EP0907421A1 - Tröpfchenwolkenerzeuger - Google Patents

Tröpfchenwolkenerzeuger

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Publication number
EP0907421A1
EP0907421A1 EP97930351A EP97930351A EP0907421A1 EP 0907421 A1 EP0907421 A1 EP 0907421A1 EP 97930351 A EP97930351 A EP 97930351A EP 97930351 A EP97930351 A EP 97930351A EP 0907421 A1 EP0907421 A1 EP 0907421A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bending transducer
piezo bending
piezo
cloud generator
generator according
Prior art date
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Granted
Application number
EP97930351A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0907421B1 (de
Inventor
Joachim Heinzl
Ingo Ederer
Josef Grasegger
Wolfgang Schullerus
Carsten Tille
Original Assignee
Heinzl Joachim Prof Dr-Ing
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heinzl Joachim Prof Dr-Ing filed Critical Heinzl Joachim Prof Dr-Ing
Publication of EP0907421A1 publication Critical patent/EP0907421A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0907421B1 publication Critical patent/EP0907421B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14282—Structure of print heads with piezoelectric elements of cantilever type

Definitions

  • the invention relates to a droplet cloud generator and in particular to a droplet cloud generator as part of a burner.
  • Micro drop generator for the generation of individual drops on .Retrieval are known from ink printing.
  • EP-0 713 773 e.g. proposed a drop generator with piezoelectric bending transducers and one nozzle each under the transducer, in which the individual transducers are separated from one another by partition walls, thereby preventing a droplet from being ejected when a transducer is deflected from the nozzle associated with another transducer.
  • Transducers in which the chamber volume is changed are of complex construction. In the case of a piezo bending transducer, for example, there is a ⁇ ⁇ piezoceramic element with a membrane forming the chamber wall covered. This is necessary in order to achieve the volume change, because the expansion of a piezo crystal in one direction is always associated with a contraction perpendicular to it.
  • the invention solves the problem of creating an inexpensive pump with a small size, with which a liquid flow in the form of a droplet cloud can be metered at a high delivery rate while maintaining a certain droplet size and droplet density.
  • Piezo bending transducers generate a particularly high deflection with high acceleration and they can be operated at high frequencies. In addition, they have only low internal mechanical resistances. With the piezo bending transducer principle, a high conversion rate from " electrical to mechanical energy can be achieved
  • Piezo bending transducers have a simple design and are therefore inexpensive and reliable.
  • the special arrangement of the transducer and the large number of nozzles means that the converted mechanical energy can be used with a high degree of efficiency for the generation and promotion of the droplet flow. Because the energy is converted in the immediate vicinity of the nozzles on which the droplets are formed, a high proportion of the fluid-mechanical energy is fed to droplet formation and droplet delivery.
  • Opposite nozzle cross-sectional area in which a conversion of the pressure generated into delivery takes place by droplets are formed and ejected. A high proportion of the pressure generated is therefore implemented.
  • the gaps between the edges of the piezo bending transducer and the housing wall ensure that when the piezo bending transducer is moved back, liquid flows laterally around the
  • Piezo bending transducers can flow around, so that the increasing volume between the piezo bending transducer and the nozzle field is filled with flowing liquid and no air is drawn into the chamber through the nozzles.
  • the gaps are dimensioned so large that fluid-mechanical resistances occurring due to friction remain low enough that the deflection of the piezo-bending transducer is not significantly affected.
  • the gaps are so small dimensioned so that the liquid located in front of the transducer can not be displaced quickly enough through the gaps during the rapid movement of the piezo bending transducer and that it is pressed through the nozzles.
  • the voltage pulses emitted by the control arrangement are matched in such a way that the liquid delivery is made possible.
  • the stroke movement which causes the droplet to be ejected through the nozzle can take place considerably faster than the back movement of the piezo bending transducer, so that the
  • a connection between the chamber and the liquid supply can be connected at any suitable location in the chamber.
  • a connecting line is preferably arranged on a side of the piezoelectric bending transducer facing away from the nozzle field.
  • the chamber with the liquid supply can a line or other connection is connected.
  • the chamber is preferably connected to the liquid supply via a plurality of lines, in particular two lines. This can make it possible for the droplet cloud generator to be degassed during commissioning, in that liquid is supplied via one connecting line and gas or liquid is removed via the other connecting line.
  • an improved and faster liquid supply can be made possible with a plurality of lines in a suitable arrangement, which leads to a shortening of the duration of the filling process between two droplet generation pulses.
  • the connections between the chamber and the liquid reservoir can be designed to be as low-resistance as possible in terms of flow mechanics.
  • throttle points are preferably provided in these connections, which ensure that as little liquid as possible is displaced through the supply lines via which the chamber is connected to the liquid supply during the drop ejection process, and thus a high delivery rate of the droplet cloud generator is ensured.
  • the throttling points are preferably designed in such a way that they are used to oppose the liquid with the high pressure pulse during the droplet ejection, while with them the liquid is only opposed to a low fluid mechanical resistance during the refilling process at a lower pressure difference, so that the refilling done quickly and thus the spray frequency can be increased.
  • Check valves can also be provided in the connections in order to ensure that liquid can flow into the chamber via the connection, but that flow is inhibited at the same time.
  • the nozzles can be designed as cylindrical channels, gaps, channels with angular cross-sectional areas or channels of any shape, and they can have a constant channel cross-section. You can too be tapered towards the chamber. However, they are preferably tapered in the direction away from the chamber. This ensures that the cross-sectional area of the nozzle with the smallest diameter is present at the opening of the nozzles to the surroundings. Since interfaces between two fluids always strive to adopt the lowest possible energy state and this is achieved with the smallest possible surface area of the interface, an outwardly tapering nozzle means that the edge of the meniscus between the liquid and the gaseous environment always strives for it, on persist the outer end of the nozzle. By reducing the extent of the change in position of the edge of the meniscus, a particularly stable operation of the droplet cloud generator is ensured, which leads to a higher delivery rate because there are no failure cycles.
  • the outside of the housing wall in the part of the housing wall in which the nozzle field is arranged can be made of any suitable materials.
  • a coating with Teflon or with another suitable anti-adhesive material is preferably provided.
  • Such a coating prevents the outside from being wetted, i.e. the three-phase boundary line between liquid, gaseous environment and the housing wall structure is advanced out of the nozzle opening. It is achieved in that the edge of the meniscus remains at the end of the nozzle towards the outside during the formation of drops, thereby ensuring stable work and a high delivery rate.
  • the droplet cloud generator can have any suitable piezo bending transducer.
  • the piezo bending transducer is preferably a
  • Multi-layer piezoceramic transducer with an additional passive piezoceramic layer This means that the same deflection of the piezo converter can be achieved with a low control voltage. This has the advantage that the regulations for maximum voltages to be observed in many possible applications of the droplet cloud generator are observed
  • ERSA can be without the performance is limited.
  • the droplet cloud generator can have only one piezo bending transducer and only one nozzle field. According to the invention, however, a plurality of piezo bending transducers and / or a plurality of nozzle fields can also be provided in the droplet cloud generator.
  • a plurality of piezo bending transducers can be arranged in such a way that their plate surfaces are arranged next to one another in one plane, or can be arranged in such a way that the plate surfaces are overlapping or arranged next to one another in different planes.
  • an arrangement with a second piezo bending transducer and a second nozzle array is provided opposite the free end of the first piezo bending transducer, which arrangement is essentially mirror-inverted to the first piezo bending transducer and the first nozzle array.
  • the control arrangement is constructed in such a way that the piezo bending transducer and the second piezo bending transducer can be controlled with different pulse frequencies, pulse durations and / or pulse phases.
  • the opposing arrangement of the two piezo bending transducers when the piezo bending transducers are actuated in the same way, means that liquid which is displaced towards the other piezo bending transducer is exposed to a fluid mechanical resistance due to the oncoming fluid displaced by the other piezo bending transducer. This can build up a high pressure and increase the throughput.
  • the delivery throughput can be varied by means of a control with a shifted pulse phase. Activation can also be carried out with different pulse frequencies and / or pulse durations. A variation or different control with regard to one or more of the parameters pulse frequency, pulse duration and pulse phase can also be used so that the droplet size and the droplet speed can be varied with a fixed nozzle arrangement in the nozzle field.
  • the nozzle field can be formed in any suitable part of the housing wall.
  • the nozzle field is formed in a part of the housing wall which is arranged within the projection of the plate surface of the piezo bending transducer in the direction in which the free end of the piezo bending transducer can be moved when it passes through its rest position.
  • the nozzles of the nozzle array are thus essentially arranged in such a way that all the nozzles would be covered by the transducer surface if the piezo bending transducer were touched to the part of the
  • a gap of a suitable size is formed between the free end of the piezo bending transducer and the part of the housing wall opposite in the extension of the transducer.
  • the piezo bending transducer can have no or any suitable distance from the part of the housing wall in which the nozzle field is formed.
  • a small distance is formed between the piezo bending transducer and the part of the housing wall in which the nozzle field is formed.
  • the piezo bending transducer can either be first moved away from the nozzle field with the application of a voltage pulse and then moved back to the nozzle field with the application of a reverse polarized voltage or by using mechanical restoring forces, the drop ejection being effected.
  • the piezo bending transducer can, however, also be moved immediately in the direction of the nozzle field when the voltage pulse is applied, so that the drop ejection is initiated directly when the voltage pulse is applied. In this case too, the piezo bending element can abut the housing wall.
  • Such "bumping against the housing wall can have the beneficial effect have that the acceleration of the liquid is interrupted particularly abruptly and this results in a particularly regular and rapid tear-off.
  • the gap between the free end of the piezo bending transducer and the housing wall opposite in the extension of the piezo bending transducer can have any suitable width according to the invention. However, it is preferably not more than five times as large as the distance which occurs in the rest position of the piezo bending transducer when there is no voltage.
  • the piezo bending transducer in its rest position, which is set when there is no voltage, rests on the part of the housing wall in which the nozzle array is formed, and the piezo bending transducer is moved away from the nozzle array by means of the control arrangement when a voltage is applied.
  • the drop formation is only reversed when the piezo bending transducer snaps back after the end of the voltage pulse by applying an inverted one
  • the part of the housing wall in which the nozzle field is formed can, according to the invention, be formed like the other parts of the housing wall. However, the part of the housing wall preferably projects into the chamber.
  • Such a design has the advantage that the high pressure that builds up when the surface of the piezo-bending transducer moves towards the housing wall in the ever narrowing distance is only built up in the area in which it also comes from the escape of drops Nozzles can be dismantled and used. This leads to a "" reduction in fluid mechanical losses during of the drop ejection process and thus to an increase in the delivery rate and the efficiency of the pump. An advantageous effect is also achieved during the refilling process of liquid from the reservoir.
  • the close distance between the piezo bending transducer and the housing wall, into which liquid can flow only against a high fluidic resistance, is shorter compared to an embodiment without a housing wall part protruding into the chamber.
  • the required liquid can thus be drawn in more quickly and the droplet generation frequency and the delivery rate can be further increased.
  • the nozzle field is arranged in the extension of the piezo bending transducer opposite the free end of the piezo bending transducer.
  • the nozzle array can also be arranged a certain distance from the free end of the piezo bending transducer.
  • the nozzles are preferably oriented in the cantilever direction of the piezo bending transducer.
  • each piezo bending transducer Arrange piezo bending transducers in the direction of the plate surface one behind the other or next to one another within the plate surface plane, each piezo bending transducer being able to be assigned a corresponding nozzle field without the installation space required for arranging the piezo bending transducers having to be enlarged further because of the nozzle field.
  • the droplet cloud generator can be a droplet cloud generator for any suitable liquids.
  • the droplet cloud generator can be used separately or as part of any suitable system.
  • the droplet cloud generator is preferably part of a burner, the liquid supply being a liquid fuel supply. The ones that serve as burner nozzles
  • HE Nozzles of the nozzle array then have a narrowest diameter of at least 10 ⁇ m and at most 100 ⁇ m. This achieves droplet sizes which are particularly suitable for the production of an ignitable mixture of fuel droplets and a gaseous oxidizing agent.
  • droplet sizes mean that shortly after the droplets are expelled from the nozzles, complete evaporation of the fuel droplets is achieved and an ignitable and / or easily combustible
  • the nozzles according to the invention have a larger diameter than 100 ⁇ m in accordance with the fluid mechanical requirements.
  • the centers of adjacent nozzles of the nozzle array which serve as burner nozzles, can be at any suitable distance from one another.
  • the centers preferably have distances of at least 50 ⁇ m and at most 2000 ⁇ m from one another. The choice of distances from adjacent nozzles in this order of magnitude further improves the fuel / oxidizing agent mixture and thus further increases the burner output.
  • the droplet cloud generator can have any number of nozzles, depending on the intended use.
  • a droplet cloud generator preferably has at least 50 nozzles. From such a number of nozzles, a burner is particularly well suited for use as a burner for vehicle heaters or household heating devices.
  • holes are provided in the piezo bending transducer according to the invention in order to reduce the fluid mechanical resistance of the piezo bending transducer.
  • valves can be provided in the droplet cloud generator according to the invention, with which liquid delivery is possible even with larger nozzle diameters CD
  • FIG. 7 shows a sectional view of a droplet cloud generator according to yet another embodiment of the invention, in which the nozzle field is arranged opposite the free end of the piezo bending transducer;
  • FIGS. 8, 9, 10, 11 and 12 each show a sectional view of a droplet cloud generator according to yet another embodiment of the invention, in which the nozzle field is arranged opposite the free end in the extension of the piezo bending transducer;
  • FIG. 13a shows a sectional view of a nozzle array designed according to the invention
  • FIG. 13b shows a top view of the nozzle array shown in FIG. 13a
  • FIG. 14 shows a view of the droplet cloud generator from FIG. 9 in plan view in the direction perpendicular to the plate surface of the piezo bending element;
  • FIG. 15 shows an example of the contacting of a piezo bending transducer in a droplet cloud generator designed according to the invention
  • FIG. 16 shows a basic representation of a bimorph piezoelectric bending transducer
  • FIG. 17 shows a basic illustration of a monomorphic piezo bending transducer
  • FIG. 18 shows a basic illustration of a multilayer piezo bending transducer
  • FIG. 19 shows a basic illustration of a control arrangement used according to an embodiment of the invention.
  • FIGS. 1 and 2 The construction of one is shown in FIGS.
  • a pump chamber 1 is formed in a housing and can be filled with liquid.
  • the housing wall 2 is formed by a housing base part 2c, a housing middle part 2b and a housing cover part 2d.
  • a piezo-bending transducer 4 is fastened cantilevered within the chamber 1 and can be deflected by means of control via the control arrangement 6 (not shown in FIGS. 1 a to 1 c). How from FIGS. 1 a and 1 c show the piezo bending transducer 4 in the form of a plate. It is attached with its end 4e inside the housing. The opposite end 4d is free.
  • the plate surface 4c is delimited by the edges 4b arranged laterally in the cantilever direction.
  • the piezo bending transducer 4 is made up of two layers 4f, 4g made of piezoceramic. When a voltage is applied, the piezo-bending transducer 4 can be bent about the axis 4a running transversely to the cantilever direction. With such a bend, as can be seen from FIG. 1b, the free end 4d moves along a curve which approximately corresponds to a movement perpendicular to the cantilever direction and perpendicular to the bend axis 4a.
  • a part 2a of the housing wall 2 is within the projection of the plate surface 4c onto the housing wall 2 in the direction of
  • Direction of movement of the free end 4d of the piezo bending transducer 4 is arranged on passing through its rest position to the adjacent part of the housing wall.
  • a nozzle field 3 with a plurality of nozzles 3a is formed in the part 2a of the housing wall 2.
  • the plate surface 4c and the part 2a of the housing wall 2 are each flat surfaces which run parallel to one another.
  • a distance 7 is formed between the piezo bending transducer 4 and the part 2 a of the housing wall 2 in which the nozzle field 3 is formed in the rest position of the piezo bending transducer 4, which is set when there is no voltage.
  • housing wall 2 are provided with gaps 5a which are sufficiently large so that a movement of the piezo bending transducer 4 is not opposed to excessive flow resistance and when the piezo bending transducer 4 moves backward, a sufficient flow can take place away from the nozzle field 3, so that no air is drawn into the chamber 1 through the nozzles 3a. "At the same time, gaps 5a are sufficiently narrow that when the piezo bending transducer 4 is moved towards the nozzles 3a, the liquid cannot escape through the gaps 5a sufficiently quickly, but is pressed through the nozzles 3a.
  • a gap 5b is also formed, which is less than 5 times as wide, namely about 4 times as wide as the distance 7.
  • the piezo bending transducer has dimensions of 9 x 4 x 0.5 mm.
  • the active, free length is 5.5 mm.
  • the deflections that can be achieved at the free end are approx. 25 ⁇ m at 50 V.
  • the chamber 1 is formed larger on the side of the piezo bending transducer 4 facing away from the nozzle field 3 than the distance 7 on the other side
  • the housing middle part 2b of the housing wall 2 which is arranged between the housing bottom part 2c and the housing cover part 2d and whose height determines the chamber height, has a height in this exemplary embodiment from 675 ⁇ m.
  • the housing components are preferably made of silicon.
  • the chamber 1 is connected via lines 8 to a liquid supply (not shown). Throttling points 8a are formed in the lines 8.
  • the lines 8 are at a substantial distance from one another. They can therefore also be used for flushing when the pump is started up. It is advantageous that one of the two lines 8 is arranged at the end of the housing in the direction of the free end 4d of the piezo bending transducer 4. With a corresponding orientation of the chamber 1 relative to gravity, the pump can be degassed by means of liquid supply via the centrally arranged line 8 and discharge from the line 8 arranged at the end. Existing gas bubbles rise upwards and are flushed out of chamber 1.
  • a line 8 has an inner diameter of 1 mm.
  • the piezo bending transducer can be deflected by applying voltage pulses to the piezo bending transducer 4 by means of the control arrangement 6. As a result, liquid can be displaced towards the nozzles and droplets are expelled from the nozzles 3a.
  • the piezo bending transducer 4 can be moved towards and away from the nozzle field 3 by means of the control arrangement 6 by applying a voltage.
  • the piezo-bending transducer 4 can be deflected to such an extent when moving towards the nozzle array 3 that the free end 4d of the piezo-bending transducer 4 abuts the part 2a of the housing wall 2 in which the nozzle array 3 is formed. The movement de.
  • ⁇ piezo bending transducer 4 is thereby braked abruptly, which leads to a particularly favorable drop tear-off.
  • the piezo bending transducer 4 can, however, first be moved to a certain extent away from the nozzle field 3, so that a larger amount of liquid between the piezo bending transducer 4 and the
  • Nozzle array 3 is present before the piezo bending transducer 4 is moved onto the nozzle array 3.
  • the piezo bending element consists of two layers 4f, 4g. These are connected to each other in a shear-resistant manner.
  • the structure of the piezo bending element used in this embodiment of the invention can be seen more clearly from FIG. It is a monomorphic actuator.
  • One of the layers is a piezoceramic layer, the other a layer of metal or another suitable material.
  • the piezoceramic layer is stretched or compressed by applying a voltage.
  • the process can be reversed by unloading. This can be done either by applying an appropriate counter voltage or by slowly unloading independently.
  • piezo bending actuators used according to the invention can be seen with a bimorph piezo bending actuator from FIG. 16 and a multilayered piezo bending actuator from FIG. 18. There are two in the bimorph actuator
  • Piezoceramic plates with an electrode in the middle whereby both layers are polarized in reverse.
  • the stretchable or compressible layer is made of alternately stacked thin, e.g. 20 ⁇ m thin piezo layers and electrodes built up that are firmly glued or sintered together.
  • the electrodes are interlocked like a layer capacitor, i.e. the reverse polarized electrodes alternate.
  • the same electrical field strength is generated in the piezoceramic layers at a lower voltage and thus the same extent of a piezo effect.
  • the operating voltage is considerably reduced, e.g. from several 100 V to approx. 30 to 60 V.
  • nozzles 3a which form the nozzle array 3.
  • FIGS. 13a and 13b show how the nozzles 3a and the nozzle fields 3 are designed in another advantageous embodiment. As can be seen from Figure 13a, the nozzles are designed such that they differ from the
  • the part 2a of the housing wall in which the nozzles 3a of the nozzle array are formed is 35 ⁇ m on the outside L LO to t Ln O L ⁇ o Ln L ⁇
  • Piezobiegewandlers 4 opposite corner of the housing wall 2 is formed.
  • the nozzle field is formed at the interface between the two housing components, the housing base part 2c and the housing cover part 2c.
  • the piezo-bending transducer 4 does not rest over its entire length on the housing wall 2 in its rest position, but rather with its fastened end 4e rests on the housing bottom part 2c of the housing wall 2 attached and in the area of the free end 4d of the piezo bending transducer 4, recesses 9 are provided in the housing base part 2c, which are designed as channels. With the recesses 9, the space of the chamber 1, on the side of the piezoelectric transducer facing away from the lines 8, via which the chamber 1 is connected to the liquid supply, is widened. The recesses 9 in the housing base part 2c extend essentially in the cantilever direction of the piezo bending transducer 4. In the of the housing wall 2 at the point where the housing base part 2c and
  • the recesses 9 pass into the nozzles 3a of the nozzle array 3.
  • FIGS. 10, 11 and 12 show embodiments in which the pump chamber 1 and the nozzles 3a are essentially designed as in the embodiments of FIGS. 7, 8 and 9.
  • the piezo bending transducer 4 is not, as is shown in FIGS. 8 and 9 can be seen, only attached to a housing component 2c, but the piezo bending transducer 4 is clamped to the housing between the housing base part 2c and the housing cover part 2d.
  • FIG. 14 shows a top view, like that of the embodiments shown in FIGS. 8, 9, 11 and 12

Abstract

In einer mit einem Flüssigkeitsvorrat in Verbindung stehenden Pumpenkammer (1) ist ein auskragend befestigter Piezobiegewandler (4) so angeordnet, dass damit bei einer unter Anlegen von Spannungspulsen erzielten Auslenkung eine Mehrzahl von Tröpfchen aus einem in der Gehäusewand (2c) der Pumpenkammer (1) vorgesehenen Düsenfeld (3) mittels einer Mehrzahl von Düsen (32) ausstossbar ist. Zwischen den zur Auskragrichtung seitlichen Rändern und dem freien Ende (4d) des Piezobiegewandlers (4) und benachbarten Abschnitten der Gehäusewand sind Spalte (5b) ausgebildet. Das Düsenfeld (3) kann in der Projektion der Plattenfläche des Piezobiegewandlers (4) in dessen Bewegungsrichtung oder in der Verlängerung des Piezobiegeelements (4) oder in anderer geeigneter Stellung angeordnet sein. Als Bestandteil einer Brennervorrichtung eignet sich der Tröpfchenwolkenerzeuger hervorragend zum Erzeugen eines zündfähigen Kraftstoff/Oxidationsmittel-Gemisches.

Description

Tröpfchenwolkenerzeuger
Die Erfindung betrifft einen Tröpfchenwolkenerzeuger und insbesondere einen Tröpfchenwolkenerzeuger als Bestandteil eines Brenners .
Mikrotropfenerzeuger für die Erzeugung von einzelnen Tropfen auf .Abruf sind aus dem Tintendruck bekannt. In der EP-0 713 773 wird z.B. ein Tropfenerzeuger mit piezoelektrischen Biegewandlern und je einer Düse unter dem Wandler vorgeschlagen, bei dem die einzelnen Wandler mit Trennwänden voneinander getrennt sind, damit verhindert wird, daß beim Auslenken eines Wandlers aus der einem anderen Wandler zugeordneten Düse ein Tropfen ausgestoßen wird.
Aus der älteren deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 19507978.7 ist ein Dosiersystem für die Brennstoffdosierung mit einer Vielzahl von Mikrodüsen bekannt, das elektrothermische, elektrostatische, elektrodynamische oder piezoelektrische Wandler aufweist, mit denen aufgrund eines elektrischen Ansteuersignais eine Expansion von Dampfblasen in einer brennstoffgefüllten Kammer bzw. eine Volumenänderung dieser Kammer bewirkt wird und die sich somit zum wiederholten Ausstoß von im wesentlichen gleichgroßen Brennstofftropfchen eignen. Als bevorzugtes Wandlerprinzip ist der Einsatz eines Piezomembran-Aktors beschrieben.
Beim Einsatz der Dampfblasenexpansion als .Aktorprinzip zum Dosieren von gebräuchlichen Brennstoffen verdampfen die unterschiedlichen Kraftstoffbestandteile unter sehr unterschiedlichen Bedingungen. Die Verdampfung tritt daher nicht aprupt genug ein, um eine gute Tropfchenbildung zu erreichen. Schwankungen in der BrennstoffZusammensetzung führen zudem zu Unregelmäßigkeiten, so daß eine zuverlässige Dosierung oder Förderung mit dem Dampfblasenprinzip nicht möglich ist. Wandler, bei denen das Kammervolumen verändert wird, sind kompliziert aufgebaut. Bei einem Piezobiegewandler ist z.B. ein ~~Piezokeramikelement mit einer die Kammerwand bildenden Membran abgedeckt. Dies ist notwendig, um die Volumenveränderung zu erzielen, weil mit der Dehnung eines Piezokristalls in eine Richtung stets ein Zusammenziehen senkrecht dazu verbunden ist. In dem Piezowandler und der Membran muß bei der Auslenkung in großem Umfang Material verformt werden, so daß gegen hohe innere mechanische Widerstände Verformungs rbeit geleistet werden muß. Derartige Wandler arbeiten daher mit einem schlechten Wirkungsgrad. Im Verhältnis zur Baugröße der Wandlerelemente läßt sich infolge der Widerstände auch nur ein geringer Hub erzielen. Eine hohe Beschleunigung von Flüssigkeit läßt sich ebenfalls nicht erreichen.
Durch die Erfindung wird das Problem gelöst, eine kostengünstige Pumpe mit geringer Baugröße zu schaffen, mit der ein Flüssigkeitsstrom in Form einer Tropfchenwolke bei einer hohen Förderleistung unter Einhaltung bestimmter Tropfengröße und Tropfendichte dosiert werden kann.
Das Problem wird erfindungsgemäß mit einem Tröpfchenwolkenerzeuger mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
Durch die Idee, mit einem innerhalb einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer strömungstechnisch effektiv angeordneten Piezobiegewandler ein ganzes Feld von Düsen mit Druck zu beaufschlagen, wird ein Tröpchenwolkenerzeuger mit besonders hoher Förderleistung bei geringer Baugröße und hohem Wirkungsgrad geschaffen, wobei Tropfengröße und Tropfendichte mit der Gestaltung des Düsenfelds und mittels der Dauer, Stärke und Frequenz der von der Steueranordnung abgegebenen Pulse bestimmbar sind.
Piezobiegewandler erzeugen eine besonders hohe Auslenkung bei großer Beschleunigung und sie lassen sich mit hohen Frequenzen betätigen. Sie weisen darüber hinaus nur geringe innere mechanische Widerstände auf. Mit dem Piezobiegewandlerprinzip kann auf die Baugröße bezogen eine hohe Umsetzungsrate von "elektrischer in mechanische Energie erzielt werden. Zudem sind
ERSATZBUTT(REGEL26) Piezobiegewandler einfach aufgebaut und somit kostengünstig und zuverlässig .
Die spezielle Anordnung des Wandlers und die Vielzahl der Düsen führt dazu, daß sich die gewandelte mechanische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad für die Erzeugung und Förderung des Tropfchenstroms nutzen läßt. Dadurch, daß die Energie unmittelbar in der Nähe der Düsen, an denen die Tröpfchen geformt werden, gewandelt wird, wird ein hoher Anteil der strömungsmechanischen Energie der Tropfchenbildung und Tropfchenförderung zugeführt.
Die strömungsmechanischen Verluste infolge des Komprimierens von Flüssigkeit werden außerdem minimiert, weil der Wandlerfläche, vor der bei der Schlagbewegung eine Druckspitze erzeugt wird, mit den Düsenfeldern eine große
Düsenquerschnittsfläche gegenübersteht, in der eine Umsetzung des erzeugten Druckes in Förderleistung erfolgt, indem Tröpfchen gebildet und ausgestoßen werden. Es wird also ein hoher .Anteil des erzeugten Druckes umgesetzt.
Durch die hohe Beschleunigung des Piazobiegewandlers wird den sich an der Düse bildenden Tröpfchen die gesamte Energie in kürzester Zeit zugeführt, was zu einem abrupten Tropfenabriß unter Vermeidung größerer Rückströmung zurück in die Kammer führt .
Die Spalte zwischen den Rändern des Piezobiegewandlers und der Gehäusewand sorgen dafür, daß bei der Zurückbewegung des Piezobiegewandlers Flüssigkeit seitlich um den
Piezobiegewandler herumströmen kann, so daß das sich vergrößernde Volumen zwischen dem Piezobiegewandler und dem Düsenfeld mit nachströmender Flüssigkeit gefüllt wird und keine Luft durch die Düsen in die Kammer eingezogen wird. Die Spalte sind dabei derart groß bemessen, daß aufgrund von Reibung auftretende strömungsmechanische Widerstände gering genug bleiben, daß die Auslenkung des Piezobiegewandlers nicht stark beeinträchtigt ist. Gleichzeitig sind die Spalte derart klein bemessen, daß während der schnellen Schlagbewegung des Piezobiegewandlers die vor dem Wandler befindliche Flüssigkeit nicht schnell genug durch die Spalte verdrängt werden kann und daß sie durch die Düsen gepreßt wird.
Die von der Steueranordnung abgegebenen Spannungspulse sind derart abgestimmt, daß die Flüssigkeitsförderung ermöglicht wird. Die Schlagbewegung, die den Tropfenausstoß durch die Düse bewirkt, kann erheblich schneller erfolgen als die Zurückbewegung des Piezobiegewandlers, so daß bei der
Schlagbewegung keine Strömung durch die Spalte erfolgt, bei der Zurückbewegung dagegen eine ausreichend starke Strömung stattfindet. Es kann dabei für den Zweck der vorliegenden Erfindung eine an sich bekannte Steueranordnung verwendet werden.
Dadurch, daß ein einzelner Piezobiegewandler zur Beaufschlagung mehrerer Düsen verwendet wird, ist das System kostengünstig und wenig störungsanfällig.
Erfindungsgemäß kann eine Verbindung zwischen der Kammer und dem Flüssigkeitsvorrat an einer beliebigen geeigneten Stelle der Kammer angeschlossen sein. Bevorzugt ist eine Verbindungsleitung jedoch an einer von dem Düsenfeld abgewandten Seite des Piezobiegewandlers angeordnet. Dadurch, daß nicht das Volumen der Kammer im ganzen verringert wird, sondern das Volumen zwischen dem Piezobiegewandler und den Düsen verringert wird, während das Volumen auf der gegenüberliegenden Seite erhöht wird, kann dann bereits während des Tropfenausstoßvorgangs das Nachziehen von Flüssigkeit aus dem mit der Pumpenkammer in Verbindung stehenden Flüssigkeitsvorrat eingeleitet werden. Es lassen sich dadurch besonders kurze Wiederholungszeiten zwischen den aufeinanderfolgenden Spannungsstößen bzw. Biegevorgängen und Tropfenausstoßvorgängen erzielen, wodurch die Förderleistung noch weiter erhöht wird.
Erfindungsgemäß kann die Kammer mit dem Flüssigkeitsvorrat über eine Leitung oder einen sonstigen Anschluß in Verbindung stehen. Bevorzugt steht die Kammer mit dem Flüssigkeitsvorrat aber über eine Mehrzahl von Leitungen, insbesondere zwei Leitungen, in Verbindung. Dadurch kann ermöglicht werden, daß der Tröpfchenwolkenerzeuger bei der Inbetriebnahme entgast wird, indem Flüssigkeit über die eine Verbindungsleitung zugeführt und über die andere Verbindungsleitung Gas bzw. Flüssigkeit abgeführt wird. Außerdem kann mit einer Mehrzahl von Leitungen in jeweils geeigneter Anordnung eine verbesserte und schnellere Flüssigkeitszufuhr ermöglicht werden, was zu einem Verkürzen der Dauer des Auffüllvorgangs zwischen zwei Tröpfchenerzeugungspulsen führt.
Erfindungsgemäß können die Verbindungen zwischen Kammer und Flüssigkeitsvorrat strömungsmechanisch so widerstandsarm wie möglich ausgebildet sein. Bevorzugt sind aber Drosselstellen in diesen Verbindungen vorgesehen, die dafür sorgen, daß während des Tropfenausstoßvorgangs möglichst wenig Flüssigkeit durch die Zuführleitungen, über die die Kammer mit dem Flüssigkeitsvorrat in Verbindung steht, verdrängt wird, und somit eine hohe Förderleistung des Tröpchenwolkenerzeugers gewährleistet ist. Bevorzugt sind die Drosselstellen derart ausgestaltet, daß mit ihnen der Flüssigkeit bei dem hohen Druckimpuls während des Tropfenausstoßes ein hoher strömungsmechanischer Widerstand entgegensetzt wird, während mit ihnen der Flüssigkeit bei einer geringeren Druckdifferenz während des Nachfüllvorgangs nur ein geringer strömungsmechanischer Widerstand entgegensetzt wird, so daß das Nachfüllen schnell erfolgen und somit die Spritzfrequenz gesteigert werden kann. Es können auch Rückschlagventile in den Verbindungen vorgesehen sein, um zu erreichen, daß ein Einströmen von Flüssigkeit in die Kammer über die Verbindung ermöglicht, ein Ausströmen aber gleichzeitig gehemmt wird.
Erfindungsgemäß können die Düsen als zylinderförmige Kanäle, Spalte, Kanäle mit eckigen Querschnittflächen oder beliebig geformte Kanäle ausgebildet sein und sie können einen gleichbleibenden Kanalquerschnitt aufweisen. Sie können auch zu der Kammer hin verjüngt ausgebildet sein. Bevorzugt sind sie jedoch in Richtung von der Kammer weg verjüngt ausgebildet. Damit wird erreicht, daß an der Öffnung der Düsen zur Umgebung hin die Querschnittsfläche der Düse mit dem geringsten Durchmesser vorhanden ist. Da Grenzflächen zwischen zwei Fluiden stets dazu streben, einen möglichst energiearmen Zustand anzunehmen und dieser bei einem möglichst geringen Flächeninhalt der Grenzfläche erreicht wird, führt eine sich nach außen verjüngende Düse dazu, daß der Rand des Meniskus zwischen Flüssigkeit und gasförmiger Umgebung stets danach strebt, am äußeren Ende der Düse zu verharren. Durch ein Vermindern des Ausmaßes der Lageveränderung des Meniskusrandes wird ein besonders stabiles Arbeiten des Tröpfchenwolkenerzeugers gewährleistet, was zu einer höheren Förderleistung führt, weil sich keine Ausfallzyklen ergeben.
Erfindungsgemäß kann die Außenseite der Gehäusewand in dem Teil der Gehäusewand, in dem das Düsenfeld angeordnet ist, aus beliebigen geeigneten Materialien sein • Bevorzugt ist aber eine Beschichtung mit Teflon oder mit einem anderen geeigneten anti- adhäsiven Material vorgesehen. Mit einer solchen Beschichtung wird verhindert, daß die Außenseite benetzt wird, d.h. ein Vorrücken der Dreiphasengrenzlinie zwischen Flüssigkeit, gasförmiger Umgebung und der Gehäusewandstruktur aus der Düsenöffnung heraus erfolgt. Es wird dadurch erreicht, daß der Meniskusrand während der Tropfenbildung an dem Ende der Düse zur Außenseite hin verharrt, wodurch ein stabiles Arbeiten und eine hohe Förderleistung gewährleistet werden.
Erfindungsgemäß kann der Tröpfchenwolkenerzeuger einen beliebigen geeigneten Piezobiegewandler aufweisen. Bevorzugt ist der Piezobiegewandler jedoch ein
Mehrlagenpiezokeramikwandler mit einer zusätzlichen passiven Piezokeramiklage. Dies führt dazu, daß mit einer geringen Ansteuerspannung dieselbe Auslenkung des Piezowandlers erzielbar ist. Dies hat den Vorteil, daß die bei vielen möglichen Anwendungen des Tröpchenwolkenerzeugers zu beachtenden Vorschriften für Maximalspannungen eingehalten
ERSA werden können, ohne daß die Leistungsfähigkeit eingeschränkt ist.
Erfindungsgemäß kann der Tröpfchenwolkenerzeuger nur einen Piezobiegewandler und nur ein Düsenfeld aufweisen. Erfindungsgemäß können aber ebenso eine Mehrzahl von Piezobiegewandlern und/oder eine Mehrzahl von Düsenfeldern in dem Tröpfchenwolkenerzeuger vorgesehen sein. Dabei können mehrere Piezobiegewandler derart angeordnet sein, daß ihre Plattenflächen in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind, oder derart angeordnet sein, daß die Plattenflächen in unterschiedlichen Ebenen einander überlappend oder nebeneinander angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist dem freien Ende des ersten Piezobiegewandlers gegenüberliegend eine Anordnung mit einem zweiten Piezobiegewandler und einem zweiten Düsenfeld vorgesehen, die zu dem ersten Piezobiegewandler und dem ersten Düsenfeld im wesentlichen spiegelverkehrt ist. Die Steueranordnung ist in diesem Fall derart aufgebaut, daß der Piezobiegewandler und der zweite Piezobiegewandler mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen, Pulsdauern und/oder Pulsphasen ansteuerbar sind. Die einander gegenüberliegende Anordnung der beiden Piezobiegewandler führt bei gleichartiger Ansteuerung der Piezobiegewandler dazu, daß Flüssigkeit, die zu dem jeweils anderen Piezubiegewandler hin verdrängt wird, einem strömungsmechanischen Widerstand durch die ihr entgegenkommende von dem anderen Piezobiegewandler verdrängte Flüssigkeit ausgesetzt ist. Es läßt sich dadurch ein hoher Druck aufbauen und der Förderdurchsatz steigern. Mittels einer Ansteuerung mit verschobener Pulsphase kann der Förderdurchsatz variiert werden. Eine Ansteuerung kann auch mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen und/oder Pulsdauern durchgeführt werden. Eine Variation oder unterschiedliche Ansteuerung hinsichtlich einem oder mehrerer der Parameter Pulsfrequenz, Pulsdauer und Pulsphase kann auch dazu genutzt werden, daß bei feststehender Düsenanordnung im Düsenfeld die Tropfengröße und die Tropfengeschwindigkeit variierbar sind.
ERSATZBUffT (REGEL 26) Erfindungsgemäß kann das Düsenfeld in einem beliebigen geeigneten Teil der Gehäusewand ausgebildet sein. Bei einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform ist das Düsenfeld in einem Teil der Gehäusewand ausgebildet, der innerhalb der Projektion der Plattenfläche des Piezobiegewandlers in die Richtung, in die das freie Ende des Piezobiegewandlers beim Durchgang durch seine Ruhelage bewegbar ist, angeordnet ist. Die Düsen des Düsenfeldes sind also im wesentlichen derart angeordnet, daß alle Düsen von der Wandlerfläche abgedeckt wären, wenn man den Piezobiegewandler bis an den Teil der
Gehäusewand bewegen würde, in dem die Düsen ausgebildet sind. Bei dieser Ausfuhrungsform ist zwischen dem freien Ende des Piezobiegewandlers und dem in Verlängerung des Wandlers gegenüberliegenden Teil der Gehäusewand ein Spalt von geeigneter Größe ausgebildet.
Der Piezobiegewandler kann dabei erfindungsgemäß gar keinen oder einen beliebigen geeigneten Abstand zu dem Teil der Gehäusewand aufweisen, in dem das Düsenfeld ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist in der Ruhelage des Piezobiegewandlers ein geringer Abstand zwischen dem Piezobiegewandler und dem Teil der Gehäusewand gebildet, in dem das Düsenfeld ausgebildet ist. In diesem Fall kann der Piezobiegewandler unter Anlegen eines Spannungspulses entweder zunächst von dem Düsenfeld wegbewegt werden und dann unter Anlegen einer umgekehrt polarisierten Spannung oder unter Ausnutzen mechanischer Rückstellkräfte zu dem Düsenfeld hin zurückbewegt werden, wobei der Tropfenausstoß bewirkt wird. Wenn der Abstand klein genug gewählt ist, kann ein Überschwingen über die Ruhelage hinaus bei der Zurückbewegung dazu führen, daß der Piezobiegewandler gegen den Teil der Gehäusewand stößt, in dem das Düsenfeld ausgebildet ist. Das Piezobiegeelement kann aber unter Anlegen des Spannungspulses auch sofort in Richtung zu dem Düsenfeld hin bewegt werden, so daß direkt beim Anlegen des Spannungspulses der Tropfenausstoß eingeleitet wird. Auch in diesem Fall kann das Piezobiegeelement gegen die Gehäusewand stoßen. Ein solches "Anstoßen an die Gehäusewand kann den vorteilhaften Effekt haben, daß die Flüssigkeitsbeschleunigung besonders abrupt abgebrochen wird und sich dadurch ein besonders regelmäßiger und schneller Tropfenabriß einstellt. Wie stark dieser Effekt ist, kann davon abhängen, wie der Piezobiegewandler und der Teil der Gehäusewand, in dem das Düsenfeld ausgebildet ist, geformt sind. Handelt es sich um ebene Flächen, wird das Anstoßen eher flächig erfolgen, handelt es sich tun gewölbte oder anders geformte unebene Flächen, erfolgt das Anstoßen lediglich an einer oder wenigen Stellen.
Der Spalt zwischen dem freien Ende des Piezobiegewandlers und der in Verlängerung des Piezobiegewandlers gegenüberliegenden Gehäusewand kann erfindungsgemäß eine beliebige geeignete Breite aufweisen. Bevorzugt ist sie aber nicht mehr als fünf mal so groß wie der Abstand, der sich in der Ruhelage des Piezobiegewandlers einstellt, wenn keine Spannung anliegt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform liegt der Piezobiegewandler in seiner Ruhelage, die sich einstellt wenn keine Spannung anliegt, an dem Teil der Gehäusewand an, in dem das Düsenfeld ausgebildet ist, und der Piezobiegewandler wird unter Anlegen einer Spannung mittels der Steueranordnung von dem Düsenfeld wegbewegt. In diesem Fall wird die Tropfenformung erst beim Zurückschnellen des Piezobiegewandlers nach Ende des Spannungspulses mittels Anlegen eines umgekehrten
Spannungsimpulses oder mechanischer Rückstellkräfte eingeleitet.
Der Teil der Gehäusewand, in dem das Düsenfeld ausgebildet ist kann erfindungsgemäß wie die anderen Teile der Gehäusewand ausgebildet sein. Bevorzugt ragt der Teil der Gehäusewand jedoch in die Kammer hinein. Eine solche Gestaltung hat den Vorteil, daß der hohe Druck, der sich beim Bewegen der Fläche des Piezobiegewandlers zu der Gehäusewand hin in dem immer enger werdenden .Abstand aufbaut, nur in dem Bereich aufgebaut wird, in dem er auch durch das Austreten von Tropfen aus Düsen abgebaut und somit genutzt werden kann . Es kommt dadurch zu ""einer Verminderung der strömungsmechanischen Verluste während des Tropfenausstoßvorgangs und damit zu einer Erhöhung der Förderleistung und des Wirkungsgrades der Pumpe. Auch während des Nachfüllvorgangs von Flüssigkeit aus dem Reservoir wird ein vorteilhafter Effekt erzielt. Der enge Abstand zwischen dem Piezobiegewandler und der Gehäusewand, in den Flüssigkeit nur gegen einen hohen strömungsmechanischen Widerstand nachströmen kann, ist gegenüber einer Ausführungsform ohne in die Kammer hineinragend ausgebildeten Gehäusewandteil kürzer. Es kann somit schneller die erforderliche Flüssigkeit nachgezogen werden und die Tropfchenerzeugungsfrequenz und die Fördermenge kann weiter gesteigert werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform ist das Düsenfeld in der Verlängerung des Piezobiegewandlers dem freien Ende des Piezobiegewandlers gegenüberliegend angeordnet. Dabei kann das Düsenfeld auch ein gewisses Stück gegenüber dem freien Ende des Piezobiegewandlers versetzt angeordnet sein. Die Düsen sind dabei bevorzugt in der Auskragrichtung des Piezobiegewandlers orientiert. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß es bei besonders geringer Baugröße möglich ist, eine Mehrzahl von
Piezobiegewandlern in Richtung der Plattenfläche hintereinander oder innerhalb der Plattenflächenebene nebeneinander anzuordnen, wobei jedem Piezobiegewandler ein entsprechendes Düsenfeld zugeordnet sein kann, ohne daß der Bauraum, der zum Anordnen der Piezobiegewandler erforderlich ist, wegen des Düsenfelds weiter vergrößert werden muß. Bevorzugt kann auch bei dieser Anordnung in der Ruhestellung des Piezobiegewandlers ein Abstand zwischen dem Piezobiegewandler und der in Richtung senkrecht zu der Plattenfläche des Piezobiegewandlers nächstliegenden Wand vorhanden sein.
Erfindungsgemäß kann der Tröpfchenwolkenerzeuger ein Tröpfchenwolkenerzeuger für beliebige geeignete Flüssigkeiten sein. Dabei kann der Tröpfchenwolkenerzeuger erfindungsgemäß separat oder als Bestandteil beliebiger geeigneter Systeme eingesetzt sein. Bevorzugt ist der Tröpfchenwolkenerzeuger jedoch Bestandteil eines Brenners, wobei der Flüssigkeitsvorrat ein Flüssigbrennstoffvorrat ist. Die als Brennerdüsen dienenden
ER Düsen des Düsenfelds weisen dann einen engsten Durchmesser von mindestens 10 μm und höchstens 100 μm auf. Dadurch werden Tropfchengrößen erzielt, die sich besonders gut für die Herstellung eines zündfähigen Gemisches aus Brennstofftropfchen und einem gasförmigen Oxidations ittel eignen. Bei herkömmlichen Flüssigbrennstoffen, wie z.B. Diesel- oder Ottokraftstoff führen derartige Tropfchengrößen dazu, daß bereits kurz nach dem Ausstoßen der Tröpfchen aus den Düsen eine vollständige Verdampfung der Kraftstofftropfchen erreicht wird und sich ein zündfähiges und/oder gut verbrennbares
Gemisch einstellt. Je nach Viskosität und Fördermenge weisen die Düsen erfindungsgemäß größere Durchmesser als 100 μm entsprechend den strömungsmechanischen Erfordernissen auf.
Erfindungsgemäß können die Mittelpunkte von jeweils benachbarten, als Brennerdüsen dienenden Düsen des Düsenfelds einen beliebigen geeigneten Abstand voneinander aufweisen. Bevorzugt weisen die Mittelpunkte jedoch Abstände von mindestens 50 μm und höchstens 2000 μm voneinander auf. Durch die Wahl von Abständen von benachbarten Düsen in dieser Größenordnung wird eine weitere Verbesserung des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches und damit eine weitere Erhöhung einer Brennerleistung erzielt.
Erfindungsgemäß kann der Tröpfchenwolkenerzeuger je nach Einsatzzweck eine beliebige Anzahl von Düsen aufweisen. Bevorzugt weist ein Tröpfchenwolkenerzeuger jedoch mindestens 50 Düsen auf. Von einer solchen Düsenanzahl an eignet sich ein Brenner besonders gut zum Einsatz als Brenner für Fahrzeugheizungen oder Haushaltsheizgeräte.
Bei anderen bevorzugten Ausfuhrungsformen sind erfindungsgemäß Löcher in dem Piezobiegewandler vorgesehen, um den strömungsmechanischen Widerstand des Piezobiegewandlers zu vermindern. Bei noch anderen Ausfuhrungsformen können erfindungsgemäß Ventile in dem Tröpfchenwolkenerzeuger vorgesehen sein, mit denen auch bei größeren Düsendurchmessern ~eine Flüssigkeitsförderung möglich istT Dabei ist es CD
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aufeinander hin zeigend spiegelbildlich gegenüberstehen;
Figur 7 eine Schnittansicht eines Tröpfchenwolkenerzeugers gemäß noch einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung, bei der das Düsenfeld in Verlängerung des Piezobiegewandlers dessen freiem Ende gegenüberliegend angeordnet ist;
Figuren 8, 9, 10, 11 und 12 jeweils eine Schnittansicht eines Tröpfchenwolkenerzeugers gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der das Düsenfeld in Verlängerung des Piezobiegewandlers dem freien Ende gegenüberliegend angeordnet ist;
Figur 13a eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten Düsenfelds;
Figur 13b eine Draufsicht auf das in Figur 13a dargestellte erfindungsgemäß ausgestaltete Düsenfeld; Figur 14 eine Ansicht des Tröpfchenwolkenerzeugers aus Figur 9 in Draufsicht in der Richtung senkrecht zur Plattenfläche des Piezobiegeelements;
Figur 15 eine Darstellung eines Beispiels der Kontaktierung eines Piezobiegewandlers in einem erfindungsgemäß ausgestalteten Tröpfchenwolkenerzeuger;
Figur 16 eine Prizipdarstellung eines bimorphen Piezobiegewandlers ;
Figur 17 eine Prinzipdarstellung eines monomorphen Piezobiegewandlers ; Figur 18 eine Prinzipdarstellung eines Mehrschicht- Piezobiegewandlers ; und
Figur 19 eine Prinzipdarstellung einer gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung verwendeten Steueranordnung.
Aus den Figuren la bis lc ist der Aufbau eines
Tröpfchenwolkenerzeugers gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung ersichtlich. In einem Gehäuse ist eine Pumpenkammer 1 ausgebildet, die mit Flüssigkeit füllbar ist. Die Gehäusewand 2 ist von einem Gehäusebodenteil 2c, einem Gehäusemittelteil 2b und einem Gehäusedeckelteil 2d gebildet. Innerhalb der Kammer 1 ist ein Piezobiegewandler 4 auskragend befestigt, der mittels Ansteuerung über die Ansteueranordnung 6 (in Figuren la bis lc nicht gezeigt) aüslenkbar ist. Wie aus den Figuren la und lc ersichtlich ist der Piezobiegewandler 4 plattenförmig ausgebildet. Er ist mit seinem Ende 4e innerhalb des Gehäuses befestigt. Das gegenüberliegende Ende 4d ist frei. Die Plattenfläche 4c ist von den in Auskragrichtung seitlich angeordneten Rändern 4b begrenzt. Der Piezobiegewandler 4 ist aus zwei Schichten 4f, 4g aus Piezokeramik aufgebaut. Unter Anlegen einer Spannung ist der Piezobiegewandler 4 um die quer zur Auskragrichtung verlaufende Achse 4a biegbar. Bei einer solchen Biegung, wie sie aus Figur lb ersichtlich ist, bewegt sich das freie Ende 4d entlang einer Kurve, die näherungsweise einer Bewegung senkrecht zur Auskragrichtung und senkrecht auf die Biegeachse 4a entspricht.
Ein Teil 2a der Gehäusewand 2 ist innerhalb der Projektion der Plattenfläche 4c auf die Gehäusewand 2 in Richtung der
Bewegungsrichtung des freien Endes 4d des Piezobiegewandlers 4 beim Durchgang durch dessen Ruhelage auf den benachbarten Teil der Gehäusewand hin angeordnet. In dem Teil 2a der Gehäusewand 2 ist ein Düsenfeld 3 mit einer Mehrzahl von Düsen 3a ausgebildet. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Plattenfläche 4c und dem Teil 2a der Gehäusewand 2 um jeweils ebene Flächen, die parallel zueinander verlaufen.
Wie aus Figur la ersichtlich, ist in der Ruhelage des Piezobiegewandlers 4, die sich einstellt, wenn keine Spannung anliegt, ein Abstand 7 zwischen dem Piezobiegewandler 4 und dem Teil 2a der Gehäusewand 2 gebildet, in dem das Düsenfeld 3 ausgebildet ist.
Zwischen den Rändern 4b des Piezobiegewandlers 4 und der
Gehäusewand 2, sind wie aus Figur lc ersichtlich Spalte 5a vorgesehen, die ausreichend groß dimensioniert sind, so daß einer Bewegung des Piezobiegewandlers 4 kein zu großer Strömungswiderstand entgegengesetzt wird und bei der Zurückbewegung des Piezobiegewandlers 4 von dem Düsenfeld 3 weg eine ausreichende Umströmung stattfinden kann, so daß keine Luft durch die Düsen 3a in die Kammer 1 gezogen wird. "Gleichzeitig sind die Spalte 5a ausreichend eng ausgebildet, daß beim Bewegen des Piezobiegewandlers 4 auf die Düsen 3a hin die Flüssigkeit nicht ausreichend schnell durch die Spalte 5a ausweichen kann, sondern durch die Düsen 3a gepreßt wird. Zwischen dem freien Ende 4d des Piezobiegewandlers und dem in dessen Verlängerung gegenüberliegenden Teil der Gehäusewand ist ebenfalls ein Spalt 5b ausgebildet, der weniger als 5mal so breit, nämlich ca. 4mal so breit ist, wie der Abstand 7. In dem aus Figur 1 ersichtlichen Ausführungsbeispiel hat der Piezobiegewandler Abmessungen von 9 x 4 x 0,5 mm. Die aktive, freie Länge beträgt 5,5 mm. Die erreichbaren Auslenkungen am freien Ende betragen bei 50 V ca. 25 μm.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist auf der dem Düsenfeld 3 abgewandten Seite des Piezobiegewandlers 4 die Kammer 1 größer ausgebildet als auf der anderen Seite der Abstand 7. Beim
Auslenken des Piezobiegewandlers 4 kommt es infolgedessen nicht zu übermäßig großen Druckveränderungen in diesem Teil der Kammer 1. Das Gehäusemittelteil 2b der Gehäusewand 2, das zwischen dem Gehäusebodenteil 2c und dem Gehäusedeckelteil 2d angeordnet ist und dessen Bauhöhe die Kammerhöhe bestimmt, weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Höhe von 675 μm auf. Die Gehäusebauteile sind vorzugsweise aus Silizium gefertigt.
Wie ferner aus Figur 1 ersichtlich, steht die Kammer 1 über Leitungen 8 mit einem Flüssigkeitsvorrat (nicht gezeigt) in Verbindung. In den Leitungen 8 sind Drosselstellen 8a ausgebildet. Die Leitungen 8 weisen einen wesentlichen Abstand voneinander auf . Sie können daher auch zum Spülen bei der Inbetriebnahme der Pumpe verwendet werden. Dabei ist es von Vorteil, daß eine der beiden Leitungen 8 am Ende des Gehäuses in Richtung zu dem freien Ende 4d des Piezobiegewandlers 4 angeordnet ist . Bei entsprechender Orientierung der Kammer 1 relativ zur Schwerkraft kann mittels Flüssigkeitszufuhr über die mittig angeordnete Leitung 8 und Abfuhr aus der am Ende angeordneten Leitung 8 die Pumpe entgast werden. Vorhandene Gasblasen steigen nach oben und werden aus der Kammer 1 gespült. Auch beim Pumpbetrieb ist die aus Figur 1 ersichtliche "Anordnung mehrerer Leitungen 8, über die die Kammer 1 mit dem Flüssigkeitsvorrat in Verbindung steht, vorteilhaft. In der Ansaugphase stellt sich ein über die Kammer 1 hin gleichmäßig verlaufendes Druckgefälle ein. Der Wiederbefüllvorgang kann deshalb schneller abgeschlossen werden, wenn zwei Leitungen 8 vorhanden sind. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat eine Leitung 8 einen Innendurchmesser von 1 mm.
Unter Anlegen von Spannungspulsen an den Piezobiegewandler 4 mittels der Steueranordnung 6 ist der Piezobiegewandler auslenkbar. Dadurch kann Flüssigkeit auf die Düsen hin verdrängt werden und es werden Tröpfchen aus den Düsen 3a ausgestoßen. In der beschriebenen Ausfuhrungsform ist der Piezobiegewandler 4 unter Anlegen einer Spannung mittels der Steueranordnung 6 auf das Düsenfeld 3 hin- und von dem Düsenfeld 3 wegbewegbar. Wie aus Figur lb ersichtlich, ist der Piezobiegewandler 4 bei der Bewegung auf das Düsenfeld 3 hin soweit auslenkbar, daß das freie Ende 4d des Piezobiegewandlers 4 gegen den Teil 2a der Gehäusewand 2 stößt, in dem das Düsenfeld 3 ausgebildet ist. Die Bewegung de.σ Piezobiegewandlers 4 wird dadurch abrupt abgebremst, was zu einem besonders günstigen Tropfenabriß führt. Zum Erzielen eines besseren Tropfenausstoßverhaltens kann der Piezobiegewandler 4 jedoch zunächst ein gewisses Ausmaß von dem Düsenfeld 3 weg bewegt werden, damit eine höhere Flüssigkeitsmenge zwischen dem Piezobiegewandler 4 und dem
Düsenfeld 3 vorhanden ist, bevor der Piezobiegewandler 4 auf das Düsenfeld 3 hinbewegt wird.
Wie aus Figur 1 ersichtlich besteht das Piezobiegeelement aus zwei Schichten 4f, 4g. Diese sind schubfest miteinander verbunden. Aus Figur 17 ist der Aufbau des in dieser Ausfuhrungsform der Erfindung verwendeten Piezobiegeelements genauer ersichtlich. Es handelt sich um einen monomorphen Aktor. Von den Schichten ist die eine eine Piezokeramikschicht, die andere eine Schicht aus Metall oder einem sonstigen geeigneten Material. Infolge des Piezoeffekts wird mittels Anlegen einer Spannung die Piezokeramikschicht gedehnt oder gestaucht. Durch die Verlängerung oder Verkürzung der einen Schicht gegenüber der anderen Schicht kommt es zu einer Verbiegung des Schichtaufbaus . Der Vorgang kann durch Entladen rückgängig gemacht werden. Dies kann entweder durch Anlegen einer entsprechenden Gegenspannung oder durch langsames selbständiges Entladen erfolgen.
Andere erfindungsgemäß verwendete Ausfuhrungsformen von Piezobiegeaktoren sind mit einem bimorphen Piezobiegeaktor aus Figur 16 und einem Mehrschichtaufbau-Piezobiegeaktor aus Figur 18 ersichtlich. Bei dem bimorphen Aktoren sind zwei
Piezokeramikplatten in der Mitte mit einer Elektrode versehen, wodurch beide Schichten umgekehrt polarisiert sind. Unter Anlegen der Spannung wird die eine Schicht gedehnt und die andere Schicht gestaucht, so daß sich eine größere Biegung bei gleicher angelegter Spannungsdifferenz einstellt. Bei einem Mehrschichtaufbau-Piezobiegeelement ist die dehnbare oder stauchbare Schicht aus abwechselnd übereinandergestapelten seh dünnen, z.B. 20 μm dünnen Piezoschichten und Elektroden aufgebaut, die fest verklebt oder miteinander versintert sind. Die Elektroden sind dabei wie bei einem Schichtkondensator ineinander verzahnt, d.h. die umgekehrt polarisierten Elektroden wechseln einander ab. Dadurch wird bei geringerer Spannung die gleiche elektrische Feldstärke in den Piezokeramikschichten und somit das gleiche Ausmaß eines Piezoeffekts erzeugt. Die Betriebsspannung reduziert sich in einem solchen Fall erheblich, z.B. von mehreren 100 V bis ca. 30 bis 60 V.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind mindestens zwei Düsen 3a vorhanden, die das Düsenfeld 3 bilden.
Aus den Figuren 13a und 13b ist ersichtlich, wie die Düsen 3a und die Düsenfelder 3 bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform gestaltet sind. Wie aus Figur 13a ersichtlich sind die Düsen derart ausgebildet, daß sie sich von der
Kammerinnenseite zur Kammerausenseite hin verjüngen. Der Teil 2a der Gehäusewand, in der die Düsen 3a des Düsenfelds ausgebildet sind, ist auf der Außenseite mit einer 35 μm L LO to t Ln O LΠ o Ln Lπ
Piezobiegewandlers 4 gegenüberliegenden Ecke der Gehäusewand 2 ausgebildet. Dabei ist das Düsenfeld an der Grenzfläche zwischen den beiden Gehäusebauteilen, dem Gehäusebodenteil 2c und dem Gehäusedeckelteil 2c, ausgebildet.
Bei zwei anderen vorteilhaften Ausfuhrungsformen, die aus den Figuren 8 und 9 ersichtlich sind, liegt der Piezobiegewandler 4 in seiner Ruhelage nicht auf seiner ganzen Länge auf der Gehäusewand 2 auf, sondern er ist mit seinem befestigten Ende 4e auf dem Gehäusebodenteil 2c der Gehäusewand 2 anliegend befestigt und im Bereich des freien Endes 4d des Piezobiegewandlers 4 sind in dem Gehäusebodenteil 2c Ausnehmungen 9 vorgesehen, die als Rinnen ausgebildet sind. Mit den Ausnehmungen 9 ist der Raum der Kammer 1, auf der von den Leitungen 8, über die die Kammer 1 mit dem Flüssigkeitsvorrat in Verbindung steht, abgewandten Seite des Piezobiegewandlers, erweitert. Die Ausnehmungen 9 in dem Gehäusebodenteil 2c erstrecken sich im wesentlichen in Auskragrichtung des Piezobiegewandlers 4. In der von der Gehäusewand 2 an der Stelle, an der das Gehäusebodenteil 2c und das
Gehäusedeckelteil 2d aneinanderstoßen, gebildeten Ecke der Kammer ] gehen die Ausnehmungen 9 in die Düsen 3a des Düsenfelds 3 über. Die Ausnehmungen 9 bilden in dieser Ecke allein oder zusammen mit anderen Teilausnehmungen in dem Gehäusedeckelteil 2d die Düsen 3a in der Gehäusewand, wie aus den Figuren 8 und 9 ersichtlich ist.
Aus den Figuren 10, 11 und 12 sind Ausfuhrungsformen ersichtlich, bei denen die Pumpenkammer 1 und die Düsen 3a im wesentlichen ausgebildet sind wie bei den Ausfuhrungsformen der Figuren 7, 8 und 9. Jedoch ist der Piezobiegewandler 4 nicht, wie aus den Figuren 7, 8 und 9 ersichtlich, lediglich an einem Gehäusebauteil 2c befestigt, sondern der Piezobiegewandler 4 ist zwischen dem Gehäusebodenteil 2c und dem Gehäusedeckelteil 2d eingeklemmt an dem Gehäuse befestigt.
In Figur 14 ist in einer Draufsicht dargestellt, wie die bei den in den Figuren 8, 9, 11 und 12 gezeigten Ausführungsformen

Claims

.Ansprüche
1. Tröpfchenwolkenerzeuger mit einer mit einem Flüssigkeitsvorrat in Verbindung stehenden Pumpenkammer (1), die in einem Gehäuse (2) ausgebildet ist, einem in der Gehäusewand (2) ausgebildeten Düsenfeld (3) mit einer Mehrzahl von Düsen (3a), einem innerhalb der Kammer ( 1 ) angeordneten plattenförmigen auskragend befestigten Piezobiegewandler (4), der um eine quer zur Auskragrichtung verlaufende Querachse (4a) biegbar ist, zwischen den Rändern (4b) des Piezobiegewandlers (4), die in Querachsenrichtung dessen Enden bilden, und der Gehäusewand
(2) ausgebildeten Spalten (5a), und einer Steueranordnung (6), mit der unter Verbiegen des Piezobiegewandlers (4), Verdrängen von Flüssigkeit und Ausstoßen von Tröpfchen aus den Düsen (3a) des Düsenfelds (3) Spannungεpulse an den Piezobiegewandler (4) anlegbar sind.
2. Tröpfchenwolkenerzeuger nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung, über die die Kammer (1) mit dem Flüssigkeitsvorrat in Verbindung steht, auf der dem Düsenfei
(3) abgewandten Seite des Piezobiegewandlers (4) in die Kammer ( 1 ) mündet .
3. Tröp chenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kammer (1) mit dem Flüssigkeitsvorrat über mehrere Leitungen (8) in Verbindung steht.
4. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbindung zwischen Kammer (1) und Flüssigkeitsvorrat eine Drosselstelle (8a) aufweist.
5. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Düsen (3a) in Richtung von der Kammer (1) weg verjüngt ausgebildet sind.
6. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
ERSATZBLAH(REGEL 26) wobei der Teil (2a) der Gehäusewand (2) mit dem Düsenfeld (3) auf der Außenseite (2al) mit Teflon beschichtet ist.
7. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Piezobiegewandler (4) ein Mehrlagen-Piezokeramik- andler mit einer zusätzlichen passiven Piezokeramiklage ist.
8. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Düsenfeld (3) in einem Teil (2a) der Gehäusewand (2) ausgebildet ist, der sich innerhalb der Projektion der
Plattenfläche (4c) des Piezobiegewandlers (4) in die Richtung befindet, in die das freie Ende des Piezobiegewandlers (4) bewegbar ist und zwischen dem freien Ende des Piezobiegewandlers (4) und dem in Verlängerung des Piezobiegewandlers (4) gegenüberliegenden Teil (2a) der Gehäusewand (2) ein Spalt (5b) ausgebildet ist.
9. Tröpfchenwolkenerzeuger nach Anspruch 8, wobei in der Ruhelage des Piezobiegewandlers (4), die sich einstellt, wenn keine Spannung anliegt, ein Abstand (7) zwischen dem
Piezobiegewandler (4) und dem Teil (2a) der Gehäusewand (2) gebildet ist, in dem das Düsenfeld (3) ausgebildet ist, und der Piezobiegewandler (4) unter Anlegen einer Spannung auf das Düsenfeld (3) hin oder von dem Düsenfeld (3) weg bewegbar ist.
10. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der zwischen dem freien Ende (4d) des Piezobiegewandlers ( 4 ) und dem in Verlängerung des Piezobiegewandlers ( 4 ) gegenüberliegenden Teil (2a) der Gehäusewand (2) ausgebildete Spalt (5b) nicht mehr als fünfmal so groß ist wie der Abstand (7).
11. Tröpfchenwolkenerzeuger nach Anspruch 8, wobei in der Ruhelage des Piezobiegewandlers (4), die sich einstellt, wenn keine Spannung anliegt, der Piezobiegewandler (4) an dem Teil (2a) der Gehäusewand (2), in dem das Düsenfeld (3) ausgebildet ist, anliegt und der Piezobiegewandler (4) unter Anlegen einer Spannung von dem Düsenfeld (3) weg bewegbar ist.
12. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Teil (2a) der Gehäusewand (2), in dem das Düsenfeld (3) ausgebildet ist, in die Kammer (1) hineinragt.
13. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei gegenüber dem freien Ende (4d) des Piezobiegewandlers (4) eine zu dem Piezobiegewandler (4) und dem Düsenfeld (3) im wesentlichen spiegelverkehrte Anordnung mit einem zweiten Piezobiegewandler (4) und einem zweiten Düsenfeld (3) angeordnet ist, und die Steueranordnung (6) derart aufgebaut ist, daß der Piezobiegewandler (4) und der zweite Piezobiegewandler (4) mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen, Pulsdauern und/oder Pulsphasen ansteuerbar sind.
14. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Düsenfeld ( 3 ) in der Verlängerung des Piezobiegewandlers (4) dem freien Ende (4d) des Piezobiegewandlers (4) gegenüberliegend angeordnet ist.
15. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Bestandteil eines Brenners, wobei der Flüssigkeitsvorrat ein Flüssigbrennstoffvorrat ist und die als Brennerdüsen dienenden Düsen (3a) des Düsenfelds (3) einen engsten Durchmesser von mindestens 10 μm und höchstens 100 μ aufweisen .
16. Tröpfchenwolkenerzeuger nach Anspruch 15, wobei der Abstand der Mittelpunkte von jeweils benachbarten als Brennerdüsen dienenden Düsen (3a) des Düsenfelds (3) mindestens 50 μm und höchstens 2000 μm beträgt.
17. Tröpfchenwolkenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 16, der mindestens 50 Düsen (3a) aufweist.
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