzgenerator bei exakt der gleichen Frequenz und gleicher Phasenlage betrieben, so daß die abgestrahl­ten Schallwellen sich immer verstärken.

[0032] Der Generator kann als Wobbelsender ausgebildet sein, der in einem schmalen Frequenzband um die Eigenfrequenzen der beiden Wandler arbeitet.

[0033] Die beiden Sender können über einen direkten Luftanschluß 12 oder über einen indirekten Wasseranschluß (Kühlschlange) gekühlt werden.

[0034] Die beschriebene Vorrichtung ist in einem Druckbehälter 13 eingebaut, so daß der Innenraum mit dem dort ausge­bildeten stehenden Schallfeld druckdicht nach außen ist. Dadurch kann der Innendruck in der Kammer entsprechend erhöht werden und durch diese Druckerhöhung erhält man eine höhere Energiedichte der stehenden Ultraschallwelle 14 bei gleicher Amplitude der Ultraschallwandler. Damit geht eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Zerstäu­bung bei gleichzeitiger Verlängerung der Lebensdauer der Sender einher.

[0035] In der Kammer kann Luft, ein Inertgas oder auch ein beliebiges anderes Gas oder Gasgemisch vorgesehen sein, wobei man auch den Patialdruck des Sauerstoffs ent­sprechend einstellen kann.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen, normalen Flüssigkeiten oder agglomerierten Stoffen, mit Hilfe von Ultraschall mit einem ersten Ultraschallsender, zu dem beabstandet ein Ultraschallreflektor ange­bracht ist, zwischen denen eine stehende Ultra­schallwelle ausgebildet wird, in die das zu zer­stäubende Medium eingebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Reflektor als ein zweiter Ultraschallsender (2) ausgebildet ist, dessen elektrische und akustische Eigenschaften etwa gleich denjenigen des ersten Sen­ders (1) sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (3,4) vorgesehen ist, die beide Sender (1,2) in axialer Richtung symmetrisch zueinan­der verschiebt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zufuhr des zu zerstäubenden Mediums gehäuse­fest und mittig zu den beiden Sendern (1,2) im Druck­knoten der Schallwelle (14) erfolgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Schallaufnehmer (8) im Schallfeld (14) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Meßgerät vorgesehen ist, das die Leistungs­aufnahme wenigstens eines der Sender (1,2) mißt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangssignale des Schallaufnehmers (8) bzw. des Meßgerätes den Abstand der Sender (1,2) voneinander steuern.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Sender (1,2) über eigene Frequenzgene­ratoren (5) gespeist werden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Sender (1,2) über denselben Frequenzgene­rator (5) gespeist werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundfrequenzen der beiden Sender (1,2) von­einander um ein geringes Maß verschieden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundfrequenzen der beiden Sender (1,2) einander gleich sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Frequenzgenerator (5) als Wobbelsender ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein gehäusefestes, beheiztes Röhrchen für die Zufuhr des Mediums zu der stehenden Schallwelle (14) vorgesehen ist, dessen Mündung wenige mm vor der die Sender verbindenden Achse angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie in einem Druckbehälter (13) eingebaut ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor den Sendern (1,2) und/oder vor der Innenwand des Druckbehälters (13) eine Luftschleuse (6) ausge­bildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung zur Einstellung des Sauerstoff-­Partialdrucks in der die stehende Schallwelle (14) umgebenden Kammer (13) vorgesehen ist.

Zeichnung