DE102007019492A1

DE102007019492A1 - Ultraschall-Reinigungsgerät

Info

Publication number: DE102007019492A1
Application number: DE200710019492
Authority: DE
Inventors: Heinrich Kuttruff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-10-30

Abstract

Bei größeren Ultraschall-Reinigungsgeräten wird der Ultraschall meist mit einer ebenen, regelmäßigen Anordnung von Ultraschallstrahlern erzeugt, die im Boden oder einer anderen Wand der Reinigungswanne eingelassen sind. Da alle Strahler gleichphasig schwingen, entsteht in der Reinigungswanne eine stehende Ultraschallwelle. Die Reinigungswirkung ist daher sehr ungleichmäßig über das Wannenvolumen verteilt. Durch eine veränderte Betriebsweise der Strahler soll eine bessere Verteilung der Schallenergie und damit eine gleichmäßigere Reinigungswirkung erzielt werden. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass man die einzelnen Strahler mit unterschiedlichen Phasen schwingen lässt, wobei die Phasen möglichst unregelmäßig verteilt sind. Besonders einfach werden solche Phasenunterschiede durch Verwendung von Strahlern unterschiedlicher Polarität oder durch Verpolen ihrer Zuleitungen erzeugt. Auch dabei ist wesentlich, dass die Vorzeichen der Strahlerschwingungen entsprechend einem regellosen Binärarray wechseln. Die Figur zeigt ein geeignetes Vorzeichenmuster für eine 4 x 5 Einzelstrahlern bestehende Strahleranordnung. Eine derart modifizierte Strahleranordnung erzeugt ein Schallfeld mit regellos verteilten Maxima und Minima. Bei einer geringfügigen Änderung der Betriebsfrequenz entsteht eine im allgemeinen Erscheinungsbild ähnliche, im Einzelnen aber ganz andere räumliche Verteilung der Ultraschallenergie. Zur Erzielung einer überall gleichen Reinigungswirkung empfiehlt es ...

Description

Ein Ultraschall-Reinigungsgerät besteht aus einer meist quaderförmigen Wanne, die mit einer geeigneten Reinigungsflüssigkeit gefüllt ist und in der ein starkes Ultraschallfeld erzeugt wird. Die Frequenz des Ultraschalls liegt in der Regel zwischen 20 und 50 kHz. Der zu reinigende Gegenstand wird in die Flüssigkeit eingetaucht. Die akustische Energiedichte muß so hoch sein, daß auf seiner Oberfläche Kavitation entsteht, welche die Reinigung bewirkt.
Das Ultraschallfeld in der Reinigungswanne wird heute meist mit piezoelektrischen, in jedem Fall aber mit elektroakustischen Ultraschallstrahlern erzeugt. Bei größeren Geräten werden mehrere oder gar viele gleichartige Strahler verwendet, die regelmäßig in einer Ebene angeordnet sind. Auf solche Geräte bezieht sich die vorliegende Erfindung. Die Strahler sind meist in den Boden oder eine Seitenwand der Wanne eingelassen oder strahlen auch durch diese hindurch. Eine gebräuchliche Alternative sind flächenhafte Tauchschwinger, die in die Wanne eingelegt oder eingehängt werden. Sie bestehen aus zahlreichen Einzelschwingern in einem flachen Gehäuse.
Jedenfalls wird der Schall in einer größeren Reinigungswanne mit einer ebenen Anordnung gleichartiger Ultraschallstrahler erzeugt, die mit gleichen elektrischen Signalen gespeist werden. Die Strahlergruppe erzeugt als Ganzes eine nahezu ebene Welle, die an der der Strahleranordnung gegenüberliegenden Wand oder an der freien Flüssigkeitsoberfläche fast vollständig reflektiert wird. Durch Überlagerung der reflektierten mit der primären Welle bildet sich eine stehende Welle. Diese kann auch als eine besondere Eigenschwingung des Flüssigkeitsvolumens in der Wanne aufgefasst werden. Sie ist bei Resonanz besonders ausgeprägt, nämlich dann, wenn in die Strecke zwischen der Strahlerebene und der gegenüberliegenden, reflektierenden Ebene eine gerade oder ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen passt, abhängig von der Art der reflektierenden Fläche.
Damit sind zwei wesentliche Probleme solcher Reinigungswannen bereits umrissen: Zum einen muß eine Resonanzbedingung eingehalten werden. Zum anderen tritt starke Kavitation nur in begrenzten Bereichen auf, nämlich dort, wo in der stehenden Welle Maxima des Schalldrucks bezw. der Schallenergiedichte liegen. Daher muß das Reinigungsgut in einen dieser Bereiche gebracht werden, wenn gute Reinigungserfolge erzielt werden sollen. Besonders das letztere stellt eine erhebliche Beeinträchtigung im praktischen Einsatz von Ultraschall-Reinigungsgeräten dar.
Demgemäß besteht die hier gestellte Aufgabe darin, ein möglichst gleichmäßiges Schallfeld und damit eine örtlich gleichmäßigere Reinigungswirkung zu erzielen und zugleich ausgeprägte Resonanzen des Wannenvolumens zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man die einzelnen Ultraschallstrahler mit Wechselspannungen zwar gleicher Frequenz, aber mit teilweise unterschiedlichen Phasen schwingen läßt, wobei die Phasen im Ganzen ein regelloses Muster bilden. Dadurch wird die Beschränkung der Anregung auf eine einzige Eigenschwingung des Flüssigkeitsvolumens aufgehoben. Statt dessen werden sehr viel mehr Eigenschwingungen erregt, nämlich all diejenigen, deren Eigenfrequenzen der Betriebsfrequenz des Geräts hinreichend benachbart sind. Zur näheren Erläuterung sei bemerkt, dass bei üblichen Wannengrößen und Betriebsfrequenzen der mittlere Eigenfrequenzabstand in der Größenordnung von wenigen Hertz liegt, während die mittlere Halbwertsbreite einer Eigenfrequenz zwischen 50 und 100 betragen dürfte. Im einzelnen hängt die Zahl der gleichzeitig erregten Eigenschwingungen von der Größe der Wanne, der Betriebsfrequenz und den akustischen Verlusten ab, welche die Halbwertsbreiten der Resonanzen bestimmen (s. H. Kuttruff, Akustik – Eine Einführung, Kapitel 9. S. Hirzel Verlag Stuttgart 2004).
Am einfachsten lassen sich die erforderlichen Phasenunterschiede dadurch erzielen, dass man die einzelnen Elemente der Strahleranordnung teilweise gegenphasig schwingen lässt, sei es durch Verwendung von Strahlern unterschiedlicher Polarität, oder aber durch Verpolen ihrer elektrischen Anschlüsse. Das Muster der Phasen wird dadurch zu einem Binärmuster oder Vorzeichenmuster, das auch hier regellos sein muß, damit die beabsichtigte Wirkung eintritt.
Das allgemeine Kriterium für die Unregelmäßigkeit eines regellosen Musters oder Arrays ist seine räumliche Autokorrelationsfunktion. Im vorliegenden Fall soll sie außer einem starken Hauptmaximum möglichst kleine Nebenwerte enthalten. (s. z. B. H. D. Lüke, Autokorrelationssignale, Kapitel 14. Springer Verlag 1992). Dies gilt auch für binäre Muster, d. h. für Vorzeichenmuster.
Die im Sinne der oben genannten Anwendung günstigen Vorzeichenmuster hängen von der Anzahl der Ultraschallstrahler und ihrer geometrischen Anordnung ab, wobei es für eine gegebene Konfiguration mehrere geeignete Muster geben kann. Die 1a und 1b zeigen Beispiele von geeigneten Vorzeichenmuster für rechteckige Strahlerkonfigurationen mit fünf „Spalten” und vier „Zeilen" bezw. sechs Spalten und fünf Zeilen. Ein zweckmäßiges Vorzeichenmuster für eine Konfiguration, bei der 11 Strahler in drei Zeilen „auf Lücke" angeordnet sind, ist in 2 gezeigt.
Die große Mannigfaltigkeit gleichzeitig erregter Eigenschwingungen, wie sie bei einer Strahleranordnung der hier beschriebenen Art entsteht, führt zu einer unregelmäßigen, im Ganzen aber wesentlich gleichmäßigeren Verteilung der Schallenergiedichte in der Wanne. Natürlich treten auch in dem so modifizierten Schallfeld Maxima und Minima der Schallenergiedichte auf; diese sind aber weniger ausgeprägt und unregelmäßig angeordnet.
Besonders wichtig ist, dass sich schon bei einer geringfügig veränderten Betriebsfrequenz eine im allgemeinen Charakter ähnliche, im einzelnen aber völlig andere Verteilung der Energiedichte ergibt. Dieser Sachverhalt macht es möglich, die verbleibenden Schwankungen der Energiedichte herauszumitteln. Hierzu wird das Reinigungsgerät abwechselnd mit leicht unterschiedlichen Frequenzen betrieben. Auch eine geringfügige Frequenzmodulation führt zu diesem Ergebnis.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- (s. H. Kuttruff, Akustik – Eine Einführung, Kapitel 9. S. Hirzel Verlag Stuttgart 2004) [0006]
- (s. z. B. H. D. Lüke, Autokorrelationssignale, Kapitel 14. Springer Verlag 1992) [0008]

Claims

Ultraschall-Reinigungsgerät, bei dem der Ultraschall mit einer regelmäßigen, ebenen Anordnung von mehreren Ultraschallstrahlern erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Strahler mit gleicher Frequenz, aber mit teilweise unterschiedlichen Phasen betrieben werden, die zusammengenommen ein unregelmäßiges Muster bilden.
Ultraschall-Reinigungsgerät nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenunterschiede aus unterschiedlichen Vorzeichen der Strahlerschwingungen bestehen, die ein unregelmäßiges Binärmuster bilden.
Ultraschall-Reinigungsgerät nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Vorzeichen durch verschiedene Polaritäten der einzelnen Strahler erzeugt werden.
Ultraschall-Reinigungsgerät nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Vorzeichen durch Verpolen der elektrischen Zuleitungen der einzelnen Strahler erzeugt werden.
Ultraschall-Reinigungsgerät nach Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung mit einer frequenzmodulierten Spannung betrieben wird.