DE10013350A1 - Vorrichtung zum Abstrahlen von Ultraschallenergie - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Abstrahlen von Ultraschallenergie in eine Flüssigkeit weist einen Resonator 1 auf, welcher an wenigstens einen Schallwandler 2a, 2b gekoppelt ist. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzrohr 3 vorhanden ist, welches wenigstens den Resonator 1 dicht umschließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abstrahlen von Ultraschallenergie in eine Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem Resonator, welcher an wenigstens einen Schallwandler gekoppelt ist.

Eine derartige Vorrichtung ist im Stand der Technik hinlänglich bekannt. So ist bei­ spielsweise aus der EP 0 455 837 A1 ein Ultraschall-Resonator bekannt, welcher ein stab- oder rohrförmiges, schallabstrahlendes Teil hat, welches mit seinen beiden Stirnseiten jeweils an einen longitudinale Schwingungen ausführenden Schallwandler angekoppelt ist. Der als Resonator dienende Schall abstrahlende Teil besteht in der Praxis regelmäßig aus einer Titanlegierung, wie beispielsweise AL6V4, da dieses Material im Hinblick auf die Schwingungseigenschaften sehr gute Eigenschaften hat. Nachteilig bei diesem Material ist jedoch, daß es nicht säurebeständig ist. Es ist da­ her nur bedingt möglich, den bekannten Resonator in aggressive Flüssigkeiten wie beispielsweise Säuren einzutauchen.

Die Gehäuse der Schallwandler bestehen regelmäßig aus Edelstahl, welche eine relativ gute Säurebeständigkeit haben. Da Edelstahl jedoch keine guten Eigen­ schaften im Hinblick auf das Schwingungsverhalten hat, sieht man regelmäßig davon ab, den Resonator aus Edelstahl herzustellen. Die Nachteile bei den Schwin­ gungseigenschaften werden durch die Verbesserung der Säurebeständigkeit nicht aufgehoben.

Es hat Versuche gegeben, die Oberfläche eines aus einer Titanlegierung bestehen­ den Resonators mit einem säurebeständigen Material wie beispielsweise Chrom zu beschichten. Durch die Schwingungen, die der Resonator ausführt, bekommt die Beschichtung jedoch nach kurzer Zeit Risse, welche einen guten Angriffspunkt für Säure darstellen. So tritt bei einem derartigen Resonator nach relativ kurzer Zeit ein sogenannter Kavitationsfraß auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Vorrichtung derart auszubil­ den, daß sie im Hinblick auf aggressive Flüssigkeiten wie beispielsweise Säuren ver­ besserte Eigenschaften hat.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Vorrichtung zum Abstrahlen von Ultraschallener­ gie in eine Flüssigkeit, mit einem Resonator, welche an wenigstens einen Schall­ wandler gekoppelt ist, ein Schutzrohr vorhanden, welches wenigstens den Resonator dicht umschließt.

Durch das Schutzrohr wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Resonator nicht mehr mit der Flüssigkeit in Berührung kommt, in die die Ultraschallenergie abge­ strahlt werden soll. Er ist somit der Flüssigkeit nicht mehr direkt ausgesetzt, so daß er im Falle von aggressiven Flüssigkeiten wie beispielsweise Säuren von der Flüs­ sigkeit nicht mehr angegriffen werden kann.

In vorteilhafter Weise ist das Schutzrohr mit einer Ultraschall leitenden Flüssigkeit gefüllt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Flüssigkeit entgast ist. Sehr gut geeig­ net hat sich beispielsweise entgastes Wasser.

Durch die Flüssigkeit, welche den Resonator nicht angreift, wird ein sehr guter Wir­ kungsgrad erreicht. Der Wirkungsgrad ist so hoch, daß nahezu nicht feststellbar ist, daß sich der Resonator innerhalb eines Schutzrohres befindet.

Zwar kann bei dem Schutzrohr im Laufe der Zeit auch ein Kavitationsfraß auftreten, da das Schutzrohr jedoch relativ dickwandig sein kann, ist die Standzeit eines mit einem Schutzrohr versehenen Resonators sehr hoch. Darüber hinaus wirkt sich das Schutzrohr sehr günstig auf die Kosten aus, da lediglich das Schutzrohr ausge­ tauscht werden muß und ein Schutzrohr wesentlich preiswerter herstellbar ist, als ein Resonator. Zudem könnte die Oberfläche des Schutzrohrs auch spanabhebend wie beispielsweise durch Drehen so bearbeitet werden, daß sie wieder glatt ist.

Darüber hinaus hat ein aus einem nicht leitenden Material bestehendes Schutzrohr überall dort einen großen Vorteil, wo durch Kavitationslochfraß abgelöste Metallparti­ kel störend sind, wie dies beispielsweise bei der Waferreinigung in der Halbleiter­ technik der Fall ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Schutzrohr aus einem gut Ultraschall leiten­ den Material wie Glas oder Keramik besteht, wie dies bei einer besonderen Ausfüh­ rungsform der Erfindung vorgesehen ist. Dadurch, daß das Schutzrohr aus einem gut Ultraschall leitenden Material besteht, werden die Verluste, die durch das Schutz­ rohr bedingt sind, sehr gering gehalten.

Des weiteren ist es sehr vorteilhaft, wenn das Schutzrohr aus einem Säure resisten­ ten Material wie Glas oder Keramik besteht. Dadurch, daß das Schutzrohr aus einem Säure resistenten Material besteht, läßt sich der Resonator problemlos in einer ag­ gressiven Flüssigkeit verwenden. Durch die Säurebeständigkeit des Materials wird erreicht, daß das Schutzrohr zumindest für eine sehr lange Zeit unbeschädigt bleibt.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, das Schutzrohr aus PVDF- Kunststoff herzustellen. PVDF-Kunststoff hat hervorragende Eigenschaften im Hin­ blick auf eine Leitung des Ultraschalls bei einer sehr hohen Säurebeständigkeit. Ein aus PVDF-Kunststoff hergestelltes Schutzrohr hat somit einen hohen Wirkungsgrad als auch eine sehr lange Standzeit.

Wenngleich PVDF-Kunststoff auch sehr gut zur Herstellung eines Schutzrohrs ge­ eignet ist, so kann das Schutzrohr jedoch aus einem anderen Material bestehen, welches im Hinblick auf eine gute Leitung von Ultraschall sehr hart ist und darüber hinaus resistent gegen die Flüssigkeit, in welcher der Resonator verwendet werden soll.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß an den Stirn­ seiten des Resonators jeweils ein Schallwandler angeordnet ist. Hierbei ist es be­ sonders vorteilhaft, wenn die Schallwandler eine der inneren Kontur des Schutzrohrs entsprechende äußere Kontur haben, wobei zwischen den Schallwandlern und dem Schutzrohr ein Abstand vorhanden ist, der so gering ist, daß in ihn keine Flüssigkeit eindringen kann. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Schallwand­ ler im Schutzrohr nicht besonders befestigt werden müssen. Dadurch, daß die äuße­ re Kontur der Schallwandler an die innere Kontur des Schutzrohrs angepaßt sind, sitzen sie ohne besondere Maßnahmen sehr gut im Schutzrohr.

Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schutzrohr als einseitig offener Zylinder ausgebildet ist, welcher an seinem offenen Ende einen Flansch aufweist. Durch den Flansch läßt sich das Schutzrohr auf sehr einfache Weise mit einem Schallwandler verbinden, da diese häufig zu ihrer Befesti­ gung ebenfalls einen Flansch aufweisen. Des weiteren läßt sich die gesamte Anord­ nung sehr einfach beispielsweise in einem Behälter befestigen.

Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schutzrohr an seinem geschlossenen Ende eine Abschlußkappe aufweist, welche mit dem Schutzrohr verschweißt ist. Durch die Verschweißung der Abschlußkappe mit dem Schutzrohr wird eine sehr zuverlässige und absolut dichte Verbindung der Abschlußkappe mit dem Schutzrohr erreicht. Dies ist besonders wichtig, da das Schutzrohr den vom Resonator abgestrahlten Schwingungen ausgesetzt ist. Ein der­ artiges Schutzrohr läßt sich sehr einfach und damit sehr kostengünstig herstellen.

Das Schutzrohr mit seinem Flansch und der Abschlußkappe kann jedoch auch ein­ stückig ausgebildet sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Dar­ stellung im Schnitt.

Wie der Figur entnommen werden kann, ist ein Resonator 1 mit seinen Stirnseiten mit Koppelelementen 2a', 2b' von Ultraschallwandlern 2a, 2b verbunden. Durch die Ultraschallwandler 2a, 2b wird der Resonator 1 in longitudinale Schwingungen ver­ setzt. Aufgrund der resonanten Länge des Resonators 1 entstehen sogenannte Ra­ dial- oder Dickenschwingungen, was zu einer gürtelförmigen Abstrahlung von Ultra­ schallenergie in die umgebende Flüssigkeit führt. Der Resonator 1 besteht aus einer Titanlegierung. Die aus den beiden Ultraschallwandlern 2a, 2b mit ihren Anschluß­ stücken 2a', 2b' und dem Resonator 1 bestehende Anordnung ist im Inneren eines zylinderförmigen Rohrs 3 angeordnet. Die Ultraschallwandler 2a, 2b sind ebenfalls zylinderförmig, wobei ihr Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Innendurch­ messer des Rohrs 3. Hierdurch besteht zwischen den Ultraschallwandlern 2a, 2b und dem Rohr 3 ein sehr geringer Spalt 8.

Das Rohr 3 ist auf einer Seite mittels einer Abschlußkappe 5 verschlossen. Die Ab­ schlußkappe 5 ist mit dem Rohr 3 verschweißt. Das Rohr 3 sowie die Abschlußkappe 5 bestehen aus einem PVDF-Kunststoff.

Das Innere 9 des Rohres 3 ist mit einem entgasten Wasser gefüllt.

Da zwischen den Ultraschallwandlern 2a, 2b und dem Rohr 3 lediglich ein sehr ge­ ringer Spalt 8 ausgebildet ist, sitzen die Ultraschallwandler 2a, 2b relativ fest im Rohr 3, so daß auf eine besondere Befestigung verzichtet werden kann. Darüber hinaus ist der Spalt 8 so klein, daß in ihn kein Wasser eindringen kann.

An dem der Abschlußkappe 5 gegenüberliegenden Ende weist das Rohr 3 einen Flansch 4 auf, welcher mit dem Rohr 3 verschweißt ist. Der Flansch 4 weist Bohrun­ gen auf, mittels welcher der Flansch 4 befestigbar ist.

Der an dem Ende des Rohrs 3, an dem der Flansch 4 angeordnet ist, angeordnete Ultraschallwandler 2b weist ebenfalls einen Flansch 6 auf. Der Flansch 6 weist Öff­ nungen auf, welche mit den Öffnungen des Flansches 4 des Rohrs 3 korrespondie­ ren. Der Flansch 6 ist mittels Schrauben 7 mit dem Flansch 4 verbunden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Abstrahlen von Ultraschallenergie in eine Flüssigkeit, mit einem Resonator (1), welcher an wenigstens einen Schallwandler (2a, 2b) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzrohr (3) vorhanden ist, welches wenigstens den Resonator (1) dicht umschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (3) mit einer Ultraschall leitenden Flüssigkeit gefüllt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit entgast ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (3) aus einem gut Ultraschall leitenden Material wie Glas oder Keramik besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (3) aus einem säureresistenten Material wie Glas oder Keramik besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (3) aus PVDF-Kunststoff besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten des Resonators (1) jeweils ein Schallwandler (2a, 2b) ange­ ordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (2a, 2b) eine der inneren Kontur des Schutzrohrs (3) entspre­ chende äußere Kontur haben, wobei zwischen den Schallwandlern (2a, 2b) und dem Schutzrohr (3) ein Abstand (8) vorhanden ist, der so gering ist, daß in ihn keine Flüs­ sigkeit eindringen kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (3) als einseitig offener Zylinder ausgebildet ist, welcher an sei­ nem offenen Ende einen Flansch (4) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (3) an seinem geschlossenen Ende eine Abschlußkappe (5) aufweist, welche mit dem Schutzrohr (3) verschweißt ist.