專利名稱：有效的液滴干燥的制作方法
有效的液滴干燥本發(fā)明涉及干燥流體的領(lǐng)域。干燥流體意味著流體的液滴被干燥而成為顆粒。在剩余部分中，術(shù)語顆粒和液滴一般地視為是相同的實(shí)體，這取決于根據(jù)干燥階段。流體干燥例如應(yīng)用到食品工業(yè)中，以便干燥營養(yǎng)物或者為此的配料，類似奶制品、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、或者其結(jié)合物。噴霧干燥還可以被運(yùn)用到干燥如下的流體，諸如，但是不限于，清潔劑、色料、催化劑、藥品、化妝品、聚合物樹脂、陶瓷粉末、粉末涂覆材料、粘結(jié)劑、石膏、混凝土、金屬粉末，等等。在傳統(tǒng)類型的噴霧干燥中，流體被供應(yīng)至噴嘴，這在容器中產(chǎn)生流體的液滴噴霧。 液滴隨后例如在干燥塔中的空氣流中被干燥。該方法的一個(gè)弊端在于為了將液滴干燥成為顆粒要耗費(fèi)相對(duì)大量的能量。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于減少噴霧干燥所需的能量的量的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括流體存儲(chǔ)器和噴霧設(shè)備。噴霧設(shè)備包括至少一個(gè)流出開口以及至少一個(gè)能量源，所述至少一個(gè)流出開口用于將來自存儲(chǔ)器的流體的液滴自至少一個(gè)流出開口射出，所述至少一個(gè)能量源用于至少部分地干燥液滴。噴霧設(shè)備布置為將液滴射入可確定的液滴軌跡中，并且至少一個(gè)能源布置成提供基本上集中在液滴軌跡上的能量。通過集中，意味著包括這樣實(shí)施方式，其中能量限定在液滴軌跡周圍的有限空間中，例如通過氣流的引導(dǎo)來限定。通過‘可確定的軌跡’意味著各個(gè)液滴的軌跡主要由預(yù)定的線路確定，所述預(yù)定線路例如為噴射液滴的噴射軌跡或者承載流動(dòng)的流動(dòng)軌跡。在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于噴霧干燥流體的方法。該方法包括將來自存儲(chǔ)器的流體的液滴自至少一個(gè)流出開口射出并且通過至少一個(gè)能量源用能量至少部分地干燥液滴。液滴被射到可確定的液滴軌跡中并且能量基本集中在液滴軌跡上。附圖


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)的示意圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)的第二二實(shí)施方式的示意圖
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)的第三Ξ實(shí)施方式的示意圖
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)的第四實(shí)施方式的示意圖
圖5示出了包括多個(gè)連接區(qū)段的實(shí)施方式；
圖6示出了包括管狀氣體引導(dǎo)件的額外的實(shí)施方式；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的包括集中能量源的實(shí)施方式；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的集中能量源的實(shí)施方式；
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的集中能量源的實(shí)施方式；
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的集中能量源的實(shí)施方式；
圖11示出了包括分段的氣體流動(dòng)系統(tǒng)的替換實(shí)施方式；
圖12示出了圖11中的區(qū)段界面的細(xì)節(jié)；
圖13示出了用于盒形氣流引導(dǎo)件的計(jì)算設(shè)計(jì)；
圖14示出了用于圖13的結(jié)構(gòu)的計(jì)算流動(dòng)輪廓。
具體實(shí)施例方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式。系統(tǒng)1包括存儲(chǔ)器2和噴霧設(shè)備3。噴霧設(shè)備與存儲(chǔ)器2流體連通以將待噴霧干燥的流體供應(yīng)至噴霧設(shè)備。噴霧設(shè)備包括至少一個(gè)流出開口4并且布置為將來自存儲(chǔ)器2流體液滴5自至少一個(gè)流出開口4射出。流出開口可以包括噴嘴。在下文中術(shù)語流出開口和噴嘴將被作為同義詞使用。現(xiàn)有技術(shù)中已知的用于射出液滴的機(jī)構(gòu)是所謂的瑞利分裂機(jī)構(gòu)(Rayleigh break-up mechanism)。基于該機(jī)構(gòu)的射出裝置通常包括振動(dòng)噴嘴或者振動(dòng)噴嘴板。所述系統(tǒng)還包括用于至少部分地干燥液滴的至少一個(gè)能量源6。該系統(tǒng)的特征在于，噴霧設(shè)備布置成將液滴射入可確定的液滴軌跡并且至少一個(gè)能量源6布置成提供基本上集中在液滴軌跡上的能量7。在圖1中示出的實(shí)施方式中，噴霧設(shè)備3包括一個(gè)流出開口 4?？梢岳斫獾氖牵瑖婌F設(shè)備3還可能包括多個(gè)流出開口 4，以便將流體自多個(gè)流出開口 4射出，從而獲得流體的液滴。此外，流出開口 4可以例如布置為噴霧設(shè)備3的表面中的孔。為了提供可確定的液滴軌跡，圖2A中示出的噴霧設(shè)備的實(shí)施方式200包括供給壓力生成裝置8，用于將流體以預(yù)定的供給壓力提供到流出開口 4，從而獲得流體射流。還可以使用用于提供可確定的液滴軌跡的其他機(jī)構(gòu)。這里，供給壓力生成裝置8布置成保持供給壓力基本恒定。因此，產(chǎn)生流體射流，與此同時(shí)供給壓力生成裝置8基本不干擾該射流。 增加供給壓力生成裝置8僅僅是提供可確定的液滴軌跡的一種方式。其他的方式也是可能的。在該實(shí)施方式中，供給壓力生成裝置包括泵9以便以期望的壓力供應(yīng)流體。在根據(jù)本發(fā)明的噴霧設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方式201中，如圖2B所示，泵9定位在存儲(chǔ)器2與噴霧設(shè)備3之間以使來自存儲(chǔ)器2的流體在壓力下被供應(yīng)到噴霧設(shè)備3。在該實(shí)施方式中，泵9布置為保持供給壓力基本恒定。此外，泵9可以包括壓力調(diào)節(jié)器，諸如過壓閥和/或壓力調(diào)節(jié)閥和/或阻尼器。替換地，或者附加地，供給壓力生成裝置8可以布置為液壓地或者氣壓地將壓力施加到流體以保持供給壓力基本恒定，即，供給壓力生成裝置8 可以分別地使用加壓的液體或者氣體，以在流體上施加基本恒定的壓力。在該實(shí)施方式中， 泵可以布置為改變流速從而保持壓力恒定。在另一個(gè)實(shí)施方式中，泵可以布置為保持流速恒定，這導(dǎo)致一定的壓力。這種泵的一個(gè)例子是恒流泵。在圖3中示出了用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方式300。該實(shí)施方式與先前的實(shí)施方式基本相同。然而，包括振動(dòng)噴嘴10的噴霧設(shè)備3布置為通過瑞利分裂器提供單分散性液滴。因此，該實(shí)施方式還包括壓力改變裝置10，以便改變流出開口 4上游的流體的壓力。當(dāng)射流從流出口 4射出時(shí)，流體射流的壓力變化致使射流在最小壓力點(diǎn)處收縮。 接著，流體射流將會(huì)在收縮處分裂，從而形成流體的液滴5。流體壓力的變化幅度可以為供給壓力的大致10%。壓力的振動(dòng)幅度可以是1毫巴到100巴，優(yōu)選地小于或者等于25巴。在圖3示出的實(shí)施方式中，壓力改變裝置10包括控制元件11，該控制元件可沿著來自/到達(dá)流出開口 4的方向移動(dòng)。使控制元件11相對(duì)于流出開口 4振動(dòng)致使流體的壓力在控制元件11與流出開口 4之間變化。當(dāng)流體從流出開口 4射出而成為流體射流時(shí)，流體中壓力的變化延伸到流體射流中。壓力改變裝置10可以例如包括壓電式元件、電致伸縮元件、聲學(xué)元件、電磁致動(dòng)器、音圈、和/或機(jī)械裝置，以便沿著到達(dá)/來自流出開口 4的方向來移動(dòng)控制元件11。如果噴霧設(shè)備3包括多個(gè)流出開口 4，單個(gè)控制元件11可以被用于改變由多個(gè)流出開口 4產(chǎn)生的基本所有流體射流的壓力。在與圖3中示出的實(shí)施方式類似的另一個(gè)實(shí)施方式中，控制元件布置為以預(yù)定的頻率改變流出開口 4上游的流體的壓力。優(yōu)選地，所述預(yù)定頻率基本上恒定。因此，流體射流將會(huì)沿著流體射流在基本等距的位置處收縮，并且隨后分裂。因此，將會(huì)形成基本相同大小的液滴。這些液滴可以具有相對(duì)窄的液滴大小分布，例如具有小于1的單分散性指數(shù)的液滴大小分布，優(yōu)選的小于0. 7，更優(yōu)選地小于0. 1。液滴大小分布的單分散性指數(shù)被限定為(d90-dl0/d50)，其中dlO、d50和d90分別地代表10%、50%和90%的液滴大小百分位數(shù)。當(dāng)流體基本同質(zhì)時(shí)，基本相同大小的液滴將會(huì)具有基本相等的質(zhì)量。這僅僅是提供單分散性液滴的一種可能的方式，其他的方式也是可能的。在多個(gè)流出開口 4的情形中，流出開口 4可以具有基本相同尺寸，以允許基本相同尺寸的液滴從各個(gè)分離的流出開口 4噴出，因此允許液滴以相對(duì)窄的大小分布產(chǎn)生。提供單分散性液滴的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以是，干燥能量的量可與液滴的大小和期望的干燥程度相關(guān)。因?yàn)橐旱尉哂谢鞠嗤拇笮?，所以液滴的干燥結(jié)果將會(huì)是基本相同的。這可以減少干燥液滴所需要的能量的量，因?yàn)椴辉傩枰x擇能量的量以使得即使最大液滴也將會(huì)達(dá)到優(yōu)選的干燥程度。此外，因?yàn)橐旱位揪哂邢嗤拇笮?，所以可以防止比期望的液滴大小小的顆粒形成。更小的液滴可能變得太干燥并且甚至烘干耗盡。盡管液滴的耗盡在一些情況下可能是有用的，但其通常是不期望的。與傳統(tǒng)的霧化系統(tǒng)相反，未形成所謂的纖細(xì)顆粒(超精細(xì)顆粒)，這對(duì)于能源的高效重復(fù)使用是有利的，因?yàn)槔w細(xì)顆?？稍斐蔁峤粨Q系統(tǒng)中的問題和污染。優(yōu)選地，能源的量將會(huì)使得液滴完全地并且高效地干燥，而不在液滴表面的周圍形成硬表層。這種表層可以阻止液滴內(nèi)部的水?dāng)U散到表面并且可能因此干擾干燥過程。然而，可能還有期望僅部分地干燥液滴的情形。然而，在其他的情況中，可能優(yōu)選的是，提供能量的量以使包括有機(jī)金屬化合物的液滴的熱分裂發(fā)生。在將類似絕緣體和半導(dǎo)體的電化合物以液滴方式印刷在基板上的領(lǐng)域中，這可能是有用的。在本發(fā)明中，單分散性液滴在可預(yù)先確定的軌跡上干燥，這進(jìn)一步使得能夠通過沿著軌跡選擇性地提供能量而優(yōu)化干燥過程。這意味著供應(yīng)到液滴的能量的量可以根據(jù)液滴在軌跡中位置并因此根據(jù)液滴的干燥程度而改變。圖8中示出了布置用于沿著液滴軌跡選擇性的提供能量的能量源的實(shí)例，并且將在后面描述這些實(shí)例。液滴的凝固可能對(duì)狹窄的液滴分布是有害的?？梢圆扇∪舾纱胧﹣矸乐鼓?。首先，可以選擇壓力改變裝置10的預(yù)定壓力變化頻率，以使得在流出開口 4處連續(xù)噴出的兩個(gè)液滴之間的距離大于或者等于液滴直徑的兩倍，優(yōu)選地大于或等于液滴直徑的三倍。第二，在多個(gè)流出開口 4的情形中，可以布置噴嘴4以形成流體的多個(gè)相互分裂開的射流。當(dāng)射流彼此分裂開時(shí)，便減小了由相互不同的噴嘴4射出的液滴凝固的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橛上嗷ゲ煌膰娮?射出的液滴之間的距離在飛行過程中增加了。
第三，多個(gè)噴嘴4中的兩個(gè)相鄰噴嘴4之間的距離可以大于1.5倍的橫向尺寸(比如兩個(gè)相鄰噴嘴4中的至少一個(gè)的直徑)，更優(yōu)選地大于2倍，最優(yōu)選地大于或者等于2. 5 倍的橫向尺寸。這也減小了液滴凝固的風(fēng)險(xiǎn)。此外，參照?qǐng)D4的實(shí)施方式，為了進(jìn)一步提高液滴軌跡的可確定性，氣動(dòng)定位可以包括使液滴5加速以防止凝固。這可以減小液滴凝固的可能性。根據(jù)本發(fā)明的用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)可以用于多種液滴生成系統(tǒng)。液滴例如可以根據(jù)滴落需求而例如連續(xù)或者非連續(xù)地產(chǎn)生。此外，可以產(chǎn)生低粘度流體的液滴(例如具有2mPa · s的粘度的鹽溶液液滴)，并且還可以產(chǎn)生高粘度的液滴(例如具有250mPa · s 的粘度)。噴霧干燥高粘度流體例如在食品處理工業(yè)中是期望的，例如用于干燥牛奶。在傳統(tǒng)的牛奶干燥中，牛奶可以在干燥塔里霧化并干燥。牛奶包括大量的水，并且移除干燥塔里如此大量的水可能不是非常節(jié)能的。使用高粘度印刷系統(tǒng)使得能夠首先以節(jié)能的方式從牛奶中提取水并且隨后干燥經(jīng)提取的高粘度牛奶液滴。經(jīng)提取的高粘度牛奶液滴的示例性粘度是250mPa· S。干燥經(jīng)提取的牛奶液滴可能會(huì)比傳統(tǒng)的牛奶干燥過程更高效節(jié)能。如在本發(fā)明中，將液滴射入可確定的液滴軌跡中并且布置能量源以提供基本集中在液滴軌跡上的能量，甚至可以進(jìn)一步增加干燥過程的能量效率。為了印刷高粘度流體，在另一個(gè)實(shí)施方式中，噴霧設(shè)備3進(jìn)一步布置為在穿過流出開口 4的流體中致使大于15巴的壓力下降，以使得能夠射出具有至少IOOmPa 的粘度的流體液滴。射出高粘度流體的液滴使能夠噴霧干燥具有較大濃度的干物質(zhì)的流體。這意味著當(dāng)干燥液滴時(shí)僅需移除較少的流體。這可以增加能量效率。為了印刷高粘度流體，穿過流出開口 4的流體中的壓降優(yōu)選地在50巴與400巴之間并且更優(yōu)選地在100巴與200巴之間。流體的粘度高于IOmPa · s，優(yōu)選地高于25mPa · s，更優(yōu)選地高于50mPa · s，甚至更優(yōu)選地高于IOOmPa · s，并且最優(yōu)選地高于200mPa · s，流體的粘度在流出開口 4中普遍使用的溫度下確定。待印刷材料的溫度優(yōu)選地在-50°C與300°C之間并且更優(yōu)選地在40°C與 100°C之間。目前使用的存在于流出開口 4中的剪切速率優(yōu)選地在1 X IO4與1 X IOfV1之間并且更優(yōu)選地為δΧΙΟ5^，使用毛細(xì)管粘度計(jì)。最小的橫向尺寸(諸如流出開口 4的直徑)可以小于或者等于150微米，優(yōu)選地小于或等于100微米，更優(yōu)選地小于或等于80微米，并且最優(yōu)選地小于或等于60微米。壓降、高粘度和噴嘴4的尺寸的結(jié)合使得可產(chǎn)生具有如下期望大小的高粘度流體液滴，所述大小優(yōu)選地平均小于或者等于250微米且更優(yōu)選地平均小于或者等于100微米。噴霧干燥高粘度流體期望供給壓力為15-3000巴的區(qū)間之間，并且優(yōu)選地在 1-600巴的區(qū)間之間。噴霧干燥高粘度流體期望控制元件11定位在到流出開口 4為2微米與1500微米之間并且優(yōu)選地15微米與500微米之間的預(yù)定距離處。這提供了這樣的優(yōu)點(diǎn)，防止施加到高粘度流體的壓力變化被粘度流體抑制到從流出開口 4射出的射流沒有經(jīng)歷足夠大幅度的壓力變化以有效地分裂成液滴的程度。在噴墨印刷系統(tǒng)中，液滴的橫向尺寸(例如直徑)取決于流速和壓力變化頻率。例如，流速為2. 4ml/min且壓力變化頻率40. OOOHz的流出開口獲得IM微米的平均液滴直徑(d50)。相同的2. 4ml/min的流速和更低的500Hz的頻率導(dǎo)致535微米的液滴直徑。注意到液滴直徑指的是液滴剛剛離開流出開口后的直徑。干燥的粉末顆粒的尺寸可能更小。原則上，液滴直徑不取決于流出開口的直徑。然而，流出開口的直徑可以影響可能的流速。例如，可能不能穩(wěn)定地推動(dòng)流速像0. 2ml/min這么小的流體通過相同的80微米的噴嘴。對(duì)于2. 4ml/min的流速來說，噴嘴的直徑優(yōu)選地80微米，并且0. 6ml/min的流速優(yōu)選地與30微米的噴嘴相結(jié)合。與40. OOOHz的壓力變化頻率結(jié)合的后面的0. 6ml/min的流速導(dǎo)致具有78微米的直徑的液滴，而與500Hz頻率結(jié)合的后面的0. 6ml/min的流速導(dǎo)致具有337微米的直徑的液滴。為了進(jìn)一步提高液滴軌跡的可確定性，用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)可以包括氣體流動(dòng)引導(dǎo)件，該氣體流動(dòng)引導(dǎo)件布置為控制液滴引導(dǎo)氣流以空氣動(dòng)力學(xué)的方式將液滴定位到可預(yù)定的液滴軌跡中。此外，氣體流動(dòng)引導(dǎo)件自身可以形成有效的裝置以提供基本集中在液滴軌跡上的能量。該氣流例如可以是空氣流。如果期望防止流體液滴的氧化，那么可以使用氖、氬或者其他合適的氧化防止氣體。在一些情形中，液滴的輕微氧化可能是有益的。 在這些情形中，例如可以使用氧氣和氬氣的混合物。在圖4中示出了這種氣體引導(dǎo)干燥系統(tǒng)400的一個(gè)實(shí)例。干燥系統(tǒng)400包括噴霧頭3，噴霧頭3包括控制元件11。盡管氣體引導(dǎo)件的許多變型都是可能的，但是在該實(shí)施方式中，流體的液滴5被射入管12中，通過氣體供應(yīng)開口 14將氣流13提供到管12中。應(yīng)該注意的是，盡管該實(shí)施方式能夠有效地與此后公開的振動(dòng)噴嘴裝置3 —起使用，噴霧頭可以包括其他霧化裝置，包括液滴軌跡僅在接收在氣體引導(dǎo)件12中之后才變得可確定的實(shí)施方式。更詳細(xì)地，氣體流動(dòng)引導(dǎo)件包括入口件123和出口件124，其限定沿著相對(duì)布置的直立壁120、122的總流動(dòng)方向P和液滴軌跡T，所述壁限定在直立壁120、122之間的有限寬度的細(xì)長空間122，該細(xì)長空間的軸向方向與液滴軌跡T對(duì)準(zhǔn)；在使用中布置為在氣體引導(dǎo)件12中提供梯度分層氣體流動(dòng)并且具有等于或大于顆粒速率的氣流速度，從而限定顆粒軌跡T。這里，流動(dòng)方向P和顆粒方向T沿著相同的方向?qū)?zhǔn)。由于氣體引導(dǎo)件12的管形式，氣流13優(yōu)選地是分層的并且具有拋物線輪廓。氣流優(yōu)選地具有與流體的液滴5相同或者更大的速率。液滴跟隨氣流，但是液滴的大小與形狀的略微不同都可能致使它們從其軌跡偏離。利用梯度速率輪廓，特別是拋物線輪廓的氣體流動(dòng)，液滴5通過空氣動(dòng)力學(xué)提升作用而穩(wěn)定，該空氣動(dòng)力學(xué)提升作用基本上迫使液滴通過管12進(jìn)入到優(yōu)選的軌跡中，例如，沿著管的中心軸線。注意到，如果液滴5 具有比氣體流動(dòng)更高的速率，該作用可能相反并且然后液滴5將會(huì)從流動(dòng)的中心流走，這可能是不期望的。空氣動(dòng)力學(xué)地修正液滴還可以防止液滴被卡在噴霧干燥系統(tǒng)中并因此污染系統(tǒng)。可選擇性地設(shè)置擴(kuò)散器15，以便實(shí)現(xiàn)氣體的逐漸流入。另一個(gè)選擇是通過多個(gè)氣體供應(yīng)開口 14'和14"提供多個(gè)氣流13'和13"，以使系統(tǒng)進(jìn)一步穩(wěn)定。氣流可以是有條件的，特別地，干燥的和/或加熱的。設(shè)置流出開口 140以使流出氣流13、13'、13"轉(zhuǎn)向。如圖5中進(jìn)一步示出，能量的再利用可以由熱交換器和空調(diào)系統(tǒng)50提供?？諝鈩?dòng)力學(xué)定位可以被用于朝向下一個(gè)加熱區(qū)域“投射”液滴。熱交換器50將“冷”-“濕”氣體移除并且以“干”-“暖”氣體將其取代。替換地，調(diào)節(jié)可以用與圖11中示出的相似方式來設(shè)有不可重復(fù)循環(huán)氣體。特別地圖5示出了多個(gè)連接區(qū)段12、12'，每個(gè)連接區(qū)段12、12 ‘都設(shè)置有顆粒入口 123和顆粒出口 124、以及空氣流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)125，布置為將液滴朝向每個(gè)液滴出口 IM 加速；并且使空氣流動(dòng)從液滴軌跡5偏離。這種流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可以設(shè)置為收縮件125，其使流動(dòng)加速直到斯托克斯數(shù)(Stokes number)大于1，以使顆粒繼續(xù)他們的軌跡并且不再跟隨空氣流。距離A應(yīng)該足夠短以使液滴保持斯托克斯數(shù)大于1，因此它們保持跟隨它們自己的軌跡。距離B應(yīng)該占據(jù)的足夠長， 以給予液滴5時(shí)間來減緩到管12中的流動(dòng)大于液滴速度的程度，從而使得液滴穩(wěn)定。如果距離太短，液滴5可能由于空氣流使得它們撞擊管12的壁而不穩(wěn)定。于是，距離B用作設(shè)置在在后的區(qū)段12、12'之間的減速結(jié)構(gòu)，以在將顆粒接收在在后的區(qū)段12'的顆粒入口 123'中之前使液滴減速。應(yīng)注意，可以考慮其他的減速方法，諸如局部地增加氣體壓力等；或者可以省去減速結(jié)構(gòu)，如圖11至圖14的實(shí)施方式中所示出的。本發(fā)明的一個(gè)方面是提供基本集中在液滴軌跡中的能量的能量源126。根據(jù)本實(shí)施方式，可以在氣體引導(dǎo)件的壁120中布置加熱器126。應(yīng)注意，氣體引導(dǎo)件12可以通過確定合適的尺寸而具有相對(duì)于重力方向的任何定向，但是優(yōu)選地保持基本水平。此外，管12 可以彎曲以提供緊湊的設(shè)計(jì)，例如，以線圈系統(tǒng)的形式。此外，管12可以是成簇的。應(yīng)注意， 通過氣體流動(dòng)的(熱)調(diào)節(jié)，可以省去加熱器126，同時(shí)將局部化的蒸發(fā)能量提供到液滴以致使液滴干燥。圖6A和圖6B示出了具有恒定空氣流的管狀氣體引導(dǎo)件60的額外的實(shí)例，并且沿著氣體引導(dǎo)壁120在外部加熱以沿著液滴軌跡集中能量。加熱可以通過與氣體流動(dòng)相對(duì)的流體逆流61提供，從而拉動(dòng)液滴通過管60。盡管圖6A示出了通過加熱逆流61來加熱，替換的加熱也是可能的，例如，通過纏繞在管周圍的加熱線圈(未示出)。替換地，圖6B示出了以圖7中進(jìn)一步示例示出的方式、經(jīng)由被反射器64朝向軌跡的反射的頂輻射63來加熱軌跡。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的能量源600的實(shí)施方式，其中反射能量集中元件20包括橢圓鏡17的至少一部分，并且其中至少一個(gè)能量源6被定位在橢圓鏡17的該至少一部分的第一焦點(diǎn)16中，以將輻射能量的至少一部分集中在第二焦點(diǎn)18中。在該實(shí)施方式中，能量源600定位在橢圓鏡17的至少一部分的第一焦點(diǎn)16中，以便將輻射能量的至少一部分集中在第二焦點(diǎn)18中。集中能量可以增加如上所述的干燥效率和/或干燥速度。在該實(shí)施方式中，第一焦點(diǎn)16中的能量源600可以例如包括具有發(fā)光螺旋體的加熱器。然而，類似紅外線光源的其他能量源也是可能的。圖7A示出了能源 600的此實(shí)施方式的俯視圖，其中示出了輻射束19、19'、19〃、19〃 ‘、19〃丨‘、19〃 “‘ 和19"““。(為了清楚起見，在以下的附圖中，未示出所有的輻射束19。)輻射束19從第一焦點(diǎn)16中的能量源6直接地行進(jìn)到第二焦點(diǎn)18。其他束間接地行進(jìn)，即，通過鏡17從第一焦點(diǎn)反射到第二焦點(diǎn)。圖7B清楚地示出了該實(shí)施方式的側(cè)視圖，其中輻射束19從第一焦點(diǎn)11中的能量源6行進(jìn)以將能量7集中在第二焦點(diǎn)18中。
在傳統(tǒng)的噴霧干燥技術(shù)中，加熱的空氣例如對(duì)流地或者直接地施加到液滴。空氣加熱減小了空氣的相對(duì)濕度，這是用于干燥的驅(qū)動(dòng)力。此外，較高的溫度加速了水在固體內(nèi)部的擴(kuò)散，因此干燥更快。然而，質(zhì)量的考慮限至了可應(yīng)用至空氣溫度的增加。太熱的空氣可能導(dǎo)致(例如)表層形成或者表面硬化。當(dāng)應(yīng)用輻射驅(qū)動(dòng)干燥時(shí)，例如電介質(zhì)干燥，液滴通過在材料內(nèi)部被吸收的射頻或者微波加熱并干燥。輻射驅(qū)動(dòng)干燥可以比空氣干燥技術(shù)更高效且/或更快速。首先，輻射源(例如紅外線源)的波長可以與材料的吸收特性相匹配。其他輻射源是可能的，例如處在紅外光譜之外的光源。第二，可能經(jīng)由輻射將比經(jīng)由熱干燥更多的能量施加到液滴，而不會(huì)有液滴的耗盡、形成表層或者致使表面硬化效果的發(fā)生。預(yù)先試驗(yàn)已經(jīng)示出液滴可以最終在50厘米與一米之間的軌跡上來噴霧干燥。這與用于應(yīng)用傳統(tǒng)的噴霧干燥方法的大型干燥塔相比非常有利。圖8示出了配置集中能量源的幾個(gè)替換方式。圖8A示出了包括四個(gè)部分的橢圓鏡 17能量源601，所述四個(gè)部分朝向彼此正交定位，從而鏡17的四個(gè)第二焦點(diǎn)18重疊。這種方式，四個(gè)能量源6的能量被聚集在一個(gè)共同的集中點(diǎn)中。在圖8B中，示出了能量源602， 該能量源602包括五個(gè)相鄰的鏡結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)鏡結(jié)構(gòu)都包括彼此相對(duì)定位的兩個(gè)橢圓鏡 17，具有重疊的第二焦點(diǎn)18，其中兩個(gè)能量源6的能量被集中。該構(gòu)造適于包括定位在一條線上的五個(gè)流出開口 4的噴霧系統(tǒng)。圖9示出了集中能量源的實(shí)施方式，其中布置反射性能量集中元件20以將至少一個(gè)能量源6的輻射能量集中在多個(gè)焦點(diǎn)中。這是有利的，因?yàn)轭A(yù)先試驗(yàn)結(jié)果顯示出干燥通常的液滴鏈所需的能量可以在0. 1 與10瓦特之間。紅外(IR)能量源6的功率通常為至少1000瓦特，這可能太高并且耗盡液滴而不是干燥它們，且具有造成引起的風(fēng)險(xiǎn)。在圖9A中，示出了能量源603，該能量源603包括定位在反射性能量集中元件21 內(nèi)的能量源6，反射性能量集中元件21將能量源6的能量集中在七束能量7上。在圖9B中示出的能量源604與圖8A的構(gòu)造相似，其中，一個(gè)能量源6的輻射分布在四束能量7上。在圖9C中示出的能量源605與圖8B的構(gòu)造相似，其中，五個(gè)能量源6的輻射分布在十束能量7上。將單個(gè)能量源的能量分布在多個(gè)液滴鏈上的替換方式是將多個(gè)流出開口定位在單束能量上方。這可以例如以圖7A中示出的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)。在上面討論了干燥過程可以通過沿著液滴軌跡選擇性地供應(yīng)能量來優(yōu)化。圖IOA 示出了包括多個(gè)能量源6、6'、和6"的能量源606，以提供期望的能量輪廓7。每個(gè)能量源 6都傳遞期望量的能量7。圖IOB示出了具有傳遞期望的能量輪廓7的能量源6的能量源 607。這一個(gè)能量源6可以例如包括發(fā)光螺旋體，該發(fā)光螺旋體以其傳遞期望的能量輪廓7 的方式設(shè)計(jì)。在不偏離如在所附的權(quán)利要求中所闡述本發(fā)明的更廣德精神和范圍的情況下，可以使用結(jié)合如上所述的能量源的元件的其他能量源。將集中能量提供到液滴的替換的方式可以是將液滴射入干燥空氣流中。圖11示出了這種干燥空氣流的一個(gè)實(shí)例。特別地，圖IlA示出了分段的氣體流動(dòng)系統(tǒng)110的側(cè)視圖，每個(gè)區(qū)段都設(shè)有液滴入口 111和液滴出口 112，以及空氣流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)120、121，布置為朝向每個(gè)液滴出口 112對(duì)液滴加速；并且使空氣流動(dòng)從液滴軌跡116偏離。圖IlA的分段的氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過一系列相連的引導(dǎo)件115、115'形成，每個(gè)引導(dǎo)件都具有液滴入口結(jié)構(gòu)111和液滴出口結(jié)構(gòu)112，在示出的實(shí)例中，所述液滴入口結(jié)構(gòu) 111和液滴出口結(jié)構(gòu)112形成為至少部分地與提供總流動(dòng)P的中央流動(dòng)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)113分離的結(jié)構(gòu)111、112。在前區(qū)段115的出口結(jié)構(gòu)112與在后的115'的入口結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，從而形成區(qū)段界面111'，從而使得顆粒在基本直的軌跡116中經(jīng)由區(qū)段界面111'從入口結(jié)構(gòu)行進(jìn)到出口結(jié)構(gòu)。平面流動(dòng)區(qū)域的豎直延伸區(qū)通過參考標(biāo)號(hào)117指示。應(yīng)該注意的是，顆粒軌跡T不與總體流動(dòng)P對(duì)準(zhǔn)。圖IlB示出了具有相對(duì)布置的直立壁120、121的氣體引導(dǎo)件115的放大的軸向正視圖，直立壁120、121沿著重力方向會(huì)聚，以在使用中提供沿著遠(yuǎn)離總流動(dòng)方向P的方向的基本平面的流動(dòng)116，并且該平面流動(dòng)116具有逆著重力g的方向定向的比總流動(dòng)的流動(dòng)速率分量小的流動(dòng)速率分量；并且為梯度的以提供液滴漂浮。如所見的，有效的平面區(qū)域116 形成在流動(dòng)的氣體引導(dǎo)件中，流動(dòng)具有基本平面的形式以及小的豎直延伸區(qū)117。在正視圖中，能夠辨認(rèn)出入口區(qū)域111、中央流動(dòng)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)113和出口區(qū)域112。圖12示出了區(qū)段界面111'的細(xì)節(jié)，那里可以看到入口區(qū)域111具有與在前區(qū)段的出口區(qū)域112的出口區(qū)段分離壁部分1120對(duì)準(zhǔn)的入口區(qū)段分離壁1110。該布置防止了從出口 112離開而進(jìn)入在后區(qū)段115的入口 111的出口流動(dòng)P的交叉流動(dòng)，并且促進(jìn)適當(dāng)?shù)囊旱瘟鲃?dòng)T。圖13和圖14以部分地面向前防護(hù)物131的局部立體圖示出了該氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu) 115的另一個(gè)實(shí)例。實(shí)際上，提供了這樣的平面流動(dòng)T，其中顆粒沿著由該氣體流動(dòng)結(jié)構(gòu)形成的遠(yuǎn)離總流動(dòng)輪廓118的方向的軌跡116被傳送。圖13示出了用于盒形氣體流動(dòng)引導(dǎo)件115的計(jì)算設(shè)計(jì)，其具有沿著重力的方向會(huì)聚的側(cè)壁(參見圖11)。此外，相對(duì)布置的底壁119和頂壁1 可以在沿著總流動(dòng)P的方向會(huì)聚的所述壁之間限定楔形體積。流動(dòng)提供有效的平衡高度的效果，其中各種大小和高度的液滴能被平衡而達(dá)到基本恒定的漂浮高度。具有會(huì)聚流動(dòng)118的楔形盒設(shè)計(jì)115可使氣體引導(dǎo)件中的氣體流動(dòng)加速，并且增進(jìn)沿著遠(yuǎn)離總流動(dòng)輪廓118的方向的平面流動(dòng)輪廓116的形成。氣體入口區(qū)域 130可能具有設(shè)有顆粒入口開口的防護(hù)部分131。入口防護(hù)物131通過提供與總流動(dòng)118 分離的入口流動(dòng)區(qū)域130來防止兩個(gè)相連區(qū)段之間的交叉流動(dòng)。入口流動(dòng)區(qū)域130形成平面流動(dòng)116的開始，朝向成形為具有從底壁1 突出的對(duì)應(yīng)出口區(qū)域132的出口區(qū)域延伸。圖14示出了用于圖13的楔形結(jié)構(gòu)的計(jì)算流動(dòng)輪廓。圖14A示出了 X-速率輪廓， 詳細(xì)描述了平面流動(dòng)中的基本恒定的高前向速率分量，限定了沿著顆粒的軌跡116的X方向。沿著液滴軌跡的X速率分量基本上高于總流動(dòng)的X速率；說明性的區(qū)別是4. 5m/s的平面流動(dòng)相對(duì)于3. 5m/s的總流動(dòng)。圖14B的圖表示出了平面流動(dòng)的相應(yīng)減小的豎直分量，限定了 Y速率輪廓。這里示出了平面輪廓中的局部豎直流動(dòng)速率基本上低于總流動(dòng)分量；根據(jù)幾何學(xué)，說明性的區(qū)別是0. 45m/s的平面流動(dòng)相對(duì)于0. 65m/s的總流動(dòng)。應(yīng)注意到，盡管在上文中，本發(fā)明主要定位于噴霧干燥流體的領(lǐng)域中以用于提供粉末，本發(fā)明還可以被應(yīng)用在其他領(lǐng)域中，例如，液滴印刷如絕緣體和半導(dǎo)體的電子部件的領(lǐng)域。在此特別的領(lǐng)域中，金屬鹽被溶解，優(yōu)選地溶解在水中，但是也可以溶解在有機(jī)溶劑中，并且隨后被印刷。沿著液滴軌跡提供能量致使有機(jī)金屬化合物的熱分裂和熔化，并且允許金屬層被印刷到基板的表面上。為了印刷陶瓷元件，陶瓷懸浮物被印刷、干燥并且燒結(jié)。所給出的詳細(xì)附圖、具體實(shí)例以及特定模式僅為了說明性的目的。所述的實(shí)施方式示出了豎直、線形的軌跡。然而還可能的使用其他的軌跡形式，例如水平或者彎曲的軌跡形式。此外，在不背離如在所附權(quán)利要求中所表述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)示例性實(shí)施方式的設(shè)計(jì)、操作情況、以及布置進(jìn)行其他替代、修改、改變以及省略。除非物理上不可能，在該實(shí)施方式中提出的任何特征都被認(rèn)為是與其他實(shí)施方式的任何其他特征結(jié)合公開的，具體地如隨后的權(quán)利要求中所詳細(xì)說明的。在權(quán)利要求中，任何放在括號(hào)之間的參考標(biāo)記都不應(yīng)被認(rèn)為限制權(quán)利要求。詞語 “包括”不排除存在權(quán)利要求中所列舉的之外的其他特征或者步驟。此外，詞語“一”不應(yīng)被認(rèn)為是限制為“僅僅一個(gè)”，而是用于表示“至少一個(gè)”，并且不排除多個(gè)。在相互不同的權(quán)利要求中所敘述的一些措施的事實(shí)并不表示這些措施的結(jié)合不能被有利地使用。
權(quán)利要求
1.用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括-流體存儲(chǔ)器⑵；-噴霧設(shè)備(3)，所述噴霧設(shè)備C3)包括至少一個(gè)流出開口(4)，以便將來自所述存儲(chǔ)器 (2)的流體的液滴(5)自所述至少一個(gè)流出開口(4)射出；以及-至少一個(gè)能量源(6)，用于至少部分地干燥液滴，其中-所述噴霧設(shè)備C3)布置為將所述液滴射入可確定的液滴軌跡中并且所述至少一個(gè)能量源(6)布置為提供基本上集中在所述液滴軌跡上的能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述噴霧設(shè)備C3)包括布置為通過瑞利分裂提供單分散性液滴的振動(dòng)噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述能量源(6)進(jìn)一步布置為沿著所述液滴軌跡選擇性地提供能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括氣體流動(dòng)引導(dǎo)件，所述氣體流動(dòng)引導(dǎo)件布置為操縱液滴引導(dǎo)氣流以空氣動(dòng)力學(xué)地將液滴集中到所述可預(yù)先確定的液滴軌跡中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，所述氣體流動(dòng)引導(dǎo)件是管狀的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，所述氣體流動(dòng)引導(dǎo)件包括限定沿著相對(duì)布置的直立壁的總流動(dòng)方向和液滴軌跡的入口件和出口件，所述壁限定在所述直立壁之間的有限寬度的細(xì)長空間，并且所述細(xì)長空間的軸向方向與所述液滴軌跡對(duì)準(zhǔn)；在使用中布置為在所述氣體引導(dǎo)件中提供梯度分層氣體流動(dòng)并且具有等于或大于所述顆粒速率的氣體流動(dòng)速率， 從而限定所述顆粒軌跡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述氣體流動(dòng)引導(dǎo)件具有盒的形式，并且其中， 所述相對(duì)布置的直立壁沿著重力方向會(huì)聚以在使用中提供基本平面的流動(dòng)，所述基本平面的流動(dòng)沿著遠(yuǎn)離所述總流動(dòng)方向的方向并且具有逆著所述重力方向定向的比所述總流動(dòng)的流動(dòng)速率分量小的流動(dòng)速率分量；并且為梯度的以提供液滴漂浮。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述氣體流動(dòng)引導(dǎo)件進(jìn)一步包括相對(duì)布置的底壁和頂壁，所述底壁和頂壁在沿著流動(dòng)的方向會(huì)聚的所述壁之間限定楔形體積。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述能量源設(shè)置為用以加熱所述氣體引導(dǎo)件的壁的加熱器。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述能量源設(shè)置為在所述氣體引導(dǎo)件中提供經(jīng)調(diào)節(jié)的空氣流動(dòng)的空氣調(diào)節(jié)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個(gè)相連的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段均設(shè)有液滴入口和液滴出口、以及空氣流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，所述空氣流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用以使所述液滴朝向每個(gè)液滴出口加速；并且使所述空氣流動(dòng)從所述液滴軌跡偏離。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，在液滴出口與液滴入口之間設(shè)有液滴減速結(jié)構(gòu)，以便在將所述顆粒接收在后一區(qū)段的顆粒入口中之前使所述液滴減速。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)能量源(6)相對(duì)于反射性能量集中元件00)定位，以便將來自所述至少一個(gè)能量源(6)的能量集中在至少一個(gè)焦點(diǎn)中。
14.用于噴霧干燥流體的方法，所述方法包括以下步驟-將來自存儲(chǔ)器⑵的流體的液滴(5)自至少一個(gè)流出開口(4)射出；以及-利用由至少一個(gè)能量源(6)提供的能量至少部分地干燥所述液滴， 其中-將所述液滴射入到可確定的液滴軌跡中并且將所述能量基本集中在所述液滴軌跡上。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述方法還包括操縱液滴引導(dǎo)氣流以便空氣動(dòng)力學(xué)地將液滴集中到所述可預(yù)先確定的液滴軌跡中的步驟。
全文摘要
在一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種用于噴霧干燥流體的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括流體存儲(chǔ)器(2)、噴霧設(shè)備(3)，該噴射設(shè)備包括至少一個(gè)流出開口(4)以便將來自存儲(chǔ)器(2)流體的液滴(5)自至少一個(gè)流出開口(4)射出，以及至少一個(gè)能量源(6)以用于至少部分地干燥液滴。該噴射設(shè)備(3)布置為將液滴射入可確定液滴軌跡并且至少一個(gè)能量源(6)布置成提供基本集中在液滴軌跡上的能量。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于減少噴霧干燥所需的能量的量的系統(tǒng)和方法。
文檔編號(hào)B01J2/02GK102361684SQ201080013020
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月26日
發(fā)明者勒內(nèi)·約斯·霍本, 弗里茨·弗霍芬, 格爾本·彼得瑟, 萊昂納德斯·安東尼厄斯·瑪麗亞·布勞沃斯, 赫里特·奧斯特胡伊斯 申請(qǐng)人:荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究會(huì)(Tno)