DE102015105038A1

DE102015105038A1 - Sonotrode zur Übertragung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall und Vorrichtung zur Erzeugung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall mit Sonotrode

Info

Publication number: DE102015105038A1
Application number: DE102015105038.2A
Authority: DE
Inventors: Harald Hielscher; Thomas Hielscher; Holger Hielscher
Original assignee: Dr Hielscher GmbH
Current assignee: Dr Hielscher GmbH
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2015-10-08
Also published as: US9724781B2; US20150314391A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode (1) für eine Vorrichtung (40) zur Erzeugung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall. Um die Sonotrode auch mit aus spröden Materialen hergestellten Elementen (2, 3) fertigen und dauerhaft betreiben zu können, ist die Sonotrode (1) mit wenigstens zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Elementen (2, 3) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode zur Übertragung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall, für eine Vorrichtung zur Erzeugung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall, wobei die Sonotrode mehrere Elemente aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall mit einer Sonotrode.
Bei bekannten Sonotroden sind die Elemente kraft- oder formschlüssig miteinander verbunden. Kraft- und formschlüssige Verbindungen haben jedoch den Nachteil, dass die Auswahl an miteinander verbindbaren Materialien eingeschränkt ist. So sind Schraubverbindungen spröder Materialien oftmals nicht in der Lage, mechanischen Belastungen, insbesondere Zugbelastungen, zu widerstehen, da beispielsweise Gewinde aus dem spröden Material unter der mechanischen Last brechen. Insbesondere die kraftschlüssige Schraubverbindung selbst erzeugt jedoch eine mechanische Zugbelastung, die gerade spröde Materialien überlasten kann. Spätestens im Betrieb, also wenn die Sonotrode Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall übertragen soll, versagen gerade kraftschlüssige Schraubverbindungen spröder Elemente unter der eigenen Zuglast und den Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschallschwingungen.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Sonotrode und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall mit einer Sonotrode bereitzustellen, wobei Elemente der Sonotrode dauerhaft aneinander befestigt sein können und die Sonotrode dauerhaft betrieben werden kann, selbst wenn zumindest eines der Elemente aus einem spröden Material gefertigt ist.
Für die eingangs genannte Sonotrode ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest zwei der mehreren Elemente stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Für die eingangs genannte Vorrichtung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Sonotrode eine erfindungsgemäße Sonotrode ist.
Durch die stoffschlüssige Verbindung der zumindest zwei der mehreren Elemente miteinander braucht keines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente für die Befestigung der Elemente aneinander mit Strukturen, zum Beispiel ein Gewinde, ausgeformt sein, die unter mechanischer Last auf Grund der Sprödigkeit des Materials des Elementes brechen.
Ferner können die beiden Elemente einfacher und Material sparender hergestellt werden, da sie nicht mit Verbindungsstrukturen, beispielsweise Innengewinde aufweisende Bohrungen oder Außengewinde aufweisende Stifte, auszuformen sind, um die beiden Elemente aneinander zu befestigen.
Darüber hinaus weist die stoffschlüssige Verbindung der beiden Elemente miteinander eine höhere Zugfestigkeit auf, als die Schraubverbindung eines der beiden Elemente aus einem spröden Material mit dem anderen der beiden Elemente.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So kann eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente aus einem anderen Material gefertigt sein, als ein anderes der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente. Das Material eines der miteinander stoffschlüssig verbundenen Elemente kann beispielsweise so ausgewählt sein, dass es einem Fluid, in das es Ultraschall einleiten soll, widersteht. Das Fluid kann zum Beispiel ein chemisch reaktives oder heißes Fluid, zum Beispiel eine Schmelze, sein. Beispielsweise aus Kostengründen kann das andere der stoffschlüssigen miteinander verbundenen Elemente aus einem anderen Material gefertigt sein, das dem Fluid womöglich nicht widersteht und das beispielsweise bei direktem Kontakt mit der Schmelze schmelzen würde.
Zumindest eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente kann aus einem Glas- oder einem Keramikmaterial gefertigt sein oder sogar aus dem Glas- oder dem Keramikmaterial bestehen. Insbesondere kann ein Grundkörper dieses Elementes aus dem Glas- oder dem Keramikmaterial bestehen und optional mit einer Verbindungsschicht versehen sein. Die Verbindungsschicht kann zur Erzeugung des Stoffschlusses an einer Verbindungsfläche des Elementes angeordnet sein. Alternativ kann das Keramikmaterial selbst ausgebildet sein, die Erzeugung des Stoffschlusses zu ermöglichen. Insbesondere kann das Keramikmaterial lötbar sein und hierzu optional einen Metallanteil aufweisen. Ist eines der beiden Elemente aus einem Glasmaterial, zum Beispiel Quarzglas, gefertigt, kann es durch Verwendung von Glaslot stoffschlüssig mit dem anderen der beiden Elemente verbunden sein.
Vorzugsweise ist zumindest eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente ein Lambda/2-Element. Beispielsweise können beide oder sogar alle der mehreren Elemente Lambda/2-Elemente sein.
Mindestens eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente kann als ein Hohlkörper ausgebildet sein. Insbesondere das Element, das zur Einleitung von Ultraschall in ein Material mit diesem Material in Kontakt gebracht werden soll, kann ein solcher Hohlkörper sein. Somit kann das Material beispielsweise in das als Hohlkörper ausgestaltete Element eingefüllt werden, um dort mit Ultraschall beschallt zu werden.
Zumindest eines der miteinander stoffschlüssig verbundenen Elemente kann ein zylindrischer Körper und zum Beispiel ein hohlzylindrischer Körper sein. Zylindrische beziehungsweise hohlzylindrische Körper lassen sich leichter herstellen als Freiformkörper.
Insbesondere kann zumindest eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente und beispielsweise das Element, das den Ultraschall in das zu beschallende Material einleiten soll, ein Rohrsegment sein. Rohrsegmente sind besonders einfach zu fertigen, wobei deren Länge ohne weiteres an eine für die Beschallung benötigte Länge anpassbar ist.
Wenigstens eines der stoffschlüssigen miteinander verbundenen Elemente und insbesondere das Element, das zur Beschallung mit dem zu beschallenden Material in Kontakt gebracht werden soll, kann ausgebildet sein, um von einem Fluid durchströmbar zu sein. Das Fluid kann mit Ultraschall behandelt werden, während es durch das durchströmbare Element hindurchströmt. Hierdurch können größere Mengen an Fluid einfach beschallt werden, ohne dass das Fluid chargenweise dem Element zugeführt zu werden braucht. Alternativ kann das Fluid ein Kühlfluid, etwa ein inertes Gas oder eine Flüssigkeit, sein.
Die Sonotrode kann mit einer vordefinierten Hauptausbreitungsrichtung für Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall ausgebildet sein. Zum Beispiel kann sich die Hauptausbreitungsrichtung entlang einer Längsrichtung der Sonotrode, die beispielsweise zylindrisch ausgestaltet sein kann, erstrecken. Die zumindest zwei der mehreren stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente weisen vorzugsweise jeweils eine Verbindungsfläche auf. Die Verbindungsflächen der beiden Elemente weisen im miteinander verbundenen Zustand der Elemente aufeinander zu und verbinden die Elemente stoffschlüssig, beispielsweise mit einem Verbindungsabschnitt der Sonotrode. Die Verbindungsflächen können durch aufgebrachte Schichten, beispielsweise eine metallische Schicht, ausgebildet sein. Zumindest eine der Verbindungsflächen kann wenigstens abschnittsweise oder sogar vollständig senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung ausgerichtet sein. In und entgegen der Hauptausbreitungsrichtung können die stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente, beziehungsweise deren Verbindungsflächen, den Verbindungsabschnitt begrenzen. Hierdurch kann auch der Verbindungsabschnitt wenigstens abschnittsweise oder sogar vollständig senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung ausgerichtet sein. Durch die senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung verlaufende Verbindungsfläche wird der durch den Resonator laufende Ultraschall quer zur Hauptausbreitungsrichtung nicht inhomogen beeinträchtigt.
Wenigstens eine der Verbindungsflächen kann ring- oder hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Hierdurch ist die Gesamtfläche der stoffschlüssig miteinander verbundenen Verbindungsflächen im Vergleich zu einer scheibenförmigen Verbindungsfläche verringert. Insbesondere bei der Übertragung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall-Schwingungen auf fließfähige Medien, beispielsweise eine Schmelze einer Metalllegierung, ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungsfläche zwischen den stoffschlüssig miteinander verbundenen Elementen möglichst gering ist. Beispielsweise leiten kleinere Verbindungsflächen Wärme schlechter als größere Verbindungsflächen, sodass beispielsweise hohe Temperaturen der zu beschallenden Schmelze der Metalllegierung von der Schmelze beabstandete Elemente der Sonotrode weniger beeinträchtigen.
Ringförmig ausgeformte Verbindungsflächen können beispielsweise senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung, also in einer senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung verlaufenden Ebene, angeordnet sein. Hohlzylinderförmig ausgeformte Verbindungsflächen können senkrecht oder alternativ parallel zur Hauptausbreitungsrichtung verlaufen. Insbesondere Mantelflächen und/oder eine Längsachse der hohlzylinderförmigen Verbindungsflächen können parallel zur Hauptausbreitungsrichtung verlaufen. Hierdurch kann der Aufbau des Resonators an dessen Einsatz flexibel angepasst sein.
Die Vorrichtung kann im Betrieb Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall (NFLUS) als eine stehende Welle in der Sonotrode erzeugen. Die Verbindungsfläche ist vorzugsweise beabstandet zu einem Schwingungsknoten und beispielsweise im Bereich eines Schwingungsmaximums, vor allem im Schwingungsmaximum, angeordnet.
Zur stoffschlüssigen Verbindung der Elemente miteinander können die Elemente miteinander verklebt, verlötet oder verschweißt sein. Elemente aus einem nichtmetallischen Material können mit einer metallischen Schicht versehen sein, um diese stoffschlüssig mit dem jeweils anderen Element verbinden und beispielsweise mit einem Metalllot verlöten zu können.
Die Sonotrode zur Übertragung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall-Schwingungen (NFLUS-Schwingungen) auf ein fließfähiges Medium oder einen Feststoff weist also aus mindestens zwei stoffschlüssig miteinander verbundene Elemente, die als Materialstücke bezeichnet werden können, auf.
Ein fließfähiges Medium kann eine Flüssigkeit, ein Kondensat, eine Schmelze, eine Lösung, eine Emulsion, eine Dispersion oder eine Suspension, ein Gemisch, ein überkritisches Fluid, eine kristallisierende Schmelze oder ein Fluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit oder eine Schmelze sein. Fließfähige Medien können unterschiedliche Viskositäten von 0 cP (0 Ns/m²) bis 3·10¹⁰ cP (3·10¹¹Ns/m²), vorzugsweise von 0,1 cP (1 Ns/m²) bis 1·10⁶ cP (1·10⁷ Ns/m²) aufweisen.
Die Sonotrode kann ausgebildet sein, NFLUS-Schwingungen auf ein fließfähiges Medium oder einen Feststoff bei beliebigen Temperaturen, vorzugsweise bei Temperaturen von über 400–1100 K, z. B. bei 1000K zu übertragen.
Ein geringerer Druck (Unterdruck) liegt zwischen Vakuum (0 bar absolut) und Umgebungsdruck (zum Beispiel 1 bar absolut), zum Beispiel bei 0,5 bar vor. Ein höherer Druck (Überdruck) liegt vor, wenn der Druck über dem Umgebungsdruck liegt und zum Beispiel 1,5 bar beträgt.
Die Sonotrode kann ausgebildet sein, NFLUS-Schwingungen in fließfähige Medien in nichtatmosphärischer Umgebung, zum Beispiel in geschlossenen Behältern, beispielsweise ein Reaktor, unter vom atmosphärischen Umgebungsdruck abweichenden Drücken, zum Beispiel bei geringerem Druck, im Vakuum oder unter erhöhten Drücken und in Gegenwart besonderer Umgebungsgase, zum Beispiel Argon oder andere Schutzgase, oder in besonders trockenen oder feuchten, beziehungsweise kalten oder heißen Umgebungsbedingungen, zu übertragen.
Um NFLUS in einen solchen Behälter oder in ein Gefäß, also in den Reaktor, einzubringen, kann entweder die Behälter- oder die Gefäßwand durch ein außen angebrachtes NFLUS-System in Schwingungen versetzt werden, oder ein NFLUS-Schallwandler vollständig im womöglich unter Druck stehenden Behälter- oder Gefäßinnenraum eingebaut sein. Alternativ kann sich der NFLUS-Erreger oder -Erzeuger, zum Beispiel ein piezoelektrischer linearer Schallwandler, außerhalb des Gefäßes oder Behälters befinden und die Schwingungen über ein oder mehrere Sonotroden oder Sonotrodenelemente in den Behälter- oder Gefäßinnenraum geführt werden.
Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Materialstücken, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Liquidustemperatur der Grundwerkstoffe der Materialstücke wird nicht erreicht. Beim Löten ist die chemische Bindung gleich, aber die Art der chemischen Zusammensetzung der Verbindung unterscheidet sich. Nach dem Erstarren des Lotes ist eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Als Verbindungsmaterial dient meist eine leicht schmelzbare Metalllegierung, das Lot. Keramik- und Glasbauteile können mit Glaslot oder – wenn sie vorher metallisiert wurden – mit Metalllot und Metallteilen verbunden werden. Ein Kennzeichen einer Lötverbindung ist die intermetallische Verbindung. In dieser dünnen Schicht bilden der Grundwerkstoff und das Lot eine Legierung und gehen eine feste Verbindung ein.
Schweißen ist das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme und/oder Druck, mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffen. Beim Schmelzschweißen werden die zu verbindenden Werkstoffe bis zu ihrer Verflüssigung erhitzt und vermischen sich, so dass sie nach dem Erstarren fest miteinander verbunden sind. Beim Schweißen wird die Liquidustemperatur der zu verbindenden Materialstücke erreicht.
Die Hauptausbreitungsrichtung der übertragenen Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall-Schwingungen (NFLUS-Schwingungen) kann zum Beispiel entlang der Längsachse der Sonotrode verlaufen.
Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall (NFLUS) ist Ultraschall mit einer Arbeitsfrequenz von 15 bis 200 kHz, vorzugsweise 15 bis 60 kHz, zum Beispiel 20 kHz, und einer Schallleistung über 10 W, vorzugsweise 100 W bis 20.000 W, zum Beispiel 1.000 W. Zur Erzeugung des Ultraschalls werden beispielsweise piezokeramische oder magnetostriktive Systeme verwendet. Es sind lineare Schallwandler und flächige oder gewölbte Plattenschwinger oder Rohrresonatoren als Ultraschallerzeuger bekannt. Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall findet unter anderem in der Behandlung von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Dispersionen, Emulsionen, Farben und Nanomaterialien Verwendung. Dafür wird Ultraschall über die Sonotrode zum Beispiel mit Amplituden von 1 µm bis 350 µm, vorzugsweise 10 µm bis 80 µm, zum Beispiel 35 µm in Flüssigkeiten übertragen.
Lambda ist die Wellenlänge des Ultraschalls in der Sonotrode, welche sich aus der NFLUS-Frequenz und der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Sonotrode ergibt. Ein Hochfrequenzschwingsystem kann aus einem oder mehreren Lambda/2-Elementen bestehen. Ein aus mehreren Lambda/2-Elementen bestehendes Hochfrequenzschwingsystem kann aus einem Materialstück entsprechender Länge gefertigt oder aus mehreren stoffschlüssig miteinander verbundenen Elementen der Länge n·Lambda/2 (n ist eine natürliche Zahl), zusammengesetzt sein. Lambda/2-Elemente können verschiedene Materialquerschnittgeometrien, zum Beispiel kreisförmige, ovale oder rechteckige Querschnitte aufweisen. Die Querschnittsgeometrie und -fläche kann entlang der Längsachse eines Lambda/2-Elements variieren. Die Querschnittfläche kann zwischen 0,01 cm² und 300 cm², vorzugsweise zwischen 10 cm ² und 40 cm², zum Beispiel 9 cm² betragen. Lambda/2-Elemente können unter anderem aus metallischen oder keramischen Materialien oder aus Glas, insbesondere aus Titan, Titanlegierungen, Stahl oder Stahllegierungen, Aluminium oder Aluminiumlegierungen, zum Beispiel aus Titan Grade 5, gefertigt sein. Ein Lambda/2-Element kann aus einem Materialstück entsprechender Länge gefertigt sein oder aus mehreren miteinander verbundenen Materialstücken beziehungsweise Elementen bestehen.
Insbesondere bei der Übertragung von NFLUS-Schwingungen auf fließfähige Medien, zum Beispiel eine Schmelze einer Metalllegierung, ist es vorteilhaft, wenn die Kontaktfläche zwischen den stoffschlüssig miteinander verbundenen Materialstücken möglichst gering gehalten ist. Dies kann zum Beispiel durch ein ringförmiges Verlöten erreicht werden, insbesondere, wenn ein Materialstück, zum Beispiel das mit dem fließfähigen Medium in Kontakt stehende Materialstück ein Hohlkörper mit runder Querschnittsgeometrie ist. Außerdem kann das mit dem fließfähigen Medium in Kontakt stehende Materialstück in einer vorteilhaften Ausführung aus einer gut wärmeleitenden Keramik bestehen. Um ein Schmelzen des Lotes während des Betriebes zu verhindern, ist eine Länge eines solchen keramischen Materialstücks von mehr als 100 mm, vorzugsweise 200 bis 1500 mm, zum Beispiel 550 mm vorteilhaft. Ein Durch- oder Umströmen des mit dem fließfähigen Medium in Kontakt stehenden Materialstücks mit einem Temperierfluid, wie zum Beispiel einem Schutzgas, ist geeignet, die Wärmeübertragung vom fließfähigen Medium auf die Lötstelle deutlich zu verringern.
Eine solche Sonotrode ist geeignet, die durch einen NFLUS-Erreger oder -Erzeuger auf die Sonotrode übertragenen NFLUS-Schwingungen auf ein fließfähiges Medium oder einen Feststoff zu übertragen.
Bei der Verwendung eines hohlkörperförmigen Materialstücks ist auch eine NFLUS-Übertragung auf ein den Hohlkörper mindestens teilweise durchströmendes fließfähiges Medium möglich.
In allen vorteilhaften Ausgestaltungsformen kann das in der Längsrichtung letzte Element der Sonotrode aus demselben oder aus einem anderen Material als eines der anderen Elemente der Sonotrode ausgebildet sein. Insbesondere kann das in der Längsrichtung letzte Element aus einem Keramikmaterial gefertigt sein oder sogar einen aus dem Keramikmaterial bestehenden Grundkörper aufweisen. Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere wenn die stoffschlüssige Verbindung durch eine Löt- oder Schweißverbindung bereitgestellt wird, kann das letzte Element mit einer metallischen Schicht versehen sein, die an der stoffschlüssigen Verbindung teilnimmt.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Es zeigen:
1–14 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Sonotrode,
15 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall.
Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Sonotrode mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
1 zeigt eine Sonotrode 1 in einer schematischen Schnittansicht und mit zwei Elementen 2, 3. Die beiden Elemente 2, 3 können jeweils als ein Materialstück ausgebildet sein. Das Element 2 ist beispielsweise zylindrisch oder stabförmig ausgebildet und erstreckt sich entlang einer Längsrichtung L der Sonotrode 1. In der Längsrichtung L, in der die Sonotrode 1 geschnitten gezeigt ist, ist das Element 3 hinter dem Element 2 angeordnet. Zwischen den Elementen 2, 3 ist ein Verbindungsabschnitt 4 der Sonotrode vorgesehen. Im Verbindungsabschnitt 4 sind die Elemente 2, 3 stoffschlüssig miteinander verbunden. Beispielsweise ist der Verbindungsabschnitt 4 als eine Lötschicht ausgebildet und die Elemente 2, 3 sind miteinander verlötet. Alternativ kann der Verbindungsabschnitt 4 als eine die Elemente 2, 3 aneinander befestigende Schweißschicht oder als eine Kleberschicht ausgebildet sein.
In der Längsrichtung L ist das Element 2 beispielhaft größer dargestellt als das Element 3. Die Sonotrode 1 kann so ausgerichtet sein, dass sich eine Hauptausbreitungsrichtung H von Ultraschall durch die Sonotrode 1 entlang der Längsrichtung L erstreckt. Eine derartige Sonotrode 1 ist also beispielsweise eine längsschwingende Sonotrode 1.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen schematischen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
Im Ausführungsbeispiel der 2 ist das Element 3 in der Längsrichtung L größer als das Element 2. Auch das Element 3 ist zylindrisch und beispielsweise stabförmig ausgebildet.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der 1 oder 2 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 eingegangen.
Entlang der Längsrichtung L ist das Element 3 kürzer als das Element 2, jedoch länger als das Element 3 des Ausführungsbeispiels der 1. Darüber hinaus ist in der Längsrichtung L hinter dem Element 3 im Ausführungsbeispiel der 3 ein weiteres Element 5 angeordnet. Das weitere Element 5 ist mit einem weiteren Verbindungsabschnitt 6 stoffschlüssig mit dem Element 3 verbunden. Auch der Verbindungsabschnitt 6 kann eine Lötschicht oder eine Kleberschicht oder ein die Elemente 3 und 5 aneinander befestigender Schweißabschnitt sein. Das Element 5 ist wie die Elemente 2, 3 zylindrisch und beispielsweise stabförmig ausgebildet.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 3 eingegangen.
Das weitere Element 5 ist im Ausführungsbeispiel der 4 mit einem dreieckigen Querschnitt dargestellt. Die Form des dreieckigen Querschnitts kann einem gleichschenkligen oder einem gleichseitigen Dreieck entsprechen. Beispielsweise ist das weitere Verbindungselement 5 des Ausführungsbeispiels der 4 als ein Zylinder mit einer dreieckigen Grundfläche ausgebildet, wobei sich dieser Zylinder quer zur Längsrichtung L erstreckt. Alternativ kann das weitere Element 5 als eine Pyramide ausgestaltet sein.
Eine Flachseite 7 des weiteren Elementes 5 ist über den Verbindungsabschnitt 6 stoffschlüssig mit dem Element 3 der Sonotrode 1 verbunden. Eine Spitze 8 oder Kante 8 des weiteren Elementes 5 weist in der Längsrichtung L und von dem weiteren Verbindungsabschnitt 6 weg.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 5 eingegangen.
Eine vom weiteren Verbindungsabschnitt 6 weg weisende Seite 9 des weiteren Elementes 5 ist eben ausgebildet und verläuft vorzugsweise quer zur Längsrichtung L. Übergangsbereiche 10, 11, in denen die Seite 9 in parallel zur Längsrichtung L verlaufende laterale Seiten 12, 13 der Sonotrode 1 und insbesondere des weiteren Elementes 5 übergeht, sind verrundet oder abgerundet ausgebildet.
Durch die verrundeten oder abgerundeten Übergangsbereiche 10, 11 wird verhindert, dass quer zur Längsrichtung L vorhandene Ränder der Seite 9 eine Mitte der Seite 9 in der Längsrichtung L überragen und einen ungewünscht hohen Druck auf einen Körper, auf den die Seite 9 entlang der Längsrichtung L aufgedrückt ist, erzeugen.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
Das Element 3 des Ausführungsbeispiels der 6 ist mit einem sich in der Längsrichtung L verjüngenden Querschnitt ausgebildet. Eine zum Element 2 weisende Seite 14 des Elementes 3 ist quer zur Längsrichtung L größer als eine vom Element 1 weg weisende Seite 15 des Elementes 3. Die Seiten 14, 15 verlaufen vorzugsweise quer zur Längsrichtung L.
Beispielsweise ist der Querschnitt des Elementes 3 des Ausführungsbeispiels der 6 trapezförmig und insbesondere als ein gleichschenkliges und/oder symmetrisches Trapez ausgeformt. Das Element 3 des Ausführungsbeispiels der 6 ist beispielsweise als ein Kegelstumpf ausgeformt.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 6 eingegangen.
Die vom Element 2 weg weisende Seite 15 des Elementes 3 des Ausführungsbeispiels der 7 ist in der Querschnittsdarstellung der 7 halbkreisförmig ausgebildet. Parallel zur Längsrichtung L verlaufende laterale Seiten 16, 17 des Elementes 3 können also übergangslos beziehungsweise ohne Kante 8 in die runde Seite 17 übergehen. Die Seite 15 des Elementes 3 ist also zum Beispiel halbkugelförmig.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
Im Ausführungsbeispiel der 8 ist das Element 3 der Sonotrode 1 der 1 durch ein Element 18 ersetzt. Das Element 18 ist als ein Hohlzylinder und beispielsweise als ein Rohrabschnitt ausgebildet, wobei sich eine Längsachse des Elementes 18 parallel zur Längsrichtung L erstreckt. Stirnflächen 19, 20 des Elementes 18 verlaufen vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung L. Die Stirnfläche 20 weist vom Element 2 weg. Die Stirnfläche 19 weist auf das Element 2 zu und ist stoffschlüssig mit diesem verbunden. Um die Stirnfläche 19 stoffschlüssig mit dem Element 2 zu verbinden, weist die Sonotrode 1 des Ausführungsbeispiels der 8 einen ringförmigen Verbindungsabschnitt 21 auf, dessen Querschnitt quer zur Längsrichtung L im Wesentlichen dem Querschnitt quer zur Längsrichtung L des Elementes 18 entspricht.
In der Längsrichtung L weist das Element 18 eine Öffnung 22 auf, durch die zu beschallendes Material in das Element 18 entgegen der Längsrichtung L eingefüllt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann sich quer zur Längsrichtung L eine Öffnung 22a durchgängig durch das Element 18 erstrecken, sodass das Element 18 quer zur Längsrichtung L von einem Fluid, etwa ein Kühlfluid, durchströmbar ist. Die Öffnung 22a kann an den Verbindungsabschnitt 21 angrenzen und sich in der Längsrichtung L durch das gesamte Element 18 erstrecken.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 3 eingegangen.
Anstelle des Elementes 3 des Ausführungsbeispiels der 3 weist die Sonotrode 1 des Ausführungsbeispiels der 9 ein Element 23 auf, dessen Querschnitt quer zur Längsrichtung L schmaler ist als der Querschnitt des Elementes 2 quer zur Längsrichtung L. Beispielsweise kann das Element 23 quer zur Längsrichtung L eine geringere Breite aufweisen als das Element 2.
Auch ein die Elemente 2 und 23 miteinander stoffschlüssig verbindender Verbindungsabschnitt 24 kann quer zur Längsrichtung L eine kleinere Breite aufweisen als das Element 2. Insbesondere können die Breiten des Elementes 23 und des Verbindungsabschnittes 24 quer zur Längsrichtung im Wesentlichen identisch sein.
Entlang der Längsrichtung L kann das Element 23 zumindest abschnittsweise jedoch eine konstante Breite aufweisen und beispielsweise stabförmig, also als ein gerader Zylinder, ausgeformt sein.
In seinem Verlauf entlang der Längsrichtung L und weg vom Element 2 kann sich die Breite des Elementes 23 jedoch sprunghaft verringern, sodass ein Endabschnitt 25 des Elementes 23 quer zur Längsrichtung L eine geringere Breite aufweist als ein zwischen dem Endabschnitt 25 und dem Verbindungsabschnitt 24 angeordneter Rest des Elementes 23. Auch der Endabschnitt 25 kann, wie der Rest des Elementes 23, gerade und beispielsweise stabförmig oder als ein gerader Zylinder ausgeformt sein. Entlang der Längsrichtung L kann die Länge des Endabschnittes 25 im Wesentlichen der Hälfte der Gesamtlänge des Elementes 23 betragen.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 3 eingegangen.
Im Ausführungsbeispiel der 10 sind die Elemente 3, 5 nicht durch den weiteren Verbindungsabschnitt 6 stoffschlüssig miteinander verbunden. Vielmehr ist ein Stift oder Bolzen 26 vorgesehen, der die Elemente 3 und 5 aneinander befestigt. Der Bolzen 26 kann ein Gewindebolzen mit einem Außengewinde sein. Dieser Gewindebolzen kann in mit Innengewinden versehene Öffnungen der beiden Elemente 3, 5 eingeschraubt sein und die Elemente 3 und 5 durch eine Schraubverbindung, also eine kraftschlüssige Verbindung, miteinander verbinden. Alternativ kann der Bolzen 26 ein Passstift sein, der auch in kein Innengewinde aufweisende Öffnungen der beiden Elemente 3, 5 eingepresst sein kann, um die Elemente 3 und 5 kraftschlüssig miteinander zu verbinden. Durch die kraftschlüssige Verbindung der beiden Elemente 3, 5 können deren zueinander weisenden Stirnflächen miteinander verpresst sein, um Ultraschall zwischen den beiden Elementen 3, 5 austauschen zu können.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
Anstelle des Elementes 3 der Sonotrode 1 des Ausführungsbeispiels der 1 weist die Sonotrode 1 des Ausführungsbeispiels der 11 ein Element 27 auf, das quer zur Längsrichtung L deutlich größer ist als das Element 2. Beispielsweise kann das Element 27 quer zur Längsrichtung L um ein Vielfaches oder Mehrfaches größer und zum Beispiel viermal so groß wie das Element 2 sein.
Der Verbindungsabschnitt 4 weist quer zur Längsrichtung L eine Breite auf, die vorzugsweise der Breite des Elementes 2 quer zur Längsrichtung L entspricht. Der Verbindungsabschnitt 4 kann quer zur Längsrichtung L das Element 27 mittig kontaktieren und stoffschlüssig mit dem Element 2 verbinden.
Das Element 27 ist in der Längsrichtung L dünn und kann beispielsweise schein-, scheibenoder blattförmig ausgeformt sein. Ein scheinförmiges Element 27 kann dabei in einer quer zur Längsrichtung L verlaufenden Ebene eine Rechteckform aufweisen.
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 10 eingegangen.
Entlang der Längsrichtung L ist hinter dem weiteren Element 5 noch ein weiteres Element 28 angeordnet, das entlang der Längsrichtung L weniger lang ist als das weitere Element 5. Beispielsweise kann die Länge des Elementes 28 einem Bruchteil und zum Beispiel einem Fünftel der Länge des weiteren Elementes 5 entsprechen.
Die weiteren Elemente 5, 28 sind vorzugsweise mit einem weiteren Verbindungsabschnitt 29 stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei der weitere Verbindungsabschnitt 29 entlang der Längsrichtung L zwischen den weiteren Elementen 5, 28 angeordnet ist.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 schematisch in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
Ein Element 30 der Sonotrode 1 ist im Ausführungsbeispiel der 13 nicht mit einem in die Längsrichtung L weisenden Endabschnitt 31 des Elementes 2 stoffschlüssig verbunden. Vielmehr ist das Element 30 mit einem mittleren Abschnitt 32 des Elementes 2 stoffschlüssig verbunden. Der mittlere Abschnitt 32 ist im Wesentlichen entlang der Längsrichtung L mittig des Elementes 2 angeordnet.
Beispielsweise kann das Element 30 ringförmig, torusförmig oder als ein Rohrabschnitt, also hohlzylinderförmig, ausgeformt sein und quer zur Längsrichtung L einen Innendurchmesser aufweisen, der größer ist als der Außendurchmesser quer zur Längsrichtung L des Elementes 2. Das Element 30 kann also das Element 2 quer zur Längsrichtung L umlaufen. Zwischen dem Element 2 und dem Element 30 kann ein Verbindungsabschnitt 33 angeordnet sein, der zusammen mit dem Element 30 das Element 2 zumindest abschnittsweise oder sogar vollständig umlaufen kann. Der Verbindungsabschnitt 33 kann als ein Hohlzylinder, insbesondere ein gerader Hohlzylinder, ausgebildet sein, dessen Längsachse parallel zur Längsrichtung L verläuft.
Entlang der Längsrichtung L kann das Element 30 eine Länge aufweisen, die kleiner ist als die Länge des Elementes 2. Insbesondere kann die Länge des Elementes 30 einem Bruchteil der Länge des Elementes 2 und beispielsweise einem Drittel der Länge des Elementes 2 entsprechen. Das Element 30 kann als ein gerader Hohlzylinder, etwa ein Rohrabschnitt, ausgebildet sein.
14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 in einer entlang der Längsrichtung L geschnittenen Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 7 eingegangen.
14 zeigt die Sonotrode 1 mit noch einem weiteren Element 34, das entlang der Längsrichtung L hinter dem Element 3 angeordnet ist. Das Element 34 kontaktiert das Element 3 an seiner Seite 15, wobei eine der Seite 15 zu gewandte Seite des Elementes 24 vorzugsweise im Wesentlichen komplementär zur Seite 15 ausgebildet ist. Eine vom Element 3 weg weisende Seite 35 des Elementes 34 kann wie die Seite 15 halbkugelförmig oder zumindest mit einem halbkreisförmigen Querschnitt ausgebildet sein. Das Element 34 kann quer zur Längsrichtung L also einen sichelförmigen Querschnitt aufweisen.
Auch die beiden Elemente 3, 34 können stoffschlüssig miteinander verbunden sein, wobei der Übersichtlichkeit halber kein separater und die Elemente 3, 34 stoffschlüssig miteinander verbindender Verbindungsabschnitt dargestellt ist.
15 zeigt eine Vorrichtung 40 zur Erzeugung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall, mit einer Sonotrode 1 und einen Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall-Erzeuger 41. Der Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall-Erzeuger 41 ist Ultraschall übertragend mit der Sonotrode 1 und beispielsweise mit deren Element 2 gekoppelt. Die Sonotrode 1 ist eine erfindungsgemäße Sonotrode 1 und beispielsweise eine Sonotrode 1 gemäß einem der Ausführungsbeispiele der 1 bis 14.
In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das in der Längsrichtung L letzte Element der Sonotrode 1 aus demselben oder aus einem anderen Material als zumindest eines der anderen Elemente der Sonotrode 1 ausgebildet sein. Insbesondere kann das in der Längsrichtung L letzte Element aus einem Glas- oder Keramikmaterial gefertigt sein oder sogar einen aus dem Glas- oder Keramikmaterial bestehenden Grundkörper aufweisen. Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere wenn die stoffschlüssige Verbindung durch eine Metalllot- oder Schweißverbindung bereitgestellt wird, kann das letzte Element mit einer metallischen Schicht versehen sein, die an der stoffschlüssigen Verbindung teilnimmt. Alternativ kann das Keramikmaterial selbst verlötbar sein oder, wenn das Element aus dem Glasmaterial gefertigt ist, die stoffschlüssige Verbindung durch ein Glaslot hergestellt sein.
Bezugszeichenliste

1: Sonotrode
2, 3: Element
4: Verbindungsabschnitt
5: Element
6: Verbindungsabschnitt
7: Flachseite
8: Spitze oder Kante
9: Seite
10, 11: Übergangsbereich
12, 13: laterale Seite
14, 15: Seite
16, 17: laterale Seite
18: Element
19, 20: Stirnfläche
21: Verbindungsabschnitt
22, 22a: Öffnung
23: Element
24: Verbindungsabschnitt
25: Endabschnitt
26: Bolzen
27: Element
28: Element
29: Verbindungsabschnitt
30: Element
31: Endabschnitt
32: mittlerer Abschnitt
33: Verbindungsabschnitt
34: Element
35: weg weisende Seite
40: Vorrichtung
41: Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall-Erzeuger
H: Hauptausbreitungsrichtung
L: Längsrichtung

Claims

Sonotrode (1) zur Übertragung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall, für eine Vorrichtung (40) zur Erzeugung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall, wobei die Sonotrode (1) mehrere Elemente (2, 3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der mehreren Elemente (2, 3) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Sonotrode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente (3) aus einem anderen Material gefertigt ist als ein anderes der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente (2).
Sonotrode (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente (3) aus einem Keramikmaterial gefertigt ist.
Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente (2, 3) ein Lambda/2-Element der Sonotrode (1) ist.
Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente (18) ein Hohlkörper ist.
Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente (3) ein zylindrischer Körper ist.
Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente (18) ein Rohrsegment ist.
Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente (18) ausgebildet ist, von einem Fluid durchströmbar zu sein.
Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) mit einer vordefinierten Hauptausbreitungsrichtung (H) für Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall ausgebildet ist, und ein die Elemente (2, 3) stoffschlüssig miteinander verbindender Verbindungsabschnitt (4) senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung (H) ausgerichtet ist.
Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Elemente durch einen Verbindungsabschnitt (4, 21, 33) der Sonotrode (1) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei der Verbindungsabschnitt (4, 21, 33) flächig, ringförmig oder hohlzylinderförmig ausgeformt ist.
Sonotrode (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der flächig oder ringförmig ausgebildete Verbindungsabschnitt (4, 21) senkrecht zur, und der hohlzylinderfömig angeformte Verbindungsabschnitt (33) entlang der Hauptausbreitungsrichtung (H) ausgerichtet ist.
Vorrichtung (40) zur Erzeugung von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall, mit einer Sonotrode (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) eine Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ist.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (40) im Betrieb Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall als eine stehende Welle in der Sonotrode (1) erzeugt, und der Verbindungsabschnitt (4) beabstandet zu einen Schwingungsknoten angeordnet ist.