Устройство для диспергации

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4955548/05 (22) 11.06.91 (46) 15.11.93 Бюл. Na 41-42 (76) Гущо Юрий Петрович; Карташов Владимир

Михайлович (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСПЕРГАЦИИ (57) Использование: в фотохимической промышленности, для создания и научного исследования упорядоченных структур, для изготовления светочувствительных носителей с повышенным разрешением, для создания многослойных систем с упорядоченной структурой светочувствительных гранул.

Сущность изобретения: устройство лпя диспергации снабжено средством подачи жидкости, электродом, проводящей подложкой, средством синхронизации и дополнительными генератором импульсов и усилителем Средство подачи жидкости п9) КЦ (1п (5Ц5 895817 00 80585 00 соединено с емкостью для диспергируемой жидкости. Электрод выполнен в виде тонкого стержня, размещенного в выходном сопле вдоль его оси симметрии. Подложка перпендикулярна к соплу.

Средство синхронизации и дополнительные генератор импульсов и усилитель последовательно соединены в блоке управления Вход средства синхронизации подключен к выходу основного генератора импульсов. Выход дополнительного усилителя подключен к электроду и проводящей подложке.

Отношение расстояния от конца электрода в сопле до выходного сечения сопла к его диаметру выбрано равным or 15 до 2 Отношение диаметра электрода в сопле тт диаметру сопла выбрано не большим 0,1. Отношение расстояния от выходного сечения сопла до проводящей подложки к диаметру сопла выбрано не большим 10. 7 ил.

2002518

20

45

Изобретение относится к технике диспергирования и может быть использовано в фотохимической промышленности для создания и научного исследования упорядоченных структур, для изготовления светочувствительных носителей с повышенным разрешением, для создания многослойных систем с упорядоченной структурой светочувствительных гранул.

Известно устройство для диспергации, состоящее из резервуара с жидкостью, сопла, подложки в аиде металлического электрода и источника постоянного напряжения.

Его недостатком является неоднородность распределения капель по размерам и низкая надежность работы при малых диаметрах сопла из-за возможности его засорения.

Известно также устройство для диспергации, состоящее из резервуара с жидкостью, сопла (фильеры), кольцевого металлического электрода и источника переменного напряжения.

Недостатком этого устройства является низкая надежность работы при малых диаметрах сопла из-за возможности его засорения.

Наиболее близким. к изобретения по технической сущности и достигаемому результату является устройство для диспергации, содержащее корпус, имеющий полость с выходным соплом и эластичной стенкой, емкость для диспергируемой жидкости, сообщенную с выходным соплом, пьезоэлектрический преобразователь, установленный на эластичной стенке полости; и блок управления с усилителем; выход которого подключен к пьезоэлектрическому преобразователю, и генератором импульсов, подключенным к входу усилителя. Недостатком данного устройства является низкая надежность работы при малых диаметрах сопла из-за возможности его засорения.

Цель изобретения — повышение надежности устройства с сохранением качества диспергирования.

Поставленная цель достигается тем, что устройство. для диспергации, содержащее корпус, имеющий полость с выходным соплом и эластичной стенкой, емкость для, диспергируемой жидкости, сообщенную с выходным соплом, пьезоэлектрический преобразователь, установленный на эластичной стенке полости, и блок управления с усилителем, выход которого подключен к пьезоэлектрическому преобразователю, и генераторьм импульсов, подключенным ко входу усилителя, согласно изобретению, снабжено средством подачи жидкости, соединенным с емкостью для диспергируемой жидкости, электродом в виде тонкого стержня, размещенного а выходном сопле, вдоль его оси симметрии, проводящей подложкой, перпендикулярной к соплу, и последовательно соединенным в блоке управления средством синхронизации и дополнительными генератором импульсов и усилителем. Вход сред@та синхронизации подключен к выходу основного генератора импульсов, а выход дополнительного усилителя — к электроду и проводящей подложке.

Отношение расстояния от конца электрода в сопле до выходного сечения сопла к его диаметру выбрано равным от 1,5 до 2, отношение диаметра электрода в сопле к диаметру сопла выбрано не большим 0,1; а отношение расстояния от выходного сечения сопла до проводящей подложки к диаметру сопла выбрано не большим 10.

На фиг;1 представлена принципиальная схема устройства для диспергации; на фиг.2временные диаграммы электрических сигналов, управляющих работой устройства; на фиг.3 — 7 последовательные стадии образования капель.

Устройство для диспергации содержит корпус 1 из диэлектрического материала, имеющий полость 2 с выходным соплом 3 и эластичной стенкой, емкость 4 для диспергируемой жидкости, сообщенную с выходным соплом 3 через канал 5 подачи текущей среды, пьезоэлектрический преобразователь в виде пластины 6 иэ пьезоэлектрического материала, которая зажата и связана с парой электродов 7 и 8, причем электрод 7 связан с эластичной стенкой, образованной тонкой гибкой мембраной 9, герметично прикрепленной к корпусу 1, Устройство также содержит блок 10 управления с усилителем 11, выход которого подключен к пьезоэлектрическому преобразователю, к его электродам 7 и 8, и генератором 12 импульсов с выходом, подключенным к входу усилителя 11.

Кроме того, устройство снабжено средством 13 подачи жидкости, соединенным с емкостью 4 для диспергируемой жидкости, электродом 14 в виде топкого стержня, размещенного в выходном сопле 3. вдоль его оси симметрии, проводящей подложкой 15, перпендикулярной к соплу 3, и последовательно соединенными в блоке 10 управления средством 16 синхронизации и дополнительными генератором 17 импульсоВ и усилителем 18.

Вход средства 16 синхронизации подключен к выходу основного генератора 12 импульсов, а выход дополнительного усилителя 18 к электроду 14 и проводящей подложке 15.

2002518

1 — l сз = —— эв

50

55. Отношение расстояния Н от конца электрода 14 в сопле 3 до выходного сечения сопла 3 к диаметру 0 с последнего выбрано равным 1,5 — 2.

Отношение диаметра D3 электрода 14 в сопле 3 к диаметру D сопла 3 выбрано не большим 0,1.

Отношение расстояния И от выходного сечения сопла 3 до проводящей подложки

15 к диаметру D< сопла 3 выбрано не меньшим 10.

Точность установки электрода 14 по оси сопла 3, а также точность установки проводящей подложки 15 перпендикулярно оси сопла 3 не оказывают существенного влияния на работу устройства для диспергации.

Работает устройство следующим образом. Б исходном состоянии, соответствующим моменту времени с = 0 на фиг.2, поверхность мениска 19 должна быть недеформирована (см,фиг.3). Этого достигают с помощью средства 13 подачи жидкости путем увеличения или уменьшения давления в жидкости, в зависимости от положения проводящейй подложки 15 и выходного сопла 3.

Например, если подложка 15 расположена горизонтально, а выходное сопла 3 над подложкой 15, то давление в жидкости уменьшают до тех пор. пока прекратится вытекание жидкости из сопла 3, и поверхность менйска 19 станет недеформированной, Если подложка 15 расположена горизонтально, а выходное сопла 3 — под подложкой 15 (распыливание вверх)., то давление в жидкости увеличивают до тех пор, пока мениск 19 не поднимется до внешнего отверстия выходного сопла 3, и его поверхность станет деформированной. Аналогично осуществляют выравнивание поверхности мениска 19 и при других положениях подложки 15 и сопла 3. Для нормальной работы устройства достаточна точность установки мениска 19, достигае мая при визуальном контроле (с применением увеличивающих оптических устройств).

Причем регулировку давления в жидкости производят перед началом диспергирования, т.е, до включения основного генератора 12 импульсов. Из физических соображений следует, что выравнивание поверхности мениска 19 путем регулировки давления в жидкости можно осуществить только в том случае, если жидкость смачивает внутреннюю поверхность выходного сопла 3.

При воздействии на пьезоэлектрическую пластину 6 импульса напряжения U> (см,фиг.2) от основного генератора импульсов 12 она сокращается в плоскости. параллельной плоскости мембрань 9. Вследстви» этого мембрана 9 прогибается и создает увеличение давления в жидкости, По окончании импульса Ui пьезоэлектрическая пластина б и мембрана 9 возвращается в исходное положение, и даь."ение в жидкости около мембраны 9 принимает прежнее значение, Есди длительность импульса r> (фиг.2) достаточно мала, то область сжатия жидкости 20 имеет вид тонкого слоя, толщина которого 4 намного меньше его поперечного размера (фиг.3а) и который распространяется со скоростью звука V>< от мембраны 9 к отверстию сопла 3. Таким образом, 4 = Чзв A .

Импульс напряжения U.. от дополнительн го генератора 17 импульсов появляется в тот момент, когда область сжатия жидкости 20 достаточно близко подойдет к внешнему отверстию выходного сопла-3 (см.фиг.3}. Бремя задержки сз импульса Uz относительно импульса Оi (фиг.2) дс лжно равняться: где (— расстояние от мембраны 9 до поверхности мениска 19; ! = 1 — 2 мм -- расстояние от области сжатия 20 жидкости от .1оверхности мениска 19 к моменту возникновения импульса.

При включении импульса напряжения

Ug на границе раздела сред жидкость — гаэ, образованной мениско 119, вследствие различия диэлектрических проницаемостей сред и влияния натекаюсцего на границу раздела заряда (в случае проводящей или слзбопроводящей жидкости) возникают пондеромоторные силы, Эти силы выталкивают мениск 19 из сопла 3 наружу, в сторону подложки 15 (независимо от знака U7). Так ак период собственных колебаний мениска 19 составляет сотни тысячи микросекунд и более, то смещение мениска 19 под действием пондеромоторных сил за время

Л t = l/Ч, "I мкс будет пренебрежимо мало. Следовательно, к тому времени, когда область жидкости 20 подойдет к выходному отверстию внешнего сопла 3, положение мениск": 19 будет практи ес;и таким же, как и до подачи импульса Б2 (см.фиг.4). При этом область сжатия жидкости 20 оказывается с одной стороны ограниченной поверхностью мениска 19, а с другой стороны — жидкостью с намного меньшим давлением (фи .4).

Вследствие высокого давления и действ,я пондеромоторных сил этот слой жидкости открывается от края мениска 19, одновре2002518 менно распадаясь на отдельные капли 21 (см,фиг.5, 6, 7).

Решением цикла краевых задач математической физики можно показать, что поверхность слоя жидкости конечной глубины, находящегося в сильном однородном электрическом поле, неустойчива. Если напряженность однородного поля на границе раздела составляет несколько.кВ/см, то под действием пондеромоторных сил поверхчость деформиоуется. Причем в спектре пространственных частот деформации существует резонансная частота Д, для которой амплитуда деформации максимальна.

Резонансная частота равна оо =л /о, где

d — толщина слоя, В рассматриваемой системе область сжатия жидкости 20 у поверхности мениска 19 (фиг.3, б) эквивалента слою жидкости конечной толщины d = d, вследствие того, что давление в этой области намного больше давления в прилегающей в ней жйдкости.

Так ка Nl 2 10 О„то поле на поверхности мениска 19 приближенно однородно. Поэтому при распаде области сжатия 20 на капли 21 наибольший темп развития неустойчивости соответствует резонансной пространственной частоте Д. Так как пространственная длина волны

4о =2 т/Д =2б. то медианный диаметр спектра распыливания будет примерно в 2 раза больше толщины слоя высокого давления 20. Таким образом, средний размер капель 21 зависит только от длительности импульсов 0 и не зависит от диаметра выходного сопла 3. Это позволяет использовать collëî 3 с диаметром, на один-два порядка превышающим средний диаметр капель 21, что повышает надежность работы устройства, предотвращая его от засорения, Отношение диаметров сопла 3 и капель

21 ограничено сверху как максимальным диаметром сопла 3, так и минимальным диаметром капель 21, Максимальный диаметр сопла 3 составляет 1,5 — 2 мм и обусловлен тем, что при больших диаметрах невозможно вследствие действия силы тяжести выровнять поверхность мениска 19 путем изменения давления в жидкости при произвольном положении подложки 15 и сопла 3.

Минимальный диаметр капель 21 составля-. ет 5 — 10 мкм и обусловлен ростом сил поверхностного натяжения. препятствующих образованию капель 21, с увеличением пространственной частоты деформации мени.ска 19.

Дисперсия распределения капель по размерам тем меньше, чем больше пондемоторные силы, т.е. чем больше амплитуда импульсов 02 (фиг,2). При достаточно больших амплитудах импульсов Uz дисперсия определяется практически лишь отношением д числа капель 21, образующихся у края мениска 19, к общему числу капель 21;

2 Re hR Яо

ЛЯ2 йс

10 где Яс = Ос/2 — радиус сопла 3;

Ь R g — эффективная ширина кольца у края мениска 19. где нарушается однородность процесса образования капель.

Таким образом, увеличивая йс можно сделать однородность (т.е. качество) измельчения сколько угодно высокой.

Так как Оэ 0,1 Ос, и Н = (1,5 — 2) Ос» d, то электрод 14 не оказывает существенного механического влияния на распространение области сжатия жидкости 20 вдоль сопла 3 и на процесс образования капель 21.

Верхний предел для Н обусловлен тем, что с увеличением Н уменьшается поле на поверхности мениска 19.

Длительность импульса 02 составляет

25 х2 5: 1 = мкс, Это время достаточно для того, чтобы область сжатия жидкости 20 дод 4 — 8 ф„величину того же порядка, что и в устройстве-прототипе.

Устройство мажет быть реализовано следующим образом.

Средство 16 синхронизации может быть выполнено из последовательно соединенных ждущего блокинг-генератора, вход которого подключен к выходу основного. генератора 12 импульсов, дифференцирующей цепочки, ограничителя и усилителя.

При этом дополнительный генератор 17 импульсов представляет собой ждущий блокинг-генератор, Остальные устройства блока 10 управления выполнены на станшла до мениска 10 и образовались капли 21.

По окончании импульса 02 поверхность мениска 19 совершает колебания, которые спустя время t = Т вЂ” тз — rz =Т 1 мс, т,е. к моменту прихода следующего импульса 0> (фиг.2), практически полностью затухают

35 (фиг 3д)

Дополнительно накачивают жидкость средством 13 подачи жидкости, обеспечивающим скорорсть поступление жидкости

0 = Sd/Ò, где S = л R с — площадь поперечг

40 ного сечения выходного сопла 3, Т вЂ” период следования импульсов (фиг,2);

Например, при t> = 10 нс и 03 . = 1 — 2 км/с размер образующихся капель 21 составляет 20 — 40 мкм. Если взять српло 3

45 диаметром 1 мм, то неоднородность распределения капель 21 по размерам составит

2002518

10 дартных элементах. Пьезоэлектрическая пластина 6 может быть сделана из кварца, причем таким образом, чтобы она сокращалась в плоскости, параллельной плоскости мембраны 9. В качестве электрода 14 можно взять тонкую медную проволоку, а в качестве устройства подачи жидкости 18 — стандартное устройство для накачки жидкости поршневого типа, Остальные части устройФормула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСПЕРГАЦИИ, содержащее корпус, имеющий полость с выходным соплом и эластичной стенкой, емкость для диспергируемой жидкости, сообщенную с выходным соплом, пьезоэлектрический преобразователь, установленный на эластичной стенке полости, и блок управления с усилителем, выход которого подключен к пьезоэлектрическому преобразователю, и генератором импульсов. подключенным к входу усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе с сохранением качества диспергирования, оно снабжено средством подачи жидкости, соединенным с емкостью для диспергируемой жидкости, электродом в виде тонкого ства для диспергации также выполнены на стандартных элементах. (56) Авторское свидетельство СССР

N. 142553, кл. В 05 B 5/00, Е 04 F 21/02, 5 1961.

Авторское свидетельств; СССР .

N 1047525, кл, В 05 В 5/00, 19Ьi.

Патент СССР N. 680620. кл. В 05 В 5/00, 6 06 К 15/14, 1979.

10 стержня, размещенного в выходном сопле вдоль его оси симметрии, проводящей подложкой, перпендикулярной к соплу, и последовательно соединенными в блоке

15 управления средством синхронизации и дополнительными генератором импульсов и усилителем, при этом вход средства синхронизации подключен к выходу основного генератора импульсов, а выход дополни20 тельного усилителя - к электроду и проводящей подложке, причем отношение расстояния от конца электрода в сопле до выходного сечения сопла к его диаметру выбрано равным от 1,5 до 2, отношение

25 диаметра электрода в conhe к диаметру сопла выбрано не большим 0,1, а отношение расстояния от выходного сечения сопла до проводящей подложки к диаметру сопла выбрано не меньшим 10.

2002518

2002518

Составитель M.Êàëóãèíà

Техред M.Ìîðãåèòàë Корректор М, Ткач

Редактор

Заказ 3202

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский коМбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101