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Die Erfindung betrifft eine Ultraschallanordnung
zur Beschallung von flüssigen
oder pastösen Medien
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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In der Leistungs-Ultraschalltechnik,
z.B. in der Oberflächentechnik,
werden mit Ultraschall-Schwingsystemen sogenannte Ultraschall-Tauchschwinger,
-Schwingplatten oder Metallbehältnisse/Wannen
bestückt,
um Reinigungsobjekte in flüssigen
Medien zu beschallen. Die Ultraschall-Installationen erfolgen dabei
aus praktischen und Kostengründen überwiegend
im Bodenbereich der Behältnisse.
Die ebenen, meist aus Blechen oder Kunststoff bestehenden Abstrahlflächen sind
dabei auf der dem Medium abgewandten Seite mit mehreren als piezoelektrische
Wandler ausgebildeten Ultraschall-Schwingsystemen bestückt. Um
den elektrischen Aufwand bei der Versorgung mehrerer Ultraschallsysteme
gering zu halten, werden die paral lelgeschalteten Ultraschall-Schwingsysteme
von einem einzigen HF-Generator versorgt.
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Die ebene akustische Abstrahlfläche erzeugt in
der Flüssigkeit
ein anisotropes Ultraschallfeld mit gerichteten ebenen Wellenfronten.
Das begünstigt die
Ausbildung stehender Wellen im Bad, mit unterschiedlichen Intensitätszonen
und Reflexionen an den Grenzflächen.
Die spezifischen Wellenwiderstände
von Flüssigkeiten
sind in der Regel um drei bis vier Größenordnungen größer als
die von Gasen. Unter Normalbedingungen beträgt der akustische Wellenwiderstand
für Wasser
z0 = 15 × 104g/cm2s, für Luft
z0 = 45g/cm2s .
Der energetische und auch Amplitudenreflexionskoeffizient beträgt fast
0,99; d.h. aus der Flüssigkeit
in die Luft gelangen nur ca. 0,2% der Ultraschallenergie. Ultraschallwellen
unterliegen damit an der Grenze Flüssigkeit – Gas fast einer vollständigen Reflexion.
Damit treten besonders den aktiven akustischen Abstrahlflächen im
Bodenbereich gegenüber – an der
Grenzfläche
Flüssigkeit/Luft – mehr oder
weniger starke Totalreflexionen von Ultraschallwellen auf; eine
ebene Geräteaufstellung
vorausgesetzt.
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Beträgt die Höhe der Flüssigkeitsschicht über der
ebenen Abstrahlfläche
bis zur Grenzfläche ein
Vielfaches der halben Wellenlänge
des Ultraschalls in der Flüssigkeit,
tritt für
diese Ultraschall-Schwingsysteme
eine stehende Welle in der Flüssigkeit
auf. Besonders störend
wirkt sich das bei Reinigungsanwendungen aus, bei denen zur Erreichung
einer hohen Energiedichte nur eine geringe Flüssigkeitsschicht über der
Abstrahlfläche
mit den Schwingsystemen zur Ankopplung an zu beschallende Objekte
nötig ist.
Entspricht die Flüssigkeitshöhe etwa
nur einer halben oder einem Ganzen der Wellenlänge, treten durch die stehenden
Wellen Extremwerte des akustischen Wider standes an den Schwingsystemen
auf, die zu elektrischen Extremwerten im HF-Kreis führen. Ultraschall-Schwingsysteme für die momentan
ein Extremwert vorliegt, nehmen extrem viel oder sehr wenig elektrische
Leistung aus dem speisenden HF-Generator auf.
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Bei längerer Betriebszeit werden
diejenigen Ultraschall-Schwingsysteme geschädigt, die ständig eine
zu hohe Strom- und damit Leistungsaufnahme haben.
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In technischen Anwendungen ist die
Flüssigkeitsschicht
selten gleichmäßig über die
Ultraschall-Schwingsysteme
verteilt, bedingt durch Justagefehler, Reinigungsgut, Wellenbewegung
und andere Einflüsse.
Die Extremwerte sind jedoch bei Auftreten von stehenden Wellen immer
vorhanden.
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Ein weiterer Nachteil großflächiger ebener Ultraschall-Abstrahlplatten
besteht auch darin, daß sie
wenig biegesteif sind und gegen das Auftreten unerwünschter
Blechbiegeresonanzen und dadurch verursachter Kavitationsschäden erhebliche
Gegenmittel angewendet werden müssen.
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Stellvertretend für die vielen Ausführungsformen
von Ultraschallgebern mit ebener flächiger Abstrahlfläche seien
die in den Patentschriften
DE
3 933 519 ,
DE 4 115
096 ,
EP 0 552 696 ,
DE 3 114 657 und
DE 1 929 936 beschriebenen
Ausführungsformen angeführt, die
alle die oben beschriebenen Nachteile aufweisen.
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CH
33 94 13 betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Platten,
Blechen, Drähten
und Rohren mit Ultraschall, bei dem der zu reinigende Körper zwecks Erregung
einer Eigenschwingung desselben unter einem spitzen Winkel von den
Ultraschallwellen beaufschlagt wird. Ziel dieses Standes der Technik
ist somit, verschiedene Reinigungsobjekte jeweils in ihrer mechanischen Eigenfrequenz
zu erregen, die extrem stark von der Festkörpergeometrie abhängig ist.
Wesentliche Voraussetzung dafür
ist die Übereinstimmung
der Wellenlänge
der einzig möglichen
longitudinalen Anregungswelle im wäßrigen Medium, mit der Wellenlänge im Festkörper (z.B.
Plattenwelle) bei gleicher Frequenz. Im praktischen Fall bedeutet
dies in jedem Fall eine exakte Winkelabstimmung auf Gleichheit der
Resonanzfrequenz des Ultraschallstrahlers – mit der dabei wirksamen Wellenlänge im wäßrigen Medium – auf die
Wellenlänge
des Objektes bei seiner Eigenfrequenz.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallanordnung zur
Beschallung von flüssigen
oder pastösen
Medien mit einer mit Ultraschall-Schwingsystemen bestückte und
relativ biegesteifen Ultraschall-Abstrahlplatte zu schaffen, die
stehende Wellen an der Grenzfläche
Medium – Luft
oder Gas minimiert und dadurch die Stromaufnahme aller Ultraschall-Schwingsysteme
auf die ca. gleiche Größenordnung
nivelliert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche und
den Ausführungsbeispielen.
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Zur Lösung der Aufgabe führt, daß eine mit Ultraschall-Schwingsystemen
bestückte
Ultraschall-Abstrahlplatte
in mehrere, verschieden große, miteinander
verbundene akustisch wirksame Teilflächen mit Ultraschall-Schwingsystemen
aufgeteilt wird. Die akustisch wirksamen Teilflächen wirken versteifend und
sind in Abstrahlrichtung gegeneinander und gegenüber der Normalen der Grenzfläche um einige
Grad geneigt. Die Flächen
der akustisch wirksamen Teilflächen
der Abstrahlplatte sind unterschiedlich groß, je nach Bestückung mit
einzelnen als auch Gruppen von Ultraschall-Schwing-systemen. Aus Fertigungsgründen können sich
zwischen den akustisch wirksamen Teilflächen als auch zu Randzonen passive
Flächen
befinden, die nicht direkt durch Ultraschall-Schwingsysteme akustisch
erregt werden.
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Übliche
technologische Mittel der Blechverarbeitung, wie Abkanten, Pressen
etc. erlauben eine unterschiedliche Formgebung und Ausführungsbeispiele
der Erfindung, welche in den nachfolgenden Zeichnungen prinzipiell
dargestellt und beschrieben sind. Nicht erläutert und gezeigt ist der detaillierte Aufbau
der an sich bekannten Ultraschall-Schwingsysteme, ihre Verdrahtung
und Speisung durch einen Hochfrequenzgenerator. Es zeigen:
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1 eine
Anordnung einer mit Ultraschall-Schwingsystemen
bestückten
ebenen Ultraschall-Abstrahlplatte nach dem Stand der Technik,
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2 eine
erfindungsgemäße Ultraschallanordnung
mit Ultraschall-Abstrahlplatte, die mehrere direkt miteinander gekoppelte
akustische Teilflächen aufweist,
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3 ein
auf 2 aufbauendes Ausführungsbeispiel,
wobei die akustischen Teilflächen durch
passive Zonen getrennt sind und passive Randzonen aufweisen, die
nicht akustisch erregt werden,
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4 ein
weiteres Beispiel für
eingedrückte/eingepreßte Formen
von akustischen Teilflächen in
eine Abstrahlplatte,
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5 ein
Ausführungsbeispiel,
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6 eine
Ultraschallanordnung.
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Die 1 zeigt
prinzipiell eine herkömmliche Anordnung
mit einer Abstrahlplatte 3, die mit Ultraschall-Schwingsystemen 2 bestückt ist
und Ultraschall in eine Flüssigkeit
einstrahlt. An der Grenzschicht Flüssigkeit – Gas, typischerweise Luft 4 treten Reflexionen
auf, wobei symbolisch die Reflexion einer Welle mit um 90° gedrehten
Verlauf dargestellt ist. Der Abstand zwischen Abstrahlplatte 3 und Grenzfläche 4 beträgt in diesem
Beispiel eine halbe akustische Wellenlänge in der Flüssigkeit
und bewirkt für
einen Großteil
der abgestrahlten Wellen jedes Ultraschall-Schwingsystems 2 Totalreflexion
und führt damit
zu Extremwerten des akustischen Widerstandes.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
mit Ultraschall-Abstrahlplatte, bestehend aus mehreren akustisch
wirksamen Teilflächen 1 dargestellt,
deren Abstrahlrichtung zur Grenzfläche Flüssigkeit – Luft 4 um einen
Winkel α von
vorzugsweise 10° bis
30° gegenüber der
Normalen zur Grenzfläche 4 geneigt
ist. In dem dargestellten Fall sind die akustischen Teilflächen 1 gegeneinander
geneigt und bilden quasi Bahnen eines mehrfach gekanteten Bleches,
welches z.B. ein Boden eines Beschallungsbehältnisses sein kann. Durch die
Aufteilung der Abstrahlplatte in mehrere akustische Teilflächen wird
insgesamt eine hohe Biegesteifigkeit erzielt.
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Aufgrund der Neigung der Teilflächen kommt es
auch bei einer kritischen Füllstandshöhe von z.B. einer
halben oder einem Ganzen der akustischen Wellenlänge in der Flüssigkeit
nicht zu stehenden Wellen zwischen den Ultraschallwellen aussendenden
Wandlern 2 und der Grenzfläche 4. Das träfe auch
für einen
höheren
Füllstand
und einem eingetauchten Reinigungsgut zu, von dessen Unterfläche bis
zur Abstrahlfläche
der gleiche Abstand zustande käme.
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3 zeigt
ein auf 2 aufbauendes
Ausführungsbeispiel,
bei dem die Abstrahlplatte 3 sägezahnförmig ausgebildet ist und Teilflächen 1 gleichen Neigungswinkels α gegenüber der
Normalen zur Grenzfläche 4 aufweist.
Die schrägen
Teilflächen 1 sind über kleinere
senkrechte Teilflächen 5 miteinander
verbunden und zur Randzone hin sind waagerechte Teilflächen 5 vorgesehen.
Auch hier beträgt der
Neigungswinkel α mindestens
10° bis
maximal 30°.
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In 4 ist
in Anlehnung an 2 und 3 ein Beispiel für ein eingeprägtes gleichmäßiges Muster von
akustischen Teilflächen 1 in
eine Ultraschall-Abstrahlplatte 3 angegeben, deren Neigungswinkel α ebenfalls
zwischen 10° und
30° liegt.
Das einer Dachform ähnelnde
Muster kann entsprechend der Anzahl von Ultraschallsystemen pro
akustischer Teilfläche unterschiedlich
groß sein.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem zwischen den geneigten Teilflächen 1 waagerechte
Teilflächen 5 angeordnet
sind. Das Prinzip der Vermeidung stehender Wellen wird auch dann
nicht verletzt, wenn zwischen den schrägen akustisch wirksamen Teilflächen 1 die
waagerechten Flächen 5 angeordnet
sind. Das kann aus technologischen Gründen vorteilhaft sein, zum
Beispiel zur Vermeidung des Aufliegens von Reinigungsgut auf den
Biegekanten der Ultraschall-Abstrahlplatte.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel darge stellt,
bei dem ein oder mehrere Schwingsysteme 2 jeweils zwei
geneigten Teilflächen 1 zugeordnet sind.
Die Schwingsysteme 2 sind dabei jeweils an den Übergangsbereichen
zwischen einer akustisch wirksamen Teilfläche mit der einen Neigung und
einer anderen akustisch wirksamen Teilfläche mit einer anderen Neigung
zugeordnet. Die Ultraschall-Schwingsysteme 2 schwingen
dabei in Normalenrichtung zur Grenzfläche Flüssigkeit – Luft 4. Die akustisch
wirksamen Teilflächen 1 liegen
aber trotzdem nicht parallel zur Grenzfläche Flüssigkeit – Luft 4. Auf diese Weise
werden ebenfalls stehende Wellen des Ultraschalls verhindert.
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In nicht gezeigten Ausführungsformen
sind auch akustisch wirksame Teilflächen durch pyramidenähnliche
Prägungen
in einer Abstrahlplatte denkbar, als auch die Verwendung der jeweiligen
Negativform und die Anwendung unterschiedlicher Neigungswinkel α auf einer
Ultraschall-Abstrahlplatte.
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Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau
einer Ultraschall-Abstrahlplatte
aus miteinander verbundenen und gering gegeneinander geneigten akustischen
Teilflächen
in Bezug auf die Normale zur Grenzschicht/Grenzfläche Flüssigkeit – Luft,
bei Flüssigkeitshöhen bis
zu einer Grenzschicht von ca. einem Vielfachen der halben Wellenlänge – besonders
einer halben oder einem Ganzen der Wellenlänge – werden stehende Wellen weitestgehend
vermieden. Extremwerte von akustischen Widerständen der Ultraschall-Schwingsysteme
auf den akustischen Teilflächen,
die zu elektrischen Extremwerten im HF-Kreis führen, treten nicht mehr auf.
Die elektrische Leistung des HF-Generators verteilt sich gleichmäßig auf
alle Ultraschall-Schwingsysteme, entsprechend adäquater Einzelstromaufnahmen.
Die Aufteilung der Abstrahlplatte in mehrere akustisch wirksame Teilflächen bewirkt
eine hohe Plattensteifigkeit und vermindert die kavitationsbedingte
Erosion durch Biegeresonanzen.