AT398707B - Mehrschichtiger piezoelektrischer resonator für die separation von suspendierten teilchen - Google Patents

Description

AT 398 707 B

Das Gebiet der Erfindung

Die Erfindung beschreibt eine Einrichtung zur Abtrennung von dispergierten Partikeln (fest, flüssig, oder gasförmig) in einer Flüssigkeit. Insbesondere ist die beschriebene Einrichtung in der Lage, dispergierte Partikel, die sich in physikalischen Kenngrößen (vor allem Kompressibilität, Schallgeschwindigkeit, Massendichte) von der Flüssigkeit unterscheiden, kontinuierlich abzutrennen, indem ein stehendes Ultraschall-Resonanzfeld in einem mehrschichtigen, zusammengesetzten Resonatorsystem, bestehend aus einem Transducer, einem Behälter und einem akustischen Spiegel erzeugt wird. Der Behälter beinhaltet die Flüssigkeit mit den dispergierten Partikeln, die abzutrennen sind. Die akustische Schalistrahlungskraft bewegt die Partikel zu den Knoten oder Bäuchen der stehenden Welle. Bei Ausnützung der sekundären, lateralen akustischen Kräfte kommt es zur Aggregation der Partikel und zur Ausfällung der Aggregate durch die Schwerkraft. Zahlreiche Gebiete moderner Technologien benötigen die Trennung von Partikeln von Flüssigkeiten. Solche Trennungsverfahren gestatten entweder die Rückführung der Dispersionsflüssigkeit oder der partikelförmigen Substanz. Zum Beispiel beinhalten viele Prozessabwässer partikelförmige Substanzen. Im Bereich der Biotechnologie muß das Suspensionsmedium von der Biomasse getrennt werden. Die Einrichtung steht in direkter Konkurrenz zu Zentrifugen und Filtern, sowie zu konventionellen Sedimentationsverfahren unter Einsatz von Chemikalien.

Stand der Technik

In der jüngeren Vergangenheit wurden zahlreiche Bemühungen unternommen, akustische Trennungsverfahren zu entwickeln, um konventionelle Methoden zu verbessern oder abzulösen. Die Erzeugung einer stehenden Welle innerhalb einer Flüssigkeit bewirkt die Ausbildung von Schallschnelleknoten und Bäuchen. Abhängig von Kompressibilität und Massendichte der Partikel werden diese durch die akustische Schallstrahlungskraft entweder in den Knoten oder Bäuchen angesammelt. (Die meisten festen und flüssigen Partikel sammeln sich in den Schallschnellebäuchen an.) Die Ebenen der Bauch- und Knotenbereiche sind normal zur Ausbreitungsrichtung der Schallwelle orientiert, und benachbarte Bäuche (beziehungsweise Knoten) weisen einen äquidistanten Abstand von einer halben Wellenlänge der akustischen Welle innerhalb der Flüssigkeit auf. Akustisch induzierte Aggregation und Koagulation von Partikeln innerhalb der Schallschnellebäuche ist vorwiegend durch Lehrbücher bekannt. Aus E. Skudrzyk. "Die Grundlagen der Akustik", Springer Verlag, Wien, 1954, S. 202-205, S. 807-825; L. Bergmann "Der Ultraschall und seine Anwendungen in Wissenschaft und Technik". Verlag hirzel. Zürich. 1954; sowie K. Asai und N. Sasaki. "Schlammaufbereitung durch Ultraschall", Tagungsbericht zum 3. Internationalen Kongreß zur Steinkohlenaufbereitung, Institut National de l’lndustrie Charbonniere, Brussels-Liege. 1958, folgt, daß die bei der Beschallung anzuwendende Frequenz am besten von der Größenordnung der sogenannten charakteristischen Frequenz f0 gewählt wird, die sich aus f0 = (37,)/(2τγγ2) = 0.487,/r2, (I) errechnet, wobei η die kinematische Viskosität und r den Radius der Partikel bezeichnet. In diesem Frequenzbereich kommt es zur maximalen Ausnutzung der Schallstrahlungskraft und zusätzlicher akustisch induzierter hydrodynamischer Wechselwirkungskräfte und Bernoulii-Kräfte, die innerhalb der Schallschnellebauchebenen normal zur primären Schallstrahlungskraft auf die Partikel wirken.

Die U.S. Pat. Nr. 4,055,491, beschreibt eine Einrichtung, die stehende Ultraschallwellen für die Flockung von kleinen Partikeln, wie Blut- oder Algenzellen, innerhalb der Schallschnellebäuche des akustischen Feldes in einer Flüssigkeit benützt und das Flockulat anschließend mit Hilfe der Schwerkraft sedimentiert. Die Undefinierte Positionierung der Ultraschallquelle und daher niedrige Resonanzüberhöhung der Amplitude der akustischen stehenden Welle aufgrund Undefinierter Resonanz-Randbedingungen führen zu hohen akustischen Energieverlusten aufgrund eines beträchtlichen Anteils laufender Wellen. Des weiteren kann der erzielte Trennungseffekt nur für den diskontinuierlichen Betrieb optimiert werden, da die beschriebene Einrichtung keinen laminaren Durchfluß gewährleisten kann. Die im U.S. Pat. Nr. 5,164,094 beschriebenen Einrichtungen verbessern zwar die Laminarität des Durchflusses. Jedoch geht auch hier ein beträchtlicher Teil akustischer Energie verloren, da die Erregerfrequenz des akustischen Feldes nicht entsprechend exakt definierter Resonanzbedingungen ab- und nachgestimmt wird.

Eine andere Einrichtung zur Trennung von Partikeln vom Dispersionsmedium wird im U.S. Pat. Nr. 4,523,682 beschrieben. Ein niederer akustischer Resonanzmode eines Behälters, der eine Dispersion beinhaltet, wird durch einen einzelnen, relativ Kleinen Transducer angeregt. Der Transducer ist außen an einer Stirnfläche des länglichen geschlossenen Behälters befestigt, die Lage der Schallschnellebäuche der 2

AT 398 707 B angeregten stehenden Welle ist aber normal zur Oberfläche des Transducerplättchens (und zu den Stirnflächen des Behälters) orientiert. Die Anregung dieser lateralen Resonanz-Moden durch eine quasi punktförmige akustische Quelle unterscheidet sich prinzipiell von dem eindimensionalen Modell eines mehrschichtigen Resonators zur Beschreibung longitudinalen Resonanz-Moden. Der Anteil laufender Wellen 5 in longitudinaler Richtung ist hoch im Vergleich zur akustischen Energie der stehenden Wellen in lateraler Richtung. Die Dämpfung der laufenden Wellen bewirkt eine zusätzliche Temperaturerhöhung der Dispersion in Durchflußrichtung. Temperaturschwankungen innerhalb der Dispersion wirken sich negativ auf die Güte des Resonazfeldes aus und führen zu einer Verlängerung der notwendigen Beschallungszeit.

Wegen der notwendigerweise langen Beschallungsdauern, um Aggregation und Sedimentation der io Partikel innerhalb der Schallschneilebauchebenen zu erzielen, wurden verschiedene Methoden entwickelt, die Schallschneilebauchebenen relativ zur Flüssigkeit zu bewegen, um den gewünschten Trennungseffekt alleine durch akustische Kräfte zu enwirken, ohne Aggregation und Sedimentation abwarten zu müssen. U.S. Pat. Nr. 4,673,512 beschreibt ein Verfahren, bei dem aufgrund von Interferenz ein stehendes akustisches Feld durch zwei gegenüberliegende Transducer erzeugt wird, die mit der selben Frequenz 75 angeregt werden. Durch kontrollierte Beeinflussung des Phasenwinkels zwischen den Erregersignalen der Transducer ist es möglich. Partikel, die in den Schallschnellebäuchen des Interferenzfeldes gehalten werden, relativ zum Dispersionsmedium zu verschieben. Dadurch sind nur relativ kurze Beschallungsdauern nötig, um den gewünschten Trennungseffekt zu erzielen. Der Nachteil dieses Verfahrens ist sein nicht-resonanter Charakter. Es muß mehr Energie aufgewendet werden, als für ein stehendes Resonanzfeld der 20 gleichen Amplitude. Das Resultat ist hoher Leistungsverbrauch, um eine gegebene Mindest-Schallschnelleamplitude zu erzielen. Das gleiche Problem ergibt sich zwangsläufig im U.S. Pat. Nr. 4,759,775, welches nur eine andere Methode zur Erzeugung eines driftenden Interferenzfeldes beschreibt.

Das U.S. Pat. Nr. 4,877,516 beschreibt eine Einrichtung, um lokale Gradienten der Amplitude des stehenden Schalffeldes normal zur Ausbreitungsrichtung des Schalls zu bewegen. Dadurch werden die 25 Partikel innerhalb der Schallschnellebäuche durch die Bernoulli-Kraft mitgeführt, die örtlich direkt mit enwähnten Gradienten der Schallschnelleamplitude in Zusammenhang steht, und deren Kraftrichtung parallel zu den Schallschneilebauchebenen orientiert ist. Der Nachteil dieser Methode ist die Erfordernis eines mechanisch verschiebbaren Rasters, der akustische Schatten erzeugt um lokale Gradienten der Schallamplitude im stehenden Schallfeld zu erzielen. 30 Ein Verfahren zur schrittweisen Verschiebung der Schallschneilebauchebenen eines stehenden akustischen Resonanzfeldes durch aufeinanderfolgende Anregung benachbarter Resonanz-Moden des Resonatorsystems wird in der WO-A1 90/05008 beschrieben. Obwohl Resonanzbedingungen in manchen der beschriebenen Ausführungsvarianten erfüllt werden, sind akustisch induzierte Energieverluste in Kauf zu nehmen, da die Erregerfrequenz des Resonators bisher immer in der Nähe der Eigenfrequenz des 35 Transducers gewählt wurde.

Definitionen

Um Mißverständnisse während des Vergleichs der Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit dem 40 Stand der Technik zu vermeiden, ist es zweckmäßig, folgende Definitionen einzuführen:

Akustische Teilchen sind die Volumselemente der akustischen Kontinuums-Theorie und dürfen nicht mit den dispergierten Partikeln verwechselt werden. Die Schallschnelle V ist die zeitliche Ableitung der periodischen Auslenkung der akustischen Teilchen aufgrund der entsprechenden Schallwelle. Eindimensionale Behandlung von zusammengesetzten Resonatoren bedeutet, das ein angenähertes Modell 45 zur Beschreibung herangezogen wird, wobei alle Größen als nur von einer Dimension abhängig angenommen werden. (Vergleiche, z. B.: H. Nowotny, E. Benes, und M. Schmid, J. Acoust. Soc. Am. 90 (3), September 1991). Diese Dimension fällt in dieser Beschreibung immer mit der longitudinalen Richtung zusammen.

Die Bezeichnung Schicht wird sehr allgemein verwendet. Sogar die Flüssigkeit, in der die Partikel so dispergiert sind, wird als Schicht bezeichnet, weil nur eine Dimension des Flüssigkeitsvolumens wesentlich für die Beschreibung des zusammengesetzten Resonators entsprechend der Erfindung ist. Diese wesentliche, die Resonanzfrequenz bestimmende Dimension ist gewöhnlich, jedoch nicht notwendigerweise, die Dickendimension der Schicht. Die x-Achse des Koordinatensystems fällt in dieser Beschreibung immer mit dieser wesentlichen Dimension zusammen. Weil die y- und z- Dimensionen der Schichten keine Bedeutung 55 haben (eindimensionale Behandlung), wird einfach die Bezeichnung Schichtdimension für die wesentliche, die Resonanzfrequenz bestimmende Dimension des entsprechenden Teils des Resonators verwendet. Aktive Schichten bestehen aus piezoelektrischem Material, passive Schichten bestehen aus nichtpiezoelektrischem Material. 3

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Der Transducer Ist im einfachsten Fall eine einfache Schicht bestehend aus einem piezoelektrischen Material. Aus vielen Gründen ist es vorteilhaft, mehrere piezoelektrische Plättchen auf einer oder beiden Seiten mit passiven, elektrisch isolierenden Trägerschichten zu verkleben oder akustisch zu koppeln. Entsprechend der Erfindung können auch zusätzliche Transformations- oder (Unter-) Schichten verwendet werden. Als Transducerschicht selbst wird im allgemeinsten Fall der Verbund aller Schichten (aktiv und passiv) definiert, die von jenen festen Schichten begrenzt werden, die entweder mit der den Resonator umgebenden Luft oder der Dispersionsschicht in Kontakt stehen. Der Phasenwinkel Φ ist der räumliche Phasenwinkel der Schailschnelle V innerhalb einer bestimmten Schicht zwischen den begrenzenden Oberflächen φ = 2π·ί6·χ/ν (II) wobei fe die elektrische Erregerfrequenz, x die die Resonanzfrequenz bestimmende Abmessung der entsprechenden Schicht und v die (Phasen-) Schallgeschwindigkeit innerhalb dieser Schicht darstellt. Der Gesamt-Phasenwinkel innerhalb eines Mehrschichtsystems ist die Summe der Phasenwinkel einer jeden einzelnen Schicht plus zusätzlicher Phasensprünge an den Grenzflächen zwischen benachbarten Schichten mit unterschiedlichen spezifischen akustischen Impedanzen.

Harmonische Eigenfrequenzen einer einfachen Schicht. Die harmonischen Resonanzfrequenzen oder harmonischen Eigenfrequenzen f, einer Schicht sind durch fi = i«(c/p)*/(2.x) (III) definiert, wobei i die Nummer des entsprechenden harmonischen Resonanzmodes, x die die Resonanzfrequenz bestimmende Dimension, c die effektive elastische Konstante und p die Massendichte der entsprechenden Schicht darstellt.

Falls die Schicht aus einem piezoelektrischen Material mit Elektroden besteht, ist die effektive elastische Konstante in Gleichung (III) von der elektrischen Ladung zwischen den Elektroden abhängig. Durch die Grenzfälle von kurzgeschlossenen Elektroden oder offenen Elektroden werden entsprechend Serien- oder Parallelresonanzfrequenz bestimmt. Nur ein Satz von Eigenfrequenzen fj mit ungeradzahliger Nummer i (ungeradzahlige Oberwellen) kann elektrisch angeregt werden.

Quasiharmonische Eigenfrequenzen eines Mehrschichtsystems (z. B. ein mehrschichtiger Transducer). Während die Obertonfrequenzen von einfachen Schichten als ganzzahlige Vielfache der Grundwellen-Eigenfrequenz angegeben werden können, sind die Oberton-Eigenfrequenzen eines Mehrschichtsystems normalerweise nicht so einfach beschreibbar. Aus diesem Grund werden die Eigenfrequenzen eines eindimensionalen zusammengesetzten Resonators auch manchmal "quasiharmonische Resonanzfrequenzen" genannt. (Vergleiche, z.B.: E. Benes, J. Appl. Phys., Vol. 56, Nr. 3, 1 August 1984). Für den Fall, daß eine Schicht eine dominierende Dimension aufweist (Dispersionsschicht), können jedoch die Eigenfrequenzen höherer Ordnung (d. h. hohe Obertöne) in erster Näherung auch als äquidistant bezeichnet werden. Weil ein Transducer entsprechend der Erfindung bevorzugt aus mehreren Schichten besteht stellt er für sich selbst einen mehrschichtigen Resonator dar. Für solche Transducer können die Eigenfrequenzen als jene Frequenzen definiert werden, für welche der Phasenwinkel Φτ der Schallschnelle zwischen den äußersten Grenzflächen des Transducers, entlang der Dimension xT des Transducers, ein ganzzahliges Vielfaches n der Zahl -n wird. Nicht alle dieser mechanisch möglichen Resonanzfrequenzen sind piezoelektrisch anregbar. Die Anregbarkeit hängt nur von der entsprechenden akustischen Auslenkungskurve innerhalb der aktiven Schicht ab. Ist diese Kurve symmetrisch zur y,z-Ebene, so ist der Transducer mit der entsprechenden Frequenz nicht anregbar. Diese Definition der elektrischen Anregbarkeit von Eigenfrequenzen eines mehrschichtigen Transducers steht im Einklang mit den gemessenen Resonanzfrequenzen, für den Fall, daß der Transducer von Vakuum (oder Luft) umgeben ist und die Frequenz des erregenden Leistungsgenerators auf ein relatives Maximum der elektrischen Wirkeistungsaufnahme durch den Transducer abgestimmt wird. Wenn die Spannungsamplitude Ue des Hochfrequenzausganges des Leistungsgenerators konstant gehalten wird (sehr geringer Innenwiderstand des Generators), wird die sogenannte Serienresonanzfrequenz der Mehrschichtstruktur bestimmt. Wenn die Stromamplitude le des Hochfrequenzausganges des Leistungsgenerators konstant gehalten wird (sehr hoher Innenwiderstand des Generators), wird die sogenannte Parallelresonanzfrequenz der Mehrschichtstruktur bestimmt.

Longitudinale Richtung bedeutet die Richtung der Schichtdimension. Die longitudinale Richtung fällt mit der Ausbreitungsrichtung der Schallwelle, die durch die Transducerschicht erzeugt wird, zusammen. Gemäß der Erfindung werden nur Resonanzmoden in longitudinaler Richtung angeregt. Daher wird die Richtung der stehenden resonanten Welle ebenfalls als longitudinale Richtung bezeichnet. 4

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Transversale Richtungen sind Richtungen normal zur longitudinalen Richtung. Diese Richtungen fallen mit den Ebenen der Schallschnelleknoten und -bäuche zusammen.

Die Spezifische akustische Impendanz Z ist die akustische Impendanz pro Querschnittsfläche der entsprechenden Schicht.

Beschreibung der Erfindung

Gemäß der bevorzugten Ausführungsvarianten, besteht das mehrschichtige, zusammengesetzte Resonatorsystem aus einem ebenen Transducer, einem Behälter, der die Dispersion beinhaltet, und einem ebenen akustischen Spiegel. Alle diese Schichten sind akustisch gekoppelt, in longitudinaler Richtung angeordnet und parallel zueinander ausgerichtet. Der Transducer kann aus einer piezoelektrisch aktiven Schicht z. B. PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) Keramiken oder Lithium-Niobat Monokristallen oder einer PVDF Schicht), und einer festen passiven Schicht als Trägerschicht der aktiven Schicht gebildet werden. Die Erfindung eignet sich, dispergierte Partikel, die Durchmesser zwischen 1 um bis in den Millimeterbereich aufweisen können, vom Dispersionsmedium abzutrennen. Bevorzugte Resonanzfrequenzen liegen entsprechend der akustischen und geometrischen Größen der Partikel zwischen 0.1 und 10 MHz.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe dienen erfindungsgemäß die Merkmale der Patentansprüche. Hauptzweck der Erfindung ist es, unter Minimierung der zugeführten elektrischen Wirkleistung und des Temperaturanstieges aufgrund von akustischen Dämpfungsverlusten ein Ultraschall-Resonanzfeld innerhalb der Dispersionsschicht eines mehrschichtigen zusammengesetzten Resonators zu erzeugen, um Partikel von Flüssigkeiten abzutrennen und, falls gewünscht, der Wiederverwertung zuzuführen. Viele potentielle Anwendungen des Ultraschall-Separationsprozesses, speziell in der Biotechnologie, erfordern eine Separationsmethode, bei der allfällige Temperaturerhöhungen hinreichend niedrig ausfallen, sodaß es zu keiner thermisch induzierten Schädigung der Partikel kommt. Des weiteren hängt die Menge der akustisch gespeicherten Energie im Resonanzfeld und somit die zur Erreichung des Separationseffektes notwendige Beschallungsdauer wesentlich von einer möglichst homogenen Temperaturverteilung ab. Grund hierfür ist die Abhängigkeit der Wellenlänge bei einer bestimmten Frequenz von der Temperatur; unerwünschte räumliche Temperaturgradienten in transversalen Richtungen resultieren in einen in transversalen Richtungen ortsabhängigen totalen Phasenwinkel der akustischen Welle zwischen Transducer und Spiegel. Definierte und konstante Phasenwinkel-Verteilung in transversalen Richtungen innerhalb des Resonatorsystems ist jedoch eine Grundbedingung für die Aufrechterhaltung von Resonanzfeldern hoher Güte in longitudinaler Richtung.

Das Resultat dieser Erfindung ist die Minimierung der charakteristischen Verlustzahl R = Wg/Es = Pe· Tcj/Es. Die Verlustzahl R ist hiermit definiert als Verhältnis zwischen elektrischer Wirkenergieaufnahme We (pro Schwingungsperiode τq * 1/fcj) des zusammengesetzten Resonatorsystems und der akustisch gespeicherten Blindenergie Es des Resonanzfeldes innerhalb der Dispersionsschicht. fCj ist dabei die angeregte quasiharmonische Resonanzfrequenz des zusammengesetzten Resonators. Pe beschreibt die elektrische Wirkleistungsaufnähme des Systems. Die elektrische Wirkleitung Pe ist definiert als

Pe = £Uelecos<|>, (IV) wobei Ue und ls die Amplituden von Spannung und Strom des elektrischen Erregersignals darstellen; Φ ist der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom des Erregersignales. Die gespeicherte akustische Energie Es steht im direkten Zusammenhang mit den akustischen Kräften, die auf die Partikel wirken; der Eintrag von elektrischer Wirkenergie We kompensiert akustische Energieverluste durch Dämpfung. Ein kleiner Anteil von We beruht auf dielektrischen Verlusten des Transducers, ist jedoch in bezug auf die Beschreibung der Erfindung irrelevant und wird im folgenden vernachlässigt.

Wir fanden, daß Wärmeentwicklung infolge akustischer Verluste des Transducers und des Spiegels minimiert werden kann, indem die Erregerfrequenz fe des Leistungsgenerators auf eine akustische quasiharmonische Resonanzfrequenz des zusammengesetzten Resonatorsystems abgestimmt wird und gleichzeitig die Anregung von Eigenfrequenzen fTi des Transducers oder Eigenfrequenzen des Spiegels ϊμκ vermieden wird.

Die Konsequenz dieser Vorgangsweise ist die deutliche Reduzierung der charakteristischen Verlustzahl R. Der Vorteil einer bewußten Fehlanpassung der Erregerfrequenz an Eigenfrequenzen des Transducers ist nicht offensichtlich, da im fehlangepaßten Fall das Resonatorsystem ein ziemlich unausgeprägtes elektrisches Resonanzverhalten aufweist. Im speziellen sind in der Ortskurvendarstellung des elektrischen Admit-tanzverhaltens des Resonantorsystems die als Kreise dargestellten Resonanzzustände viel schwächer ausgeprägt. Die Resonanzkreise erscheinen viel kleiner und liegen noch dazu abseits der reellen Achse. 5

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Wegen dieses Verhaltens ist es im allgemeinen viel schwieriger, einen Leistungsgenerator zu entwickeln, der in der Lage ist, Resonanzen des kompletten Resonatorsystems abseits von Transducer-Eigenfrequenzen aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grunde wurden in der Vergangenheit immer nur Resonanzen des Resonatorsystems angeregt, die im Bereich der ersten oder dritten quasiharmonischen Eigenfrequenz des 5 Transducers gelegen sind.

Resonanzfrequenzen fCj des zusammengesetzten Resonatorsystems resultieren aus der Randbedingung an den begrenzenden, total reflektierenden Stirnflächen des Resonatorsystems, für stehende Wellen, wonach Maxima der Schallschnelleamplitude mit den äußersten, das Resonatorsystem begrenzenden Ebenen zusammenfallen müssen. io Daher muß in longitudinaler Richtung der totale Phasenwinkel 4>c der akustischen Welle entlang der totalen Länge xc des mehrschichtigen Resonatorsystems, einschließlich aller Schichten, ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl π betragen. Fehlanpassung zwischen der elektrischen Erregerfrequenz fe und den Eigenfrequenzen fn der Transducerschicht kann entweder bei gegebener Erregerfrequenz fe durch geeignete Wahl der Schichtdicke Xt des Transducers und dessen relativer Position im Mehrschicht-Resonator, oder 15 durch direkte Wahl der Erregerfrequenz genügend abseits von irgendeiner der elektrisch anregbaren Eigenfrequenzen des Transducers gewährleistet werden. Gemäß der Erfindung ist der Frequenzabstand zu Transducer-Eigenfrequenzen ausreichend, wenn er größer als ein bestimmter minimaler Abstand ist. Dieser minimale Abstand ist gleich 10% dividiert durch die quasiharmonische Nummer i der entsprechenden elektrisch anregbaren Eigenfrequenz fn des Transducers: 20 0 < fe < [0.9 fn]; [1.1 fn] < fe < [(1-0.1/2)½¾ [(1 +0.1/2)½] < fe < [(1-0.1/3)½¾ [(1 +0.1/3)½] < fe < [(1-0.1/4)fT4];[(1 +0.1/4)½] <fe< (V)

Durch diese Fehlanpassung wird der Zusammenfall der Maxima der Schallschnelleamplitude mit beiden 25 begrenzenden Ebenen des Transducers vermieden. Die charakteristische Verlustzahl R nimmt einen minimalen Wert an. wenn die Dicke xt und relative Position der Transducerschicht in Bezug auf die Erregerfrequenz fe derart gewählt wird, daß die Schallschnelleamplitude an der Grenzfläche zwischen Transducer und Dispersion einen verschwindenden Wert annimmt. In diesem bevorzugten Fall ist die Fehlanpassung zwischen der Erregerfrequenz fe und allen anregbaren Eigenfrequenzen fn des Transducers 30 maximal, und der Wert der Erregerfrequenz fe entspricht etwa dem Mittel eines der in Gleichung (5) definierten Intervalle.

Entsprechende Regeln sind für die Spiegelschicht gültig. Ihre Dicke Xm muß entsprechend gewährt werden, um Anregung einer ihrer Eigenfrequenzen fMi zu vermeiden. Die relative Position der Spiegelschicht ist dagegen durch Ihre Funktion als begrenzende Schicht des Mehrschicht-Resonators fixiert. Wie 35 auch die Transducerschicht kann im allgemeinen der Spiegel aus mehreren Schichten bestehen.

Die Transducerschicht kann eine begrenzende Schicht des Resonatorsystems formen. Des weiteren kann die Transducerschicht aus einer piezoelektrischen (aktiven) Schicht, wie PZT (Blei-Zirkonat-Titanat, Pb(Ti,Zr)C>3) Keramiken, oder Lithium-Niobat (LiNbOa) Monokristallen, oder PVDF (Polyvinylidenfluorid) Polymeren, und einer festen, nicht piezoelektrischen (passiven) Schicht bestehen. Die passive Schicht dient 40 als Trägerschicht der aktiven Schicht. Aktive und passive Schicht haben definierte Dicken um Wärmeentwicklung auf Grund von akustischer Dämpfung zu minimieren. Beste Ergebnisse werden erzielt, wenn das Trägermaterial möglichst schwach dämpfend wirkt und eine spezifische akustische Impedanz ZB aufweist, die etwa der spezifischen akustischen Impedanz ZA der aktiven Schicht entspricht oder größer ist. Die Dicke xA der aktiven Schicht entspricht bevorzugt etwa einem Phasenwinkel ΦΑ der akustischen Welle von 45 einem ungeradzahligen Vielfachen m der Zahl v innerhalb der aktiven Schicht. Die Dicke xB der passiven Schicht des Transducers entspricht bevorzugt etwa einem Phasenwinkel φΒ der akustischen Welle von einem ungeradzahligen Vielfachen m der Hälfte der Zahl τ innerhalb der passiven Schicht. Werden diese Kriterien herangezogen, nimmt die Schallschnelleamplitude an der Transducer/Dispersions-Grenzschicht einen verschwindenden Wert an und die Randbedingung für die Anregung von Eigenfrequenzen fTi des so Transducer ist größtmöglich verletzt. Wir fanden, daß daraus eine Minimierung von Energieverlusten durch Wärmeentwicklung aufgrund akustischer Dämpfung resultiert. Des weiteren wird bei dieser bevorzugten Anordnung - verglichen mit dem unerwünschten Fall einer Anregung von Transducer-Eigenfrequenzen -eine Abnahme der elektrischen Anregbarkeit vermieden.

Die Transducerschicht kann auch zwischen zwei Dispersionsschichten plaziert werden. In diesem Fall 55 entspricht die Dicke xA der aktiven Schicht bevorzugt etwa einem Phasenwinkel <#>A der akustischen Welle von einem ungeradzahligen Vielfachen m der Zahl π innerhalb der aktiven Schicht. Die Dicke xb, x'b der passiven Schichten (falls vorhanden) entsprechen bevorzugt Phasenwinkeln <f>B, Φ'β der akustischen Welle von ungeradzahligen Vielfachen n, n' der Hälfte der Zahl n innerhalb der entsprechenden passiven 6

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Schichten. Des weiteren werden die Dicken der jeweiligen an den Transducer grenzenden Dispersionsschichten derart gewählt, daß für eine gegebene Erregerfrequenz fe die Schallschnelleamplitude an den Transducer/Dispersions-Grenzschichten verschwindende Werte annimmt und die Randbedingung für die Anregung von Eigenfrequenzen f-π des Transducer größtmöglich verletzt wird. Wir fanden, daß daraus eine 5 Minimierung von Energieverlusten durch Wärmeentwicklung aufgrund akustischer Dämpfung resultiert. In einer bevorzugten Anordnung haben beide passive Schichten gleiche Dicken xB, x'B und bestehen aus demselben Material.

Eine Anordnung von einer ungeraden Anzahl q von passiven Unterschichten mit einer jeweiligen Dicke Xß,k (k = 1.....q) erweist sich als ebenfalls vorteilhaft. Energieverluste zu minimieren, falls diese Unterschich- w ten zwischen der aktiven Schicht und der Dispersionsschicht angeordnet sind. Die Dicke xBik (k = 1.....q) jeder Unterschicht ist bevorzugt nach dem gleichen Phasenkriterium für den Phasenwinkel φΒ,ι< innerhalb der Unterschicht zu wählen wie für den vorher beschriebenen Phasenwinkel Φβ einer einzelnen passiven Schicht. Die Abfolge der spezifischen akustischen Impedanz der Unterschichten muß zwischen hohen Werten (vergleichbar mit dem Wert der aktiven Schicht) und niedrigen Werten (vergleichbar mit dem Wert 15 der Dispersion) alternieren. Die äußersten Unterschichten müssen jedoch hohe Werte aufweisen. In einer weiteren Ausführungsvariante können niederimpedante Unterschichten auch von einer akustisch transparent ten Flüssigkeit gebildet werden, die optional auch zirkulieren kann, um das Resonatorsystem zu thermostati-sieren.

Da die Resonanzfrequenzen fCj des Resonatorsystems mit der Temperatur der Dispersion und der 20 Partikelkonzentration variieren, ist es wichtig, die Erregerfrequenz fe wegen auftretender Resonanzfrequenz-Drifts nachzustimmen um konstante Bedingungen gemäß dem Ziel der Erfindung zu gewährleisten. Dies kann durch eine automatische Frequenz-Feinabstimmung (AFC) der Erregerfrequenz fe erreicht werden, wobei als Kriterium für Resonanz ein relatives Maximum der elektrischen Wirkleistungsaufnahme Pe des Resonatorsystems herangezogen wird. 25 Eine weitere Möglichkeit, die Erregerfrequenz fe auf bevorzugte Resonanzfrequenzen fCj abzustimmen, besteht in der Implementierung einer piezoelektrisch aktiven Schicht (wie zum Beispiel PZT Keramiken, Lithium-Niobat Monokristallen oder einer PVDF Schicht) in die Spiegelschicht oder in ihrer gänzlichen Ausführung als aktive Schicht. Relative Maxima der Amplitude des akustisch induzierten, elektrischen Signals an den Elektroden der aktiven Schicht dienen hierbei als Kriterium für resonante Anregung des so Resonatorsystems..

Analog zu den Schichtdickenkriterien eines Mehrschicht-Transducers, müssen die Schichtdicken der aktiven und passiven Schicht eines zusammengesetzten Spiegels vorteilhafterweise so gewählt werden; daß für eine gegebene Erregerfrequenz fe die Schallschnelleamplitude an der Spiegel/Dispersions-Grenzschicht einen verschwindenden Wert annimmt und die Resonanzbedingung für die Anregung von Eigenfrequenzen 35 fMk des Spiegels größtmöglich verletzt ist. Wir fanden, daß daraus eine Minimierung der Energieverluste durch Wärmeentwicklung aufgrund akustischer Dämpfung resultiert.

Analog zu den beschriebenen passiven Unterschichten des Transducers können passive Unterschichten auch Teil eines zusammengesetzten Spiegels sein oder diesen zur Gänze formen. Eine Anordnung von einer ungeraden Anzahl k von passiven Unterschichten mit einer jeweiligen Dicke Xß,k (k = 1 q) kann 40 verwendet werden, um Energieverluste zu minimieren, falls diese Unterschichten zwischen der aktiven Schicht (falls vorhanden) des Spiegels und der Dispersionsschicht angeordnet sind. Die Dicke xBk (k = 1.....q) jeder Unterschicht ist bevorzugt nach dem gleichen Phasenkriterium für den Phasenwinkel ΦΒ,ι< innerhalb der Unterschicht zu wählen wie für den vorher beschriebenen Phasenwinkei φΒ einer einzelnen passiven Schicht. Die Abfolge der spezifischen akustischen Impedanz der Unterschichten muß zwischen 45 hohen Werten (vergleichbar mit dem Wert der aktiven Schicht) und niedrigen Werten (vergleichbar mit dem Wert der Dispersion) alternieren. Die äußersten Unterschichten müssen jedoch hohe Werte aufweisen.

Kurze Beschreibung der Abbildungen: so FIG.1 verdeutlicht die Interpretation des zusammengesetzten Resonators als mehrschichtiges, eindimensionales System und zeigt den Verlauf der resultierenden Schallschnelleamplitude für den Fall, daß die Schichtdicken entsprechend der Erfindung gewählt wurden. FIG.2 zeigt eine Ausführungsvariante von FIG.1 mit dem Transducer zwischen zwei Dispersionsschichten, 55 FIG.3 zeigt eine Ausführungsform eines simplen Resonatorsystems, FIG.4 zeigt ein Resonatorsystem mit einer Wellenleiterschicht, FIG.5 zeigt den Querschnitt eines Resonatorsystems mit einem total reflektierendem Spiegel als Resonatorbegrenzung, 7

AT 398 707 B FIG.6 ist eine bevorzugte symmetrische Version des Resonators gemäß FIG.5, FIG.7 zeigt ein Beispiel einer Transducerschicht entsprechend der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsvarianten und zwei typische Dimensionierungsbeispie' le

Um die wesentlichen Teile der Ausführungsvarianten zu betonen, sind alle Schichten mit Großbuchstaben benannt, während alle anderen Teile mit Zahlen gekennzeichnet sind.

Der untere Bereich von FIG.1 zeigt schematisch die wesentlichen Teile und Abmessungen eines typischen eindimensionalen Resonators. Die Transducerschicht T an der linken Seite besteht bevorzugt aus einer piezoelektrisch aktiven Schicht A und einer passiven, elektrisch isolierenden Trägerschicht B. Die entsprechenden Schichtdicken sind mit xt, xa und xB bezeichnet. Der Transducer T ist akustisch mit der Dispersionsschicht S, die eine Dicke xs aufweist, gekoppelt. Der Resonator wird durch die Spiegelschicht M mit einer Dicke xM komplettiert. Weil das Resonatorsystem von Luft umgeben ist, die eine um einige Größenordnungen niedrigere spezifische akustische Impedanz aufweist als irgendein fester Körper, werden die den Resonator begrenzenden und letztlich reflektierenden Ebenen durch die nach außen gerichteten, ebenen Oberflächen 11 und 12 des Transducers und des Spiegels gebildet. Daher wird die totale Länge xc des zusammengesetzten Resonatorsystems durch diese reflektierenden Ebenen 11 und 12 definiert.

Der obere Bereich von FIG.1 zeigt den örtlichen Verlauf der Schallschnelleamplitude V entlang der longitudinalen Richtung x. Falls die Dimensionierungen, die spezifischen akustischen Impedanzen der Schichten, wie auch die elektrische Erregerfrequenz fe gemäß der Erfindung gewählt werden, sind die Amplitudenmaxia in der Dispersion, wie auch dargestellt, viel größer- als die Amplitudenmaxima in den anderen Schichten. FIG.1 gibt dieses Amplitudenverhäitnis nur schematisch wieder. Das quantitative Amplituderiverhältnis der stehenden Welle zwischen der Dispersion und dem Transducer ist normalerweise größer als in FIG.1 angedeutet.

Der untere Bereich von FIG.2 zeigt schematisch die wesentlichen Teile und Abmessungen eines typischen eindimensionalen Resonators, wobei der Transducer T nicht nur an der rechten Seite an eine erste Dispersionsschicht S mit einer Dicke xs, sondern auch an der linken Seite an eine zweite Flüssigkeitsschicht S' mit einer Dicke x's akustisch gekoppelt ist. Die zweite Flüssigkeitsschicht S' kann entweder aus der Dispersion oder nur aus dem Dispersionsmedium (ohne Partikel) bestehen. Der Transducer T besteht bevorzugt aus einer piezoelektrisch aktiven Schicht A und zwei passiven, elektrisch isolierenden Trägerschichten B. und B'. Die entsprechenden Schichtdicken sind mit xT, xA, xb und xB· bezeichnet. Der Resonator wird am rechten Rand durch eine erste Spiegelschicht M mit einer Dicke xM und am linken Rand und durch eine zweite Spiegelschicht M' mit einer Dicke x'm komplettiert. Weil das Resonatorsystem von Luft umgeben ist, die eine um einige Größenordnungen niedrigere spezifische akustische Impedanz aufweist als irgendein fester Körper, werden die den Resonator begrenzenden und letztlich reflektierenden Ebenen durch die nach außen gerichteten, ebenen Oberflächen 11 und 12 der Spiegel M' und M gebildet. Daher wird die totale Länge xc des zusammengesetzten Resonatorsystems durch diese reflektierenden Ebenen 11 und 12 definiert.

Der obere Bereich von FIG.2 zeigt den örtlichen Verlauf der Schallschnelleamplitude V entlang der longitudinalen Richtung x. Falls die Dimensionierungen, die spezifischen akustischen Impedanzen der Schichten,‘wie auch die elektrische Erregerfrequenz fe gemäß der Erfindung gewählt werden, sind die Amplitudenmaxima in der Dispersion, wie auch dargestellt, viel größer als die Amplitudenmaxima in den anderen Schichten. FIG.3 zeigt die Ausführung eines einfachen Resonators, ln diesem Beispiel ist die piezoelelektrisch aktive Schicht in y-Richtung durch drei piezokeramische, nebeneinander angeordnete Plättchen oder Scheiben A1, A2, A3 von gleicher Dicke xA geformt. Die Plättchen A1, A2, A3 schwingen akustisch parallel zueinander (in Phase erregt) und sind elektrisch in Serie geschalten. Die Plättchen AI, A2, A3 sind auf eine passive Trägerschicht B (zum Beispiel Glas oder AbOs-Keramik) mit der Dicke xB geklebt und können in guter Näherung als eine kontinuierliche Schicht A mit der Dicke xA behandelt werden. Die Durckflußrichtung 6,7 der Dispersion S fällt in Richtung y. Die dispergierten Partikel werden durch die Schallstrahlungskraft in longitudinaler Richtung zu den Schallschnellebäuchen bewegt, wo die dispergierten Partikel agglomerieren. Die Agglomerate werden von der Schwerkraft in.Richtung z hinuntergezogen. (Beschleunigte Sedimentation durch akustisch stimulierte Koagulation.)

Die Trägerschicht B und die Spiegelschicht M dienen gleichzeitig als Wände des Dispersionsbehälters. Die im Querschnitt rechteckigen Einfluß-1 und Ausflußöffnungen 2 schließen knapp an die Trägerschicht B und die Spiegelschicht M durch Gummistreifen 4 und 4' (Viton®) an. Die Distanz xB + xs + Xm wird genau durch Distanzhalter 5 und 5’ und die Flansche 3, 3' vorgegeben. 8

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Die wesentlichen Dimensionierungen von zwei Resonatoren gemäß der Erfindung werden beispielsweise wie folgt vorgenommen: Für biologische Zellen mit Durchmessern in der Größenordnung von 10 um ergibt sich der passende Bereich der Erregerfrequenz aus Gleichung (I) typisch um 2 MHz. Als Standard-Piezokeramiken wurden gewählt:

Piezoelektrisch aktive Schicht A: Material: PZT Blei-Zirkonat-Titanat, Pb(Ti,Zr)03 Piezokeramiken (Hoechst Sonox P4) Massendichte: pa = 7800 kg/m3 Effektive Schallgeschwindigkeit bei vA = 3950 m/s kurzgeschlossenen Elektroden: Spezifische akustische Impedanz: ZA = 30.8*10® kg/m2s Dicke: xA = 1 mm

Die Grundwellen-Serienresonanfrequenz der aktiven Schicht kann aus Gleichung (III) bestimmt werden: fA = 1.97 MHz. Die Serienresonanzfrequenz ist relevant, weil der Ausgang des Leistungsgenerators G gewöhnlich einen geringen Innenwiderstand aufweist aufweist. Sechs (2 x 3) quadratische Plättchen mit Oberflächenabmessungen von 25 mm x 25 mm sind an die passive Schicht B geklebt (vgl. auch Fig.7), die Dicke xB der passiven Schicht entspricht einer der zur Verfügung stehenden Standard-Glasstärken:

Piezoelektrisch passive Schicht B: Material: Tempax Glas Massendichte: pb = 2200 kg/m3 Schallgeschwindigkeit: vB = 5430 m/s Spezifische akustische Impedanz: ZB = 12*10® kg/m2s Dicke: xB = 2.8 mm

Die Resonanzfrequenzen des Zweischicht-Transducers in Luft kann gemessen oder berechnet werden (E. Benes, J. Appl. Phys., Vol. 56; Nr. 3, 1 August 1984). Die ersten vier quasiharmonischen Eigenfrequenzen sind: fn = 573500 Hz, fT2 = 1371400 Hz, fT3 = 1958120 Hz, fT4 = 2546390 Hz.

Entsprechend Gleichung (V) sind folgende Intervalle für die Wahl der Erregerfrequenz fe vorteilhaft: 0 Hz < fe < 516150 Hz ; 630850 Hz < fe < 1302830 Hz ; 1439970 Hz < fe < 1892849 Hz ; 2023391 Hz < fe < 2482730 Hz ; ....

Die Dispersions-Schichtdicke xs hängt im allgemeinen etwa von der benötigten Durchflußrate ab und wird in diesem Beispiel mit 25 mm gewählt:

Dispersionsschicht S: Material: Hydrosol Massendichte: ps = 1000 kg/m3 Schallgeschwindigkeit: vs = 1500 m/s Spezifische akustische Impedanz: Zs = 1.5*10® kg/m2s Dicke: xs = 25 mm 9 10

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Spiegelschicht M: Material: Tempax Glas Massendichte: pm = 2200 kg/m3 Schallgeschwindigkeit: vM = 5430 m/s Spezifische akustische Impedanz: ZM = 12· 10e kg/m2s Dicke: xM = 1.3 mm 15

Diese Parameter resultieren zu Resonanzfrequenzen fq des Resonatorsystems in einem Abstand Afq von zirka 26 kHz. Daher liegen viele Resonanzfrequenzen in den bevorzugten Intervallen. Zum Beispiel ist die erste Resonanzfrequenz fCj- im vierten Intervall 2035555 Hz, die zweite 2061024 Hz, die dritte 2087140 Hz; daher kann die Erregerfrequenz fe zum Beispiel mit 2087140 Hz gewählt werden. Weil aber die Grundwellen-Eigenfrequenz des Spiegels 2088460 Hz beträgt, ist diese Wahl der Erregerfrequenz nicht genügend an die Spiegel-Eigenfrequenz fehlangepaßt. Daher muß die Spiegeldicke neu gewählt werden, zum Beispiel mit 1.8 mm. 20 25

Ein Design, das optimal im Hinblick auf das Ziel der Erfindung abgestimmt ist, verwendet, außer der passiven Schicht B, dieselben Schichten. Die spezielle Wahl der Dicke xb soll einen Schallschnelleknoten an der Transducer/Dispersions-Grenzschicht erzwingen: Wenn die Erregerfrequenz fe etwa gleich der Eigenfrequenz fA der aktiven Schicht A ist, was optimale Anregbarkeit des Resonatorsystems garantiert, ist der Phasenwinkel <f>A innerhalb der aktiven Schicht A gleich it. Wegen der Schallschnellebauch-Randbedingung Grenzschicht 11 zwischen aktiver Schicht A und der ungebenden Luft, und weil der Phasenwinkel Φa der Schallwelle innerhalb der aktiven Schicht A gleich * ist, muß die Dicke der passiven Schicht B derart gewählt werden, daß ihr Phasenwinkel φΒ gleich ir/2 oder ein ungerades Vielfaches von w/2 wird um einen Schallschnelleknoten an der Transducer/Dispersions-Grenzschicht zu gewährleisten. Setzt man diesen Phasenwinkel W2 in Gleichung (II) ein, Φ b — 2π · fe· Xß^Vß = »/2 30 so erlaubt dies die Berechnung von xB. Falls das Resultat von xB = 1.2 mm für bestimmte Anwendungsgebiete mechanisch zu schwach ist, kann der dreifache Wert für die Dicke gewählt werden. 35

Piezoelektrisch passive Schicht B: Material: Korund (AI2O3) Keramik Massendichte: pb = 3780 kg/m3 Schallgeschwindigkeit: vB = 9650 m/s Spezifische akustische Impedanz: ZB = 36.5· 106 kg/m2s Dicke: xB = 1.2 mm 40 45

Die ersten zwei Eigenfrequenzen dieses Transducers sind: f-n = 1335150 Hz, fT2 = 2866080 Hz. Gemäß Gleichung (V) liegt die bevorzugte Erregerfrequenz fe = 1.97 MHz nun etwa in der Mitte des vorteilhaften Intervalls: 1468665 Hz < fe < 2722776 Hz.

In diesem Beispiel ergibt sich die optimale Dicke des Spiegels aus Gleichung (II) Φμ = 2ιτ·χ·ννΜ = 7r/2; zu x = 0.692 mm. Da diese Dicke mechanisch zumeist zu schwach ist, kann die dreifache Dicke Xm = 2.07 mm ebenfalls gewählt werden. so Vergleichbar mit dem Zweischicht-Transducer T kann der Spiegel M ebenso aus einer aktiven Schicht A und einer passiven Schicht B bestehen, wobei dieselben Kriterien für die Wahl der jeweiligen Schichtdik-ken xA und xB berücksichtigt werden müssen. Die piezoelektrisch aktive Schicht des Spiegels liefert ein akustisch induziertes elektrisches Signal, daß dazu verwendet werden kann, die Erregerfrequenz fe automatisch auf eine bevorzugte Resonanzfrequenz fq des Resonatorsystems abzustimmen. 55 FIG.4 zeigt eine Erweiterung des Resonatorsystems beschrieben in FIG.3: Eine zusätzliche, mit einer Flüssigkeit von geringer akustischer Dämpfung (z.B. destilliertes Wasser) gefüllte Wellenleiterschicht W ist zwischen Transducer T und Dispersionsschicht S eingefügt, und mit Hilfe einer akustisch transparenten Trennschicht F von der Dispersion S getrennt. Die Dicke xf der Schicht F ist, bezogen auf die Erregerfre- 10

AT 398 707 B quenz fe, entweder Klein im Vergleich zu einem Viertel der Wellenlänge oder gleich der halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge für das Material der Trennschicht F. Im ersteren Fall können z.B. Polyethylen (Saran®) oder Polyethylenterephthalat (Mylar®) Folien mit einer Dicke von 10u.m als Schicht F verwendet werden. Im zweiten Fall kann die Schicht F aus einem beliebigen, akustisch transparenten Material bestehen, wobei allerdings die Schichtdickenwahl der Schicht F für ein Material, das eine möglichst ähnliche spezifische akustische Impedanz zu der der Dispersionsschicht S aufweist, weniger kritisch ist. In der Phasenwinkel-Nomenklatur korrespondiert im zweiten Fall die Schichtdicke xf mit einem Phasenwinkel <f>F gleich einem ganzzahligen Vielfachen von ir innerhalb der akustisch transparenten Trennschicht F. Als dritte Möglichkeit kann die spezifische akustische Impedanz der Trennschicht etwa gleich der der Dispersion gewählt werden. Dieser Fall ist besonders vorteilhaft, da dann die Wahl der Schichtdicke Xf unkritisch ist. Geeignete Materialien wären z.B. TPX (Methylpenten) oder ABS (Acrylnitril Butadien Styrol). Die Wellenleiterschicht W dient als hochgütiger Resonatorteil, der die sehr inhomogene Nahfeldzone des Transducers T von der Separationszone S femhält. Daher wird das Potential für akustisch induzierte Strömungen innerhalb der Dispersion S deutlich verringert. Dieses Resonatordesign wirkt verstärkt kühlend und erlaubt eine Thermostatisierung durch Zirkulation eines Kühlmittels durch den Wellenleiter W und einen Thermostaten. Für diesen Fall werden die Seitenwände 8 und 8' mit Einfluß- und Ausflußöffnungen ausgestattet. Diese Resonatorversion verdeutlicht auch die Anwendbarkeit dieser Erfindung auf das sogenannte Driftwellenkonzept, das in einer anderen Patentanmeldung (WO-A1 90/05008) eingehend beschrieben wird. Während des Driftwellenprozesses wird das Resonatorsystem nicht nur auf einer bestimmten quasiharmonischen Resonanzfrequenz, sondern wiederholt auf fünf bis zwölf eng benachbarten Resonanzfrequenzen fCj unmittelbar hintereinander angeregt. Die dispergierten Partikel in der Dispersion S werden schrittweise gemäß der Bewegung der Schallschnellebäuche in longitudinaler Richtung x abgelenkt. Dies erlaubt die Aufteilung der Ausflußöffnung 2 in zwei Bereiche, einen 7 für das gereinigte Dispersionsmedium, den zweiten 7' für die mit Partikeln hoch angereicherte Dispersion. Um akustisch verursachte Energieverluste zu minimieren, müssen gemäß der Erfindung die Erregefrequenzen des Driftwellenprozesses auf Resonanzfrequenzen in der Umgebung bevorzugter Resonanzfrequenzen fCj abgeglichen werden. FIG.5 zeigt den Querschnitt eines Resonatorsystems mit einem total reflektierendem Retroreflektor R als akustisch spiegelnde Begrenzung des Resonators. Dieser Retroreflektor R wird bevorzugt aus zwei Platten im rechten Winkel zueinander geformt. Die Orientierung der Durchflußrichtung der Dispersion S ist bevorzugt der Schwerkraft entgegengesetzt und fällt in FIG.5 mit der z-Achse zusammen. Diese Resonatorversion ist besonders vorteilhaft, weil keine Seitenwände im Spiel sind, die im Hinblick auf ihre akustischen Einflüsse ignoriert werden müssen, um eine rein eindimensionale Beschreibung des Resonanzzustandes zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu wird ein rein eindimensionales Verhalten von Resonatoren gemäß FIG.3 und FIG.4 oft nur dann erreicht, wenn die lateralen Dimensionierungen der Schichten viel größer sind als die longitudinalen, was manchmal nicht wünschenswert ist. Die akustischen Materialparameter des Retrore-flektors R müssen so gewählt werden, daß die Bedingung für Totalresektion an der Grenzschicht zwischen Dispersion S und Reflektor R für einen Einfallswinkel a von 454 erfüllt ist. Totalreflektion an den Grenzschichten 12', 12" zwischen Dispersion und Retroreflektor verhindert jegliche akustisch verursachte Energieverluste innerhalb des Reflektors R. Falls es sich bei dem Reflektor R um ein isotropes Material mit einer Scherwellen-Schallgeschwindigkeit größer gleich der 1,41-fachen Schallgeschwindigkeit für Longitudinalwellen in der Dispersion S handelt, ist die Bedingung für Totalreflexion an der Dispersion/Reflektor-Grenzschicht bei einen Einfallswinkel « von 45° erfüllt. (Für den Fall, daß der Reflektor R aus einem anisotropen Material besteht, muß die niedrigere der beiden möglichen Scherwellengeschwindigkeiten größer gleich der 1,41-fachen Schallgeschwindigkeit für Longitudinalwellen in der Dispersion S sein.) Das heißt, die Schallwellen werden bereits an den Grenzschichten 12', 12" zwischen Dispersion und Reflektor total reflektiert. Diese Bedingung ist für z.B. einer wäßrigen Dispersion und den Reflektormaterialien Molybden, rostfreier Stahl und sogar für Aluminium und anderen mehr erfüllt. Obwohl der Schallpfad entlang der Abschnitte Xsi2 und XS22 parallel zur y-Achse liegen, ist die Gesamtlänge eines jeden möglichen Schallpfades in der Dispersion durch (XS11 + XS1Z + XS13) - (XS21 + XS22 + XS23) = 2Xs-gegeben und gleich lang. Daher kann eine virtuelle, total reflektierende Ebene 12 eines äquivalenten eindimensionalen Resonators definiert werden, wobei die effektive Schichtdicke Xs der Dispersion S von lateralen Richtungen y und z unabhängig ist und alle Schichtdicken wieder gemäß der Erfindung gewählt werden können. 11

Claims (26)

1. AT 398 707 B FIG.6 ist eine bevorzugte symmetrische Version des in FIG.5 beschriebenen Resonators. Der größte Vorteil dieses Design ist die Möglichkeit der Verwendung eines Rohres von quadratischem Querschnitt, das gleichzeitig den Behälter für die Dispersion bildet, und dessen Wände als Retroreflektoren des Resonatorsystems dienen. Jede der Dicken xB, xB· der zwei passiven Schichten B, B', wie auch die Dicke xA der aktiven Schicht A sind gemäß der Erfindung zu wählen, FIG.7 zeigt eine detaillierte Abbildung eines zusammengesetzten Transducers. Dieselbe Abbildung beschreibt auch ein Spiegelsystem mit implementierter piezoelektrisch aktiver Schicht A gemäß der Erfindung. Im gezeigten Beispiel FIG.7 wird die piezoelektrisch aktive Schicht A durch sechs piezoelektrische Plättchen A1, A2, A3, A4, A5, A6 von gleicher Dicke xA dargestellt. Diese Plättchen sind nebeneinander angeordnet und mit Elektroden bestückt. Die Plättchen schwingen akustisch parallel zueinander (in Phase erregt) und sind elektrisch in Serie geschalten, um die elektrische Impedanz des Transducers an den Ausgang des Leistungsgenerators G anzupassen. Besagter Generator G liefert über die Klemmen E1 und E2 das elektrische Erregersignal mit einer Frequenz fe. Ue und le sind die Amplituden der Erregerspannung bzw. des Erregerstromes. Die aktiven Plättchen sind auf eine elektrisch isolierende und piezoelektrisch passive Trägerschicht B der Dicke xb, wie Glas oder AI2O3-Keramik, aufgeklebt und können in guter Näherung als eine kontinuierliche Schicht mit einer Dicke xA behandelt werden. Die elektrischen Verbindungen zwischen den piezoelektrischen Plättchen werden durch Kupferfolien 11, I2, I3, I4, und Elektrodenschichten J1, J2, J3, gewährleistet. Die Dicke xB der Elektrodenschichten «11, J2, J3 korrespondiert mit einem Phasenwinkel <f>E der akustischen Welle von weniger als 1/16 der Zahl π. Besagte Elektroden werden auf der der aktiven Schicht A zugewandten Seite der passiven Trägerschicht B aufgebracht. Die Dicken xA und xB haben entsprechend der Erfindung, definierte Werte, um akustisch verursachte Energieverluste zu minimieren. Beste Resultate werden erreicht, wenn die spezifische akustische Impedanz ZB der passiven Schicht B etwa der spezifischen akustischen Impedanz ZA der piezoelektrisch aktiven Schicht A entspricht oder höher ist. Die Dicke xA der aktiven Schicht A korrespondiert bevorzugt mit einem Phasenwinkel Φα der akustischen Welle gleich einem ungeradzahligen Vielfachen m der Zahl v, die Dicke xB der passiven Schicht B korrespondiert bevorzugt mit einem Phasenwinkel <f>B der akustischen Welle gleich einem ungeradzahligen Vielfachen n der Hälfte der Zahl ir. Eine Anordnung von einer ungeraden Anzahl q von passiven Unterschichten mit einer jeweiligen Dicke xB,k * (k = 1.....q) erweist sich als ebenfalls vorteilhaft, Energieverluste zu minimieren. Die Dicke xBtk (k = 1.....q) jeder Unterschicht Bk ist bevorzugt nach dem gleichen Phasenkriterium für den Phasenwinkel ΦB,k innerhalb der jeweiligen Unterschicht Bk zu wählen wie für den vorher beschriebenen Phasenwinkel ψΒ einer einzelnen passiven Schicht B. Die Abfolge der spezifischen akustischen Impedanz der Unterschichten Bk muß zwischen hohen Werten (ZBik ä ZA,k...ungerade) und niedrigen Werten (ZBik < ZA, k...gerade) alternieren. Die äußersten Unterschichten B1 und Bq müssen jedoch hohe Werte aufweisen. In einer weiteren Ausführungsvariante können niederimpedante Unterschichten Bk (k...gerade) auch von einer akustisch transparenten Flüssigkeit gebildet werden, die optional auch zirkulieren kann, um das Resonatorsystem zu thermostatisieren. Patentansprüche 1. Einrichtung zur Abtrennung dispergierter Partikel von einer Flüssigkeit durch Erzeugung eines resonan-ten Ultraschallfeldes innerhalb eines zusammengesetzten, mehrschichtigen Resonators, wobei besagte Schichten akustisch gekoppelt sind und in der Ausbreitungsrichtung (x) der akustischen Welle durch zumindest einen Transducer (T), einen die Dispersion (S) beinhaltenden Behälter und einen akustischen Spiegel (M) gebildet werden, und der Transducer (T) durch einen elektrischen Leistungsgenerator (G) mit einer Hochfrequenz (fe) innerhalb der Halbwertsbreite einer charakteristischen quasiharmonischen Oberton-Resonanzfrequenz (fCj) des Resonatorsystems erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (xT) und relative Lage der Transducerschicht (T) so gewählt wird, daß die Erregerfrequenz (fe) außerhalb eines jeden Frequenzintervalls liegt, das durch eine untere und eine obere Grenzfrequenz definiert ist, wobei die untere Grenzfrequenz durch die jeweilige elektrisch anregbare, quasiharmonische Eigenfrequenz des Transducers (fTi) minus dem Quotienten (f-n/IOi) aus besagter Eigenfrequenz (f-π) und der zehnfachen quasiharmonische Nummer (i) gegeben ist, und die obere Grenzfrequenz durch die jeweilige elektrisch anregbare, quasiharmonische Eigenfrequenz des Transducers (fTi) plus dem Quotienten (fTi/10i) aus besagter Eigenfrequenz (f-π) und der zehnfachen quasiharmonischen Nummer (i) gegeben ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (χγ) und relative Lage der Transducerschicht (T) im Hinblick auf die Erregerfr.equenz (fe) so gewählt wird, daß die Schallschnelle- 12 AT 398 707 B amplitude (V) an der Grenzschicht zwischen Transducer (T) und der Dispersion (S) einen verschwindenden Wert annimmt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transducer (T) mit der 5 Dispersion (S) nur an einer Seite, der inneren Seite, in Kontakt ist, wobei die äußere Grenzschicht des Transducers (T) die erste, das Resonatorsystem begrenzende, reflektierende Ebene (11), und die äußere Grenzschicht des akustischen Spiegels (M) die zweite, das Resonatorsystem begrenzende, reflektierende Ebene (12) bilden. io
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transducer (T) an beiden Seiten mit der Dispersion (S) in Kontakt ist, und zwei Spiegel (Μ, M') den Resonator begrenzen, wobei die äußere Grenzschicht des ersten Spiegels (M) die erste, das Resonatorsystem begrenzende, reflektierende Ebene (11), und die äußere Grenzschicht des zweiten Spiegels (M') die zweite, das Resonatorsystem begrenzende, reflektierende Ebene (12) bilden. 15
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transducer (T) aus einer, im weiteren kurz aktive Schicht genannten, piezoelektrischen festen Schicht (A) und einer, im weiteren kurz passive Schicht genannten, nicht-piezoelektrischen Schicht (B) besteht, wobei der Wert der Schichtdicke (xA) der aktiven Schicht (A) mit einem Phasenwinkel (</>A) der Schallschnelleamplitude (V) 20 korrespondiert, besagter Phasenwinkel (φΑ) gleich einem ungeraden Vielfachen (m) der Zahl Pi (π) ist, der Wert der Schichtdicke (xb) der passiven Schicht (B) mit einem Phasenwinkel (ψΒ) der Schallschnelleamplitude (V) korrespondiert, und besagter Phasenwinkel (<f>B) gleich einem ungeraden Vielfachen (n) der Hälfte der Zahl Pi (tr) ist, wobei die passive Schicht (B) aus einem Material mit einer spezifischen akustischen Impedanz ZB vergleichbar mit der spezifischen akustischen Impedanz ZA der aktiven 25 Schicht (A), oder höher, gefertigt ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transducer (T) aus einer, im weiteren kurz aktive Schicht genannten, piezoelektrischen, festen Schicht (A) und zwei, im weiteren kurz passive Schichten genannten, nicht-piezoelektrischen Schichten (B, B') besteht, die aktive Schicht 30 (A) zwischen den passiven Schichten (B, B') positioniert ist, der Wert der Schichtdicke (xA) der aktiven Schicht (A) mit einem Phasenwinkel (φΑ) der Schallschnelleamplitude (V) korrespondiert, besagter Phasenwinkel (</>A) gleich einem ungeraden Vielfachen (m) der Zahl Pi (w) ist, der Wert der Schichtdik-ke (xB) der ersten passiven Schicht (B) mit einem Phasenwinkel (ψΒ) der Schallschnelleamplitude (V) korrespondiert, besagter Phasenwinkel (<f>B) gleich einem ungeraden Vielfachen (n) der Hälfte der Zahl 35 Pi (v) ist, der Wert der zweiten Schichtdicke (x'B) der zweiten passiven Schicht (B*) mit einem Phasenwinkel (ψ'Β) der Schallschnelieamplitude (V) korrespondiert, und besagter Phasenwinkel (</>'B) gleich einem ungeraden Vielfachen (n') der Hälfte der Zahl Pi {-π) ist, wobei die passiven Schichten (B, B') bevorzugt gleiche Dicken (xB, x'B) aufweisen, und die passiven Schichten (B. B') aus einem Material mit einer spezifischen akustischen Impedanz ZB vergleichbar mit der spezifischen akustischen Impe- 40 danz ZA der aktiven Schicht (A), oder höher, gefertigt sind.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die passive Schicht (B) des Transducers (T) eine Wand des Behälters bildet.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (M) eine Wand des Behälters bildet.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (Μ, M') gegenüberliegende Wände des Behälters bilden. 50
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (M) eine, im weiteren kurz aktive Schicht genannte, piezoelektrische feste Schicht (A) beinhaltet, und die Amplitude des zwischen den Elektroden der aktiven Schicht (A) produzierten elektrischen Signals (Ue) als Kriterium verwendet wird, um die Erregerfrequenz (fe) des elektrischen Leistungsgenerators (G) auf eine quasiharmonische 55 Resonanzfrequenz (fCi) des Resonators abzustimmen, indem ein relatives Maximum der Amplitude des elektrischen Signals (Ue) angestrebt wird. 13 AT 398 707 B
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Schichtdicke (xA) besagter aktiven Schicht (A) des Spiegels (M) mit einem Phasenwinkel (φΑ) der Schallschnelleamplitude (V) korrespondiert, besagter Phasenwinkel (ψΑ) gleich einem ungeraden Vielfachen (m) der Zahl Pi (tt) ist, die aktive Schicht (A) des Spiegels (M) akustisch mit einer, im weiteren kurz passive Schicht 5 genannten, nicht-piezoelektrischen Schicht (B) gekoppelt ist, der Wert der Schichtdicke (Xb) der passiven Schicht (B) mit einem Phasenwinkel (Φβ) der Schallschnelleamplitude (V) korrespondiert, und besagter Phasenwinkel (φΒ) gleich einem ungeraden Vielfachen (n) der Hälfte der Zahl Pi (ir) ist, wobei die passive Schicht (B) aus einem Material mit einer spezifischen akustischen Impedanz ZB vergleichbar mit der spezifischen akustischen Impedanz ZA der aktiven Schicht (A), oder höher, gefertigt ist. 10
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die passive Schicht (B) des Transducers (T) eine Wand des Behälters bildet.
13. 13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6, oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß besagte aktive 75 Schicht (A) durch eine mosaikähnliche Struktur- von akustisch parallelen, runden, rechteckigen oder quadratischen piezoelektrischen Plättchen (A1, A2, A3, A4, A5, A6) mit gleicher Dicke (xA) gebildet wird und auf die piezoelektrisch passive Schicht (B) geklebt ist.
14. 14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6, 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die 20 piezoelektrischen Plättchen aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT: Pb(Ti,Zr)03) Keramiken oder Lithium-Niobat (LiNbC>3) Monokristallen bestehen.
15. 15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß besagte passive Schicht (B) eine elektrisch isolierende dielektrische Schicht ist, die Elektroden der piezoelektrischen 25 Plättchen (A1, A2, A3, A4, A5, A6) zumindest teilweise durch auf die passive Schicht (B) aufgebrachten Kontaktelektroden (J1, J2, J3) in Serie geschaltet sind, und die Dicke (xE) besagter Kontaktelektroden (J1, J2, J3) mit einem Phasenwinkel (<M der Schallschnelleamplitude (V) korrespondiert, wobei besagter Phasenwinkel (φΡ) kleiner als ein Sechzehntel der Zahl Pi (w) ist.
16. 16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrisch aktive Schicht (A) aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) Folie gebildet wird.
17. 17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die passive Schicht (B) aus einem ungeradzahligen Vielfachen (q) piezoelektrisch passiver Unterschichten besteht, 35 der Wert der Schichtdicke (xB,k [k = 1.....q]) einer jeden Unterschicht mit einem Phasenwinkel (Φβ,κ) der Schallschnelleamplitude (V) korrespondiert, und besagter Phasenwinkel (<£B,k) gleich einem ungeraden Vielfachen (nk) der Hälfte der Zahl Pi (tt) ist, wobei die Abfolge der spezifischen akustischen Impedanzen der Unterschichten zwischen hohen Werten ZB,k δ ZA,k...ungerade) und niedrigen Werten (ZB,k < ZA, k...gerade) alterniert, und die erste und die letzte Unterschicht dieser Abfolge hohe Werte 40 (ΖΒιι δ ZA, ZBq δ ZA) aufweisen.
18. 18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkleistungsaufnahme (Pe) des Resonators als Kriterium zur Feinabstimmung der Erregerfrequenz (fe) des elektrischen Leistungsgenerators (G) auf eine quasiharmonische Resonanzfrequenz (fCj) des Resonators 45 verwendet wird, indem mit Hilfe einer automatischen Frequenzkontrolle (AFC) ein relatives Maximum der Wirkleistungsaufnahme (Pe) angestrebt wird.
19. 19. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine, durch eine Flüssigkeit gebildete, zusätzliche Wellenleiterschicht (W) zwischen der passiven Schicht (B) des Transducers (T) und der so Dispersion (S) angeordnet wird, und diese Wellenleiterschicht (W) von der Dispersion (S) durch eine akustisch transparente Wand (F) getrennt ist.
20. 20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände besagter Wellenleiterschicht (W) mit Einfluß- und Ausflußöffnungen ausgestattet zind und die Wellenleiter-Flüssigkeit (W) 55 · zirkuliert wird.
21. 21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerfrequenz (fe) wiederholt hintereinander auf fünf bis zwölf unmittelbar benachbarte Resonanzfrequenzen fCj 14 AT 398 707 B des Resonatorsystems abgestimmt wird.
22. 22. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein total reflektierender Retroreflektor (R) eine Begrenzung des Behälters bildet, besagter Retroreflektor (R) durch zwei im rechten Winkel zueinander stehenden Reflektorplatten (12', 12"), die 45* zur Richtung x der Schallausbreitung geneigt sind, gebildet wird, die akustischen Parameter des Materials des Retroreflektors (R) einen solchen Wert haben, daß die Bedingung für Totalreflexion für einen Neigungswinkel von 45 “ zwischen den Reflektorplatten (12', 12") und der Richtung x der Schallausbreitung an den Grenzschichten zwischen der Dispersion (S) und den Reflektorplatten (12*, 12") erfüllt ist, die Durchflußrichtung der Dispersion parallel zu diesen Reflektorplatten (12', 12") und normal (z) zu der longitudinalen Richtung (x) orientiert ist, und die virtuelle, total reflektierende Ebene (12) des äquivalenten eindimensionalen Resonators die effektive Schichtdicke (xs) der Dispersion (S) definiert.
23. 23. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei symmetrische, total reflektierende Retroreflektoren (R, R') gegenüberliegende Begrenzungen des Behälters bilden, die akustischen Parameter des Materials der Retroreflektoren (R, R') einen solchen Wert haben, daß die Bedingung für Totalreflexion an den Grenzschichten zwischen den jeweiligen Dispersionsbereichen (S, S’) und Retroreflektoren (R, R') erfüllt ist, die Durchflußrichtung der Dispersion normal (z) zu der longitudinalen Richtung (x) orientiert ist, und die virtuellen, total reflektierenden Ebenen (11, 12) des äquivalenten eindimensionalen Resonators die jeweiligen effektiven Schichtdicken (xs) der Dispersionsbereiche (S, S') definieren.
24. 24. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Dicke (xf) der akustisch transparenten Wand (F) mit einem Phasenwinkel (</>F) der Schallschnelleamplitude (V) korrespondiert, und besagter Phasenwinkel (<f>F) bezogen auf die Erregerfrequenz (fe) viel kleiner als die Hälfte der Zahl Pi (π) ist.
25. 25. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Dicke (xf) der akustisch transparenten Wand (F) mit einem Phasenwinkel (Φρ) der Schallschnelleamplitude (V) korrespondiert, und besagter Phasenwinkel (<#>F) bezogen auf die Erregerfrequenz (fe) möglichst genau gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Zahl Pi (v) ist.
26. 26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19, 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die akustisch transparente Wand (F) aus einem Material hergestellt ist, dessen spezifische akustische Impedanz (ZF) möglichst genau gleich der spezifischen akustischen Impedanz (Zw) der Wellenleiter-Flüssigkeit (W) ist. Hiezu 7 Blatt Zeichnungen 15