CS249312B1

CS249312B1 - Ultrasonic transducer for radiation to the liquid environment

Info

Publication number: CS249312B1
Application number: CS837610A
Authority: CS
Inventors: Zdenek Skvor; Aladar Borszeky
Original assignee: Zdenek Skvor; Aladar Borszeky
Priority date: 1983-10-17
Filing date: 1983-10-17
Publication date: 1987-03-12
Also published as: CS761083A1

Abstract

Měnič je určen především do kapalných prostředí tvořených ultrazvukovými čistícími lázněmi. Je řešen přímý styk radiátoru s kapalinou. Měnič je tvořen dvěma vlnovodnými nástavci a střední elektroakusticky aktivní částí, složenou ze dvou piezoelektrických, tlouštkově kmitajících, destiček a střední elektrody, vzájemně spojených. Nejméně jeden vlnovodný nástavec zasahuje do nádoby s kapalným prostředím a je obepnut těsněním z poddajného, účinkům kapaliny odolávajícího, elektricky izolujícího materiálu chránícího střední elektroakusticky aktivní část proti vniknutí kapaliny. Těsnění umožňuje uchycení měniče v držáku nebo ve stěně nebo dně nádoby s kapalinou. Oba vlnovodné nástavce mohou současně vyzařovat do dvou oddělených kapalných prostředí. V tomto případě je těsnění s výhodou uloženo ve vzájemně rovnoběžných stěnách dvou oddělených nádob s kapalným prostředím. Měnič lze využít ve všech výrobních a technologických procesech, kde se používá ultrazvukového čištění, např. ve strojírenství, mikroelektronice, chemickém průmyslu, lékařství apod.The transducer is intended primarily for liquid environments formed by ultrasonic cleaning baths. Direct contact of the radiator with the liquid is provided. The transducer consists of two waveguide extensions and a central electroacoustically active part, consisting of two piezoelectric, thickness-oscillating, plates and a central electrode, connected to each other. At least one waveguide extension extends into the container with the liquid environment and is surrounded by a seal made of a flexible, liquid-resistant, electrically insulating material protecting the central electroacoustically active part against the ingress of liquid. The seal enables the transducer to be mounted in a holder or in the wall or bottom of the container with the liquid. Both waveguide extensions can simultaneously radiate into two separate liquid environments. In this case, the seal is preferably placed in the mutually parallel walls of two separate containers with the liquid environment. The converter can be used in all production and technological processes where ultrasonic cleaning is used, e.g. in mechanical engineering, microelectronics, chemical industry, medicine, etc.

Description

(54) Ultrazvukový přimovyzařující měnič pro vyzařování do kapalného prostředí(54) Ultrasonic inverter for liquid emission

Měnič je určen především do kapalných prostředí tvořených ultrazvukovými čistícími lázněmi. Je řešen přímý styk radiátoru s kapalinou. Měnič je tvořen dvěma vlnovodnými nástavci a střední elektroakusticky aktivní částí, složenou ze dvou piezoelektrických, tlouštkově kmitajících, destiček a střední elektrody, vzájemně spojených. Nejméně jeden vlnovodný nástavec zasahuje do nádoby s kapalným prostředím a je obepnut těsněním z poddajného, účinkům kapaliny odolávajícího, elektricky izolujícího materiálu chránícího střední elektroakusticky aktivní část proti vniknutí kapaliny. Těsnění umožňuje uchycení měniče v držáku nebo ve stěně nebo dně nádoby s kapalinou. Oba vlnovodné nástavce mohou současně vyzařovat do dvou oddělených kapalných prostředí. V tomto případě je těsnění s výhodou uloženo ve vzájemně rovnoběžných stěnách dvou oddělených nádob s kapalným prostředím. Měnič lze využít ve všech výrobních a technologických procesech, kde se používá ultrazvukového čištění, např. ve strojírenství, mikroelektronice, chemickém průmyslu, lékařství apod.The converter is designed primarily for liquid environments consisting of ultrasonic cleaning baths. Direct contact of the radiator with liquid is solved. The transducer consists of two waveguide extensions and a central electroacoustically active part, consisting of two piezoelectric, thickness-oscillating, plates and a central electrode connected to each other. The at least one waveguide extends into the liquid medium container and is encased by a flexible, fluid-resistant, electrically insulating material protecting the central electroacoustically active portion from liquid ingress. The gasket allows the converter to be mounted in the holder or in the wall or bottom of the liquid container. Both waveguides can simultaneously emit into two separate liquid environments. In this case, the seal is preferably housed in mutually parallel walls of two separate liquid medium containers. The converter can be used in all production and technological processes where ultrasonic cleaning is used, eg in engineering, microelectronics, chemical industry, medicine etc.

Vynález se týká ultrazvukového přímovyzařujícího měniče pro vyzařování do kapalného prostředí, například do nádoby s ultrazvukovou čistící lázní.The invention relates to an ultrasonic direct-radiating transducer for radiation to a liquid medium, for example to a vessel with an ultrasonic cleaning bath.

V ultrazvukových čistících zařízeních se používají vesměs, jako akustické vysílače, soustavy složené z tloušEkově kmitajících piezoelektrických destiček zakončených radiátorem a reflektorem anebo v symetrickém uspořádání se dvěma radiátory podle čs. AO 227 150.In ultrasonic cleaning devices, systems consisting of thickness oscillating piezoelectric plates terminated by a radiator and a reflector or in symmetrical arrangement with two radiators according to the art. AO 227 150

U známých uspořádání měnič nezasahuje přímo do čistící lázně, ale je aktivní plochou přitmelen k membráně, která tvoří dno, stěnu nebo jinou samostatnou část zařízení a k vyzařování dochází nepřímo prostřednictvím této membrány.In known arrangements, the transducer does not extend directly into the cleaning bath, but is bonded to the membrane, which forms the bottom, wall or other separate part of the device, by the active surface, and radiation occurs indirectly through the membrane.

Tento způsob provedení přináší řadu technologických problémů. Jde zejména o kvalitu spojení měniče s membránou, provedené zpravidla lepením. Při demontáži měniče dochází k k porušení nádoby i ostatních částí zařízení. Správná činnost čistícího zařízení, které zpravidla pracuje s několika elektricky paralelně spojenými měniči, závisí na přesném nastavení rezonančních kmitočtů, všech měničů. Po natmelení jednotlivých měničů na membránu se rezonanční kmitočty výrazně změní, a tím se zhorší elektroakustické vlastnosti zařízení.This embodiment presents a number of technological problems. This is especially the quality of the connection of the converter to the membrane, usually made by gluing. Disassembling the inverter causes damage to the vessel and other equipment. The proper operation of a cleaning device, which generally works with several electrically connected inverters, depends on the precise setting of the resonant frequencies of all inverters. After bonding the individual transducers to the diaphragm, the resonant frequencies will change significantly, thus degrading the electroacoustic properties of the device.

Tyto nevýhody odstraňuje ultrazvukový přímovyzařujíci měnič podle vynálezu pro vyzařování do kapalného prostředí, zejména za účelem ultrazvukového čištění. Tento měnič je složený ze dvou vlnovodných nástavců a střední elektroakustický aktivní části, tvořené nejméně dvěma tloušEkově kmitajícími destičkami z piezoelektrického nebo elektrostrikčního materiálu a střední elektrody, vzájemně spojených.These disadvantages are overcome by the ultrasonic direct-emitting transducer according to the invention for radiation to a liquid medium, in particular for ultrasonic cleaning purposes. The transducer is comprised of two waveguide extensions and a central electroacoustic active part comprising at least two thickness oscillating plates of piezoelectric or electrostrictive material and a central electrode connected to each other.

Podstatou vynálezu je, že první a/nebo druhý vlnovodný nástavec je ve styku s kapalným prostředím. Zároveň je střední elektroakustický aktivní část obepnuta těsněním z z poddajného, účinkům kapaliny odolávajícího a elektricky izolujícího materiálu. Je možné uchytit v těsnění držák. Další výhodná varianta je, že těsnění je uloženo ve vzájmně rovnoběžných stěnách dvou oddělených nádob s kapalným prostředím.It is an object of the invention that the first and / or second waveguide is in contact with the liquid medium. At the same time, the middle electroacoustic active part is surrounded by a gasket made of a flexible, fluid-resistant and electrically insulating material. It is possible to mount the holder in the gasket. A further advantageous variant is that the seal is housed in mutually parallel walls of two separate containers with a liquid medium.

Výhodou tohoto měniče je, že na rozdíl od běžně používaných měničů, kdy jsou měniče lepeny na dno nebo· stěny nádoby s čistící lázní, v tomto případě nejsou měniče k nádobě tmeleny a zasahují svými akusticky aktivními vlnovodnými nástavci, tedy radiátory, přímo do kapaliny. Současně je tak eliminována změna rezonačního kmitočtu vyvolaná obtížně kontrolovatelným procesem tmelení.The advantage of this transducer is that, unlike commonly used transducers, where the transducers are glued to the bottom or walls of a cleaning bath vessel, the transducers are not cemented to the vessel and interfere directly with the liquid with their acoustically active waveguide extensions. At the same time, the change in resonant frequency caused by a difficult to control bonding process is eliminated.

Utěsnění měničů ve stěně nádob je provedeno jednoduchým způsobem, například pryžovým těsněním. Protože měniče nejsou lepeny, lze je snadno, bez porušení nádoby i jich samých, vyměňovat. Přímý kontakt radiátorů měničů s kapalinou rovněž zvySuje energetickou účinnost zařízení. Vynález přináší též významnou úsporu kovových materiálů, protože nádoby pro čistící lázeň lze výhodně vyrábět z plastické hmoty. U souměrného uspořádání se dvěma lázněmi přistupuje další výhoda, spočívající v tom, že u jednoho celku, bez zvyšování počtu měničů lze jednu lázeň použít pro hrubé čištění a druhou například pro oplachování.The converters are sealed in the vessel wall in a simple manner, for example by a rubber seal. Since the inverters are not glued, they can easily be replaced without damaging the vessel and themselves. Direct contact of converter radiators with liquid also increases the energy efficiency of the equipment. The invention also brings significant savings in metallic materials since the cleaning bath containers can be advantageously made of plastic. In the symmetrical arrangement with two baths, there is the added advantage that in one unit, without increasing the number of converters, one bath can be used for rough cleaning and the other for rinsing, for example.

Příklady uspořádání měniče podle vynálezu jsou uvedeny na přiložených výkresech.Examples of the converter arrangement according to the invention are given in the accompanying drawings.

Na obr. 1 a 2 je schematicky znázorněn souměrný přímovyzařujíci měnič, který je uzpůsoben k ponoření do kapaliny. Na obr. 3 je přiklad oboustranně vyzařujícího měniče, zasahujícího do dvou oddělených nádob s kapalným prostředím. Na obr. 4 je příklad souměrného měniče se dvěma vlnovodnými nástavci nekonstantního průřezu.1 and 2 schematically illustrate a symmetrical direct radiating transducer adapted to be immersed in a liquid. Fig. 3 is an example of a two-way radiating transducer extending into two separate liquid medium containers. Fig. 4 shows an example of a symmetrical transducer with two waveguide extensions of non-constant cross-section.

Souměrný přímovyzařujíci měnič na výkrese sestává z prvního vlnovodného nástavce _1 a druhého vlnovodného nástavce _2, které tvoří radiátory, mezi nimiž jsou dvě piezoelektrické tloušEkově kmitající destičky 2 ^a A ^a střední elektroda ji. Sevření obou vlnovodných nástavců i, 2, obou piezoelektrikých tloušEkově kmitajících destiček 3, 4 ^a střední elektrody 5. je provedeno svorníkem, který zde není zakreslen. Střední elektroakustický akt.ivní části, to je destičky 3, _4 a střední elektroda _5, jsou chráněny těsněním ji ('•které je obepíná a je například z neoprenu, silikovové pryže apod., což zabraňuje vniknutí kapa* líny k těmto elektricky buzeným částem.The symmetrical direct radiating transducer in the drawing consists of a first waveguide extension 1 and a second waveguide extension 2, which form radiators, including two piezoelectric thickness oscillating plates 2 ^and A ^{and a} central electrode therein. The clamping of the two waveguide extensions 1, 2, the two piezoelectric thickness-oscillating plates 3, 4 ^{and the} central electrode 5 is effected by means of a bolt not shown here. The central electroacoustic active parts, i.e., the plates 3,4 and the middle electrode 5, are protected by a gasket surrounding it, such as neoprene, silicone rubber, etc., which prevents liquid from entering these electrically excited parts. .

Těsnění 6 je umístěno v blízkosti uzlu kmitání a proto závažněji neovlivňuje vlastnosti soustavy. V těsnění £ je uchycen držák jehož středem prochází jeden přívod 7_ od střední elektrody 5 a druhý přívod od polepů piezoelektických, tloušťkově kmitajících destiček 3 a 4, které jsou spojeny svorníkem.The seal 6 is located near the oscillation node and therefore does not significantly affect the properties of the system. In the seal 6 is mounted a holder whose center extends one lead 7 from the central electrode 5 and the other lead from the stickers of piezoelectic, thickness-oscillating plates 3 and 4, which are connected by a bolt.

Oba vlnovodné nástavce 1., 2. jsou na stejném elektrickém potenciálu a jsou uzemněny. Takto vytvořený souměrný přímovyzařující měnič může být ponořen do čistící kapaliny například do nádoby, jejíž stěny mají být čištěny kavitačním účinkem, například hlava spalovacího motoru. Po vložení měniče s čistící kapalinou v důsledku elektroakusticky vybuzené kavitáce dochází k čištění stěn nádoby a předmětů umístěných uvnitř. Těsnění zabraňuje vnikání kapaliny k elektroakusticky aktivním částem a musí být tedy z materiálu, který odolává chemickým účinkům čistící kapaliny.Both waveguide extensions 1, 2 are at the same electrical potential and are grounded. The symmetrical direct-emitting transducer thus formed can be immersed in a cleaning liquid, for example, in a vessel whose walls are to be cleaned by a cavitation effect, for example an internal combustion engine head. After inserting the inverter with the cleaning liquid due to the electroacoustically excited cavitation, the vessel walls and the objects inside are cleaned. The seal prevents liquid from entering the electroacoustically active parts and must therefore be of a material that resists the chemical effects of the cleaning liquid.

Spojením několika takto vytvořených měničů lze vytvořit celek, umožňující vyzáření většího výkonu. Jako příklad je uvedeno spojení tří shodných měničů v jeden celek. Měniče jsou vytvořeny každý vždy ze dvou vlnovodných nástavců, po řadě 11, 21 a 12, 2_2_ a 13, 23, tvořících radiátory, dále vždy po řadě ze dvou piezoelektrických, tloušťkově kmitajících destiček 31. 41 a 32, 42 a 33, 43 a ze středových elektrod po řadě 51, 52 a 53.By combining several inverters created in this way, a unit can be created, allowing for higher power radiation. As an example, three identical inverters are combined in one unit. The transducers are each formed of two waveguide extensions, each of which are radiators, 11, 21 and 12, 22 and 13, 23 respectively, and each of two piezoelectric, thickness-oscillating plates 31, 41 and 32, 42 and 33, 43 respectively. from the center electrodes in series 51, 52 and 53.

Tyto měniče jsou opatřeny ochranným těsněním 2 ^a tvoří kompaktní celek. Elektricky jsou všechny měniče spojena paralelně, k čemuž slouží první vodiče 7., 71, 72 vzájemně propojující příslušné středové elektrody 51, 52, 53 a druhé vodiče j$, 81, 82 mezi sebou propojující první vlnovodné nástavce 21, 22 a 23, s nimiž jsou elektricky spojeny druhé vlnovodné nástavce 11, 12 a 13.These converters are fitted with a protective seal 2 ^and form a compact unit. Electrically, all transducers are connected in parallel, for which the first conductors 7, 71, 72 interconnect the respective center electrodes 51, 52, 53 and the second conductors 8, 81, 82 interconnect the first waveguide extensions 21, 22 and 23 with each other. with which the second waveguide extensions 11, 12 and 13 are electrically connected.

Do těsnění j> je zakotven držák 2/ tvořený trubicí a sloužící jako držák celého zařízení umožňující snadnou manipulaci s měniči v čistící lázni. Popsané řešení měniče lze s výhodou též aplikovat pro současné vyzařování do dvou oddělených kapalných prostředí. Funkce měniče je táž jako v předchozím případě, avšak lze dosáhnout většího vyzařovacího výkonu.An anchor tube 2 is anchored in the gasket and serves as a holder of the entire device allowing easy handling of the inverters in the cleaning bath. The described transducer solution can also advantageously be applied for simultaneous emission to two separate liquid environments. The function of the inverter is the same as in the previous case, but greater radiation power can be achieved.

Další variantou je měnič, tvořený prvním a druhým vlnovodným nástavcem 1. a .2 ve funkci radiátorů, dvou piezoelektrických, tloušťkově kmitajících destiček 3, 4., střední elektrody 5 a těsnění £. Těsnění 6^ je uloženo ve vzájemně rovnoběžných stěnách, dvou shodných oddělených nádob 101 a 102 s kapalným prostředím 103 a 104. Měnič má opět dva přívody 7 a 8.Another variant is a transducer consisting of first and second waveguide extensions 1 and 2 in the function of radiators, two piezoelectric, thickness-oscillating plates 3, 4, a central electrode 5 and a seal 6. The seal 6 is housed in mutually parallel walls, two identical separate containers 101 and 102 with a liquid medium 103 and 104. Again, the converter has two inlets 7 and 8.

Měnič prochází do těchto dvou nádob 101 a 102 tak, že první vlnovodný nástavec 1. vyzařuje do jednoho kapalného prostředí 103 a druhý vlnovodný nástavec 2 do druhého kapalného prostředí 104. Obě nádoby 101 a 102 tvoří s měničem, případně několika měniči, kompaktní celek, ku příkladu tak, že obě nádoby 101 a 102 jsou vzájemně spolu mechanicky spojeny a těsnění 6 vůči nádobě 101 a 102 zabraňuje unikání kapaliny. Povrch vlnovodných nástavců .1, 2 je chráněn proti účinkům kavitační eroze například tvrdým chromováním.The transducer extends into the two containers 101 and 102 such that the first waveguide extension 1 emits into one liquid medium 103 and the second waveguide extension 2 into the second liquid medium 104. The two containers 101 and 102 form a compact unit with the transducer or several transducers. for example, so that the two containers 101 and 102 are mechanically connected to each other and the seal 6 against the containers 101 and 102 prevents leakage of liquid. The surface of the waveguides 1, 2 is protected against the effects of cavitation erosion, for example by hard chromium plating.

Po připojení elektrického napětí na přívody 7_ a £ dojde k rozkmitání symetrického ultrazvukového měniče, který je symetricky zatížen dvěma oddělenými kapalnými prostředími 103, 104, která vytvářejí stejné zatěžovací impedance. V těchto kapalných prostředích 103, 104 se vytvoří intenzivní kavitační pole, které se s výhodou použije pro čištění předmětů, uložených v kapalině, například strojních součástí, elementů pro mikroelektroniku a podobně.When the electrical voltage is applied to the leads 7 and 6, the symmetrical ultrasonic transducer oscillates, which is symmetrically loaded by two separate liquid media 103, 104, which produce the same load impedances. In these liquid media 103, 104, an intense cavitation field is created, which is preferably used for cleaning liquid-stored objects, for example machine parts, microelectronics elements and the like.

Pro vyzařování do kapalného prostředí lze realizovat měnič podle vynálezu též s vlnovodnými nástavci nekonstantního průřezu, například kuželového tvaru. Vlnovodné nástavce 111 a 112 tvořící radiátory, mají tvar divergentního kuželovitého vlnovodu a svírají mezi sebou piezoelektrické, tloušťkově kmitající, destičky 2 ^a A ^a střední elektrodu 5_. Těsnění 6 umožňuje podobně jako v předešlém příkladě umístit měnič do stěn nádob 101 a 102.For radiation to a liquid medium, the transducer according to the invention can also be realized with waveguide extensions of non-constant cross-section, for example of conical shape. The radiator waveguide extensions 111 and 112 are in the form of a divergent conical waveguide and enclose piezoelectric, thickness-oscillating, platelets 2 ^and A ^{and a} central electrode 5 therebetween. The seal 6 allows, as in the previous example, to place the transducer in the walls of the containers 101 and 102.

Funkce tohoto měniče je táž jako v prvním případě s tím, že jelikož radiátory mají tvar divergentních vlnovodů, dochází k vyzařování z větší plochy a tím i k lepšímu impedančnímu přizpůsobení zářiče na kapalné prostředí.The function of this transducer is the same as in the first case, with the fact that the radiators are in the form of divergent waveguides, they emit from a larger area and thus better impedance adaptation of the emitter to the liquid environment.

Využití vynálezu je velmi široké a výhodné, zejména v oblasti ultrazvukového čištění. Ponorný měnič realizovaný podle obr. 1 a obr. 2 lze vkládat do nádob s kapalinou a využívat účinků intenzivního ultrazvukového pole k čištění. Takto lze s výhodou čistit vnitřní Části a stěny útvarů, které jinou cestou lze Čistit velmi nesnadno.The application of the invention is very broad and advantageous, especially in the field of ultrasonic cleaning. The immersion transducer of Figs. 1 and 2 can be loaded into liquid containers and utilized the effects of an intense ultrasonic field for cleaning. In this way, it is advantageous to clean the interior parts and walls of the formations which by other means are difficult to clean.

Zařízení podle vynálezu má široké uplatnění ve všech výrobních a technologických procesech, kde se používá ultrazvukové čištění - ve strojírenství, v mikroelektronice, v chemickém průmyslu a v dalších oblastech, například v lékařství apod.The device according to the invention has wide application in all production and technological processes where ultrasonic cleaning is used - in engineering, microelectronics, in the chemical industry and in other fields, for example in medicine and the like.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

1. An ultrasonic transducer for radiating into a liquid medium, in particular for ultrasonic cleaning, comprising two waveguide extensions and a central electroacoustically active part comprising at least two thickness oscillating plates of piezoelectric or electrostrictive material and a central electrode connected to one another, that the first waveguide extension (1) and / or the second waveguide extension (2) is in contact with the liquid medium (103) and / or (104) and the central electro-acutically active part is surrounded by a flexible (6) gasket of flexible insulating material.

2. The ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that a holder (9) is mounted in the seal (6).

3. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the seal (6) is disposed in mutually parallel walls of two separate containers (101) and (102) with a liquid medium (103) and (104).