DE102019128759A1

DE102019128759A1 - Ultraschallgerät mit Füllstandsvariation

Info

Publication number: DE102019128759A1
Application number: DE102019128759.6A
Authority: DE
Inventors: David Holly
Original assignee: Elma Schmidbauer GmbH
Current assignee: Elma Schmidbauer GmbH
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-04-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Reinigen von Reinigungsgut mittels Ultraschalls, aufweisend ein Wannenelement (1) mit einem mit Reinigungsflüssigkeitsmedium (2a) füllbaren Füllraum (2) und zumindest einem Ultraschallwandler (3), welcher über einen zugeordneten Emissionsabschnitt (1a) im Bodenbereich des Wannenelements (1) Ultraschallwellen in das Wannenelement einkoppelt, Mittel zur Füllstandsvariation (5), welche ausgebildet sind, einen Füllstand (F) im Füllraum (2) des Wannenelements (1) selektiv zu variieren, und eine Steuerungseinheit (4) zum Ansteuern des Ultraschallwandlers (3) und/oder der Mittel zur Füllstandsvariation (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Reinigungsgut mittels Ultraschalls aufweisend Mittel zur Füllstandsvariation.
Ultraschall, insbesondere Leistungsultraschall, welcher über ultraschallabstrahlende Oberflächen in Flüssigkeit eingekoppelt wird, kann unter anderem dazu verwendet werden ein in dieser Flüssigkeit befindliches Reinigungsgut mit Ultraschall und ultraschallinduzierter transienter Kavitation zu beaufschlagen. Dadurch können dessen Oberflächen bearbeiten werden, wie zum Beispiel zum Reinigen, Entgraten, Aufrauen oder auch zur gezielten Schädigung beziehungsweise Desintegration.
Aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallgeräte umfassen üblicherweise ein Wannenelement, welches einen Füllraum definiert, der mit einem Reinigungsflüssigkeitsmedium füllbar ist. In die Reinigungsflüssigkeit ist das zu bearbeitende Reinigungsgut einlegbar. Die Ultraschallgeräte weisen im Allgemeinen im Boden des Wannenelements angeordnete Ultraschallwandler beziehungsweise Ultraschallschwinger auf, welche mit einem Generator verbunden sind, der die Ultraschallwandler mit hochfrequenter elektrischer Energie versorgt. Diese wird von den Ultraschallwandlern in mechanische Schwingungen umgewandelt und über Teilflächen bzw. Emissionsabschnitte des Wannenelements als ultraschallabstrahlende Oberfläche in die Flüssigkeit eingekoppelt und abgestrahlt.
Es ist bekannt, dass aufgrund von nahezu vollständiger Reflexion der Schallwellen an Grenzflächen, insbesondere an der Übergangsfläche des Reinigungsflüssigkeitsmediums zur Umgebungsluft, eine Ausbildung sogenannter Stehwellenfelder durch Interferenz erfolgt. Hierbei entstehen im Reinigungsflüssigkeitsmedium Zonen mit Druckbäuchen und Zonen mit Druckknoten, wobei an den Druckknoten kaum Kavitationsstrukturen und somit kaum Reinigungswirkung und an den Druckbäuchen übermäßig starke Kavitation insbesondere in der Form von Kavitationsblasen und somit starke Reinigungswirkung erzeugt wird. In der Regel ergeben sich diese Zonen im Abstand einer halber Wellenlänge der anregenden Frequenz oder deren Vielfachen nach dem Zusammenhang λ = c / f , wobei λ die Wellenlänge, f die Frequenz und c die mediumsspezifische Schallausbreitungsgeschwindigkeit beschreiben.
Zur Optimierung der Reinigungsleistung eines Ultraschallgeräts ist es bereits bekannt, eine Variation der Stehwellenfelder im Wannenelement bzw. im Reinigungsflüssigkeitsmedium über den zeitlichen Verlauf eines Reinigungsvorgangs mittels Frequenzmodulation bereitzustellen. Insbesondere erfolgt dabei eine Frequenzmodulation des anregenden Ultraschallsignals in einer gewissen Frequenzbandbreite um mehrere 1000 Hertz wahlweise sägezahn-, dreieck- oder rechteckförmig. Dieser Ansatz weist allerdings den Nachteil einer erhöhten Alterung der Ultraschallgerätekomponenten sowie einer höheren Komplexität der Steuerungsvorrichtung auf.
Ebenfalls bekannt sind Geräte, welche einen verstellbaren Warenträger für das Reinigungsgut aufweisen, der mit Hilfe einer Verstellvorrichtung horizontal oder vertikal durch das Wannenelement des Geräts bewegbar ist. Aufgrund der mechanischen Verstellvorrichtung innerhalb des Wannenelements und möglicher negativer Auswirkungen auf die Gerätefunktionsweise sind derartige Geräte nicht besonders effizient und zudem störanfällig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zum Reinigen von Reinigungsgut mittels Ultraschalls bereitzustellen, welche die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet oder zumindest deutlich abschwächt. Die zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Ultraschallgerät bzw. eine Vorrichtung zum Reinigen von Reinigungsgut mittels Ultraschalls, aufweisend ein Wannenelement mit einem mit Reinigungsflüssigkeitsmedium, insbesondere Wasser, füllbaren Füllraum und zumindest einem Ultraschallwandler, welcher über einen zugeordneten Emissionsabschnitt im Bodenbereich des Wannenelements Ultraschallwellen in das Wannenelement einkoppelt, Mittel zur Füllstandsvariation bzw. -änderung, welche ausgebildet sind, einen Füllstand im Füllraum des Wannenelements selektiv zu variieren bzw. zu ändern, und eine Steuerungseinheit zum Ansteuern des Ultraschallwandlers und/oder der Mittel zur Füllstandsvariation.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht insbesondere die Variation eines bevorzugt vordefinierten und auf den Betrieb des Ultraschallwandlers optimierten Füllstands eines Reinigungsflüssigkeitsmediums im Füllraum des Wannenelements. Die Vorrichtung kann somit zunächst in an sich bekannter Weise bis zum idealen bzw. vordefinierten Füllstand mit Reinigungsflüssigkeitsmedium gefüllt werden, wobei insbesondere während eines nach dem Füllvorgang folgenden Reinigungsbetriebs eine Füllstandsvariation erfolgen kann.
Die Mittel zur Füllstandsvariation sind vorzugsweise ausgebildet, dass diese einen Füllstand derart variieren, dass eine Bewegung und/oder Höhenpositionsverlagerung von sich im Reinigungsflüssigkeitsmedium ausbildenden Schalldruckmaxima und - minima erfolgt. Hierbei werden insbesondere sich im Reinigungsflüssigkeitsmedium durch Interferenz ausbildende Stehwellenfelder und somit die jeweilige Anordnung von Zonen mit Druckknoten (Schalldruckminima) und Zonen mit Druckbäuchen (Schalldruckmaxima) verändert. Aufgrund der Veränderung bzw. Variation der Anordnung der jeweiligen Zonen mit Druckbäuchen, an welchen eine besonders starke Ausbildung von Kavitationsstrukturen, insbesondere in Form von Kavitationsblasen, erfolgt, wird eine homogenere Verteilung der Reinigungsleistung im Reinigungsflüssigkeitsmedium erzielt. Unter Höhenpositionsverlagerung wird vorliegend eine Veränderung der jeweiligen vertikalen Position der sich ausbildenden Schalldruckmaxima und - minima im Reinigungsflüssigkeitsmedium, insbesondere zwischen dem wenigstens einen Ultraschallwandler und einer gegenüberliegenden Grenzfläche des Flüssigkeitsmediums zur Umgebungsluft verstanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel zur Füllstandsvariation ausgebildet, einen Füllstand im Füllraum des Wannenelements wenigstens um die Größe bzw. den Abstand einer halben Wellenlänge, mehr bevorzugt einer ganzen Wellenlänge, der anregenden Frequenz des Ultraschallwandlers bzw. einer sich im Reinigungsflüssigkeitsmedium ausbildenden Frequenz zu variieren. Da sich die jeweiligen Zonen mit Druckbäuchen und Druckknoten im Allgemeinen im Abstand einer halber Wellenlänge der anregenden Frequenz ausbilden, wird hierdurch eine besonders homogene Verteilung der Reinigungsleistung im Reinigungsflüssigkeitsmedium erzielt. Vorzugsweise erfolgt hierbei die Füllstandsvariation derart, dass in den Höhenpositionen im Wannenelement, in welchen beim einem initialen Füllstand jeweils lediglich die Ausbildung einer Zone mit Druckknoten und somit mit verhältnismäßig verminderter Reinigungsleistung erfolgte, beim veränderten Füllstand eine Ausbildung einer Zone mit Druckbäuchen und somit mit erhöhter Reinigungsleistung erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Mittel derart angesteuert, dass während eines Reinigungsvorgangs mit der Vorrichtung wenigstens eine Änderung des Füllstands um die oben genannte halbe Wellenlänge der anregenden Frequenz erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerungseinheit der Vorrichtung ausgebildet, die Mittel zur Füllstandsvariation und den wenigstens einen Ultraschallwandler koordiniert anzusteuern. Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise ausgebildet die Mittel zur Füllstandsvariation derart anzusteuern, dass eine Variation des Füllstands im Füllraum des Wannenelements während eines Betriebs des Ultraschallwandlers und/oder während vordefinierten Pausen im Betrieb des Ultraschallwandlers erfolgt.
Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise derart ausgebildet, den Füllstand durch Ansteuerung der Mittel zur Füllstandsvariation wenigstens zwischen zwei vorgegebenen Füllständen zu variieren. Insbesondere kann die Steuerungseinheit ausgebildet sein, den Füllstand zwischen einem initialen und/oder vordefinierten maximalen Füllstand und einem minimalen vordefinierten Füllstand zu variieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerungseinheit ausgebildet, die Mittel zur Füllstandsvariation derart anzusteuern, dass eine oszillierende bzw. zyklische Variation des Füllstands in vordefinierten Grenzen erfolgt, vorzugsweise zwischen einem oben genannten initialen und/der maximalen und einem minimalen Füllstand im Wannenelement. Eine derartige zyklische Variation des Füllstands kann alternativ auch wenigstens zeitweise im Reinigungsbetrieb der Vorrichtung zwischen weiteren vordefinierten Füllständen erfolgen, welche zwischen einem vordefinierten maximalen und einem minimalen Füllstand des Wannenelements liegen können.
Die Steuerungseinheit kann hierbei ausgebildet sein, die Mittel zur Füllstandsvariation derart anzusteuern, dass der Füllstand kontinuierlich und/oder intermittierend variiert bzw. gesenkt oder gehoben wird. Auch kann die Steuerungseinheit ausgebildet sein, einen oder mehrere vordefinierte Füllstande für eine definierte Zeit konstant zu halten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird insbesondere bei einem maximalen und einem minimalen vordefinierten Füllstand dieser für eine vorgegebene Zeit konstant gehalten.
Die Steuerungseinheit kann zudem ausgebildet sein, eine Geschwindigkeit der Füllstandsvariation durch entsprechende Ansteuerung der Mittel zur Füllstandsvariation einzustellen und/oder zu variieren.
Die Steuerungseinheit kann zudem ausgebildet sein, unterschiedliche Reinigungsprogramme der Vorrichtung durch entsprechende Ansteuerung der Mittel zur Füllstandsvariation bereitzustellen. Diese können sich wenigstens in den jeweiligen einzustellenden Füllständen, einer Füllstandsänderungsgeschwindigeit und/oder in den jeweiligen zeitlichen Abläufen der Füllstandsänderung unterscheiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerungseinheit ausgebildet, den wenigstens einen Ultraschallwandler mit konstanter Anregungsfrequenz anzusteuern. Die Steuerungsmittel umfassen hierfür vorzugsweise einen regelbaren Hochfrequenz-Generator zur Ansteuerung des wenigstens einen Ultraschallwandlers. Dieser wandelt die Netzfrequenz von ca. 50Hz vorzugsweise auf mindestens 20kHz. In einer alternativen Ausführungsform kann die Steuerungseinheit ausgebildet sein, den wenigstens einen Ultraschallwandler mit variabler Anregungsfrequenz anzusteuern.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise einen Warenträger auf, welcher zur Positionierung von Reinigungsgut im Wannenelement ausgebildet ist. Der Warenträger kann ein im Wannenelement positionierbarer Gitterkorb sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Warenträger an fester, d.h. unveränderbarer Stelle im Wannenelement, beispielsweise durch entsprechend angeordnete Aufnahmeelemente, positionierbar.
Die Mittel zur Füllstandsvariation weisen in einer bevorzugten Ausführungsform einen Ausgleichsbehälter auf, welcher mit dem Füllraum des Wannenelements fluidtechnisch verbunden ist. Der Ausgleichsbehälter kann integral in einem Gehäuse der Vorrichtung oder separat dazu angeordnet sein. Der Ausgleichsbehälter ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass dieser wenigstens den maximalen aus dem Wannenelement zu entnehmenden Flüssigkeitsanteil zur Erzielung der gewünschten Füllstandsvariation bzw. - änderung aufnehmen kann.
Die Mittel zur Füllstandsvariation umfassen vorzugsweise Fluidfördermittel, insbesondere eine Pumpe, die eine Förderung des Reinigungsflüssigkeitsmediums zwischen dem Wannenelement und dem Ausgleichsbehälter ermöglichen. Dieses sind vorzugsweise mit der Steuerungseinheit zur selektiven Ansteuerung verbunden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Ausgleichsbehälter durch die Steuerungseinheit ansteuerbare Druckänderungsmittel umfassen, insbesondere einen Kompressor, welcher über die Veränderung des Drucks im Ausgleichsbehälter einen Zu- oder Abfluss aus dem Wannenelement ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform umfassen die Mittel zur Füllstandsvariation anstelle eines Ausgleichsbehälters ein zweites Wannenelement, welches mit dem (ersten) Wannenelement der Vorrichtung fluidtechnisch und mittels entsprechender Fördermittel verbunden ist. Die Vorrichtung weist in dieser Ausführungsform somit zwei Wannenelemente mit zugehörigen Ultraschallwandlern auf, welche vorzugsweise gleichzeitig mittels der Steuerungseinheit und mit jeweils unterschiedlichen Füllständen betrieben werden können.
Alternativ oder zusätzlich umfassen die Mittel zur Füllstandsvariation wenigstens einen Verdrängerkörper. Dieser ist vorzugsweise zur selektiven, insbesondere vertikalen, Positionsänderung im Füllraum des Wannenelements, und somit zur selektiven Verdrängung von Reinigungsflüssigkeitsmedium im Füllraum ausgebildet bzw. angeordnet. Der Verdrängerkörper kann mittels einer vorzugsweise mechanischen und selektiv adaptierbaren Positioniereinheit im Füllraum angeordnet bzw. variabel eintauchbar sein. Die Positioniereinheit ist hierbei vorzugsweise außerhalb des Wannenelements angeordnet. Alternativ kann die Positioniereinheit wenigstens teilweise innerhalb des Wannenelements angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Verdrängerkörper ein adaptierbares Verdrängervolumen aufweisen. Beispielsweise kann ein Volumen des Verdrängerkörpers mittels zugehöriger Druckluft- und/oder Vakuummittel adaptierbar sein und somit eine Füllstandsvariation bereitgestellt werden. Der Verdrängerkörper kann hierbei ein im Füllraum angeordneter vorzugsweise hitzebeständiger Kunststoffkörper sein, welcher sich bei Anlegung eines Vakuums zusammenzieht oder bei entsprechender (Druck-)Luftbereitstellung ausdehnt.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Verdrängerkörper an einem Warenträger der Vorrichtung vorzugsweise positionssicher angeordnet sein oder integral mit dem Warenträger ausgebildet sein. Der Warenträger kann hierbei ein-, zwei- oder dreidimensional im Füllraum des Wannenelements bewegbar und insbesondere wenigstens vertikal bewegbar ausgebildet sein. Dies kann insbesondere mittels dem Warenträger zugeordneten Positionsänderungsmittel der Vorrichtung erzielt werden. Diese können durch die Steuerungseinheit der Vorrichtung ansteuerbar ausgebildet sein. Durch die unterschiedliche Positionierung des Warenträgers und des damit verbundenen Verdrängerkörpers im Füllraum kann eine selektive Füllstandsvariation aufgrund einer variierenden Verdrängung, je nach Position des Warenträgers, erzielt werden. Die Steuerungseinheit kann hierbei zusätzlich zur Positionsänderung des Warenträgers zu einer (weiteren) Füllstandsvariation mittels der oben genannten Mittel ausgebildet sein.
Bei dem wenigstens einen Ultraschallwandler handelt es sich vorzugsweise um einen an sich bekannten piezokeramischen Wandler, welcher eine piezokeramische Scheibe umfasst, die sich beim Anlegen einer Spannung ausdehnt oder zusammenzieht. Der Wandler ist vorzugsweise von außen an einem Emissionsabschnitt des Wannenelements angeklebt. Die Vorrichtung kann auch zwei oder mehr Ultraschallwandler aufweisen. Diese können in vordefinierten Emissionsabschnitten des Wannenelements angeordnet sein, derart, dass vorzugsweise ein gleichmäßiges Schallfeld in dem Wannenelement entstehen kann.
Die Steuerungseinheit kann für die oben genannten Funktionen eine integrierte oder separat ausgebildete Steuereinheit wie beispielsweise einen Mikrocontroller aufweisen. Auch kann die Steuerungseinheit integrale oder zugeordnete Speichermittel insbesondere für die Speicherung von Steuerungsparameter aufweisen. Zudem kann die Steuerungseinheit eine Eingabe- und/oder Ausgabeeinheit und/oder eine Schnittstelle für eine Eingabe- und/oder Ausgabeeinheit aufweisen, mit der beispielsweise die Steuerungsparameter eingestellt und/oder angepasst werden können.
Weitere vorteilhafte Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Figuren. Diese zeigen in:

1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Gegenüberstellung von zwei Füllständen in der Vorrichtung gemäß 1 anhand zweier schematischer;
3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung aufweisend einen Verdrängerkörper; und
4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Verdrängerkörper am Warenträger.

1 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung bzw. des erfindungsgemäßen Ultraschallgeräts 10. Die Vorrichtung weist ein Wannenelement 1 mit einem mit Flüssigkeit bzw. mit einem Reinigungsflüssigkeitsmedium 2a füllbaren Füllraum 2 auf, in welchen ein zur Reinigung vorgesehenes Reinigungsgut 12 eingelegt werden kann. Das Wannenelement 1 ist an einem nicht gezeigten Gestell oder Gehäuse der Vorrichtung 10 befestigt bzw. gelagert. Die Vorrichtung 10 kann einen Warenträger 11 aufweisen, welcher zur Positionierung des Reinigungsguts 12 im Wannenelement 1 ausgebildet ist. Dieser kann vorzugsweise positionssicher in dem Wannenelement angeordnet sein, insbesondere durch an sich bekannte (nicht gezeigte) und vorzugsweise statische Positioniermittel.
Das Wannenelement 1 weist eine vorzugsweise umlaufende Seitenwand 1b und einen vorzugsweise im Wesentlichen planen Bodenbereich 1c auf, welche den Füllraum 2 umgeben bzw. bilden. Im Bodenbereich 1c des Wannenelements 1 ist wenigstens ein Ultraschallwandler 3 angeordnet. Der Bodenbereich 1c weist hierbei wenigstens einen Emissionsabschnitt 1a auf, mittels welchem Ultraschallwellen in das Wannenelement 1 und somit in ein sich darin befindliches Reinigungsflüssigkeitsmedium eingekoppelt werden können. Der jeweilige Emissionsabschnitt 1a ist dabei vorzugsweise integral mit dem Bodenbereich 1c des Wannenelements 1 ausgebildet.
Die Vorrichtung 10 weist Mittel zur Füllstandsvariation bzw. - änderung 5 auf, welche ausgebildet sind, einen Füllstand F des Reinigungsflüssigkeitsmediums 2a im Füllraum 2 des Wannenelements 1 selektiv zu variieren bzw. zu ändern. Die Vorrichtung 10 weist zudem eine Steuerungseinheit 4 auf, welche ausgebildet ist, den wenigstens einen Ultraschallwandler 3 und/oder die Mittel zur Füllstandsvariation 5 anzusteuern. Die Steuerungseinheit 4 umfasst dabei einen vorzugsweise regelbaren Hochfrequenz-Generator 4a zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers 3 und eine Steuerung 4b für die Füllstandsvariationsmittel 5. Die Steuerungselemente 4a,4b sind vorzugsweise in einer Steuereinheit 5 integral ausgebildet, können aber auch als separate Einheiten vorliegen.
Die Mittel zur Füllstandsvariation 5 weisen in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform eine Ausgleichsbehälter 6 auf, welcher fluidtechnisch mit dem Füllraum 2 des Wannenelements 1 verbunden ist. Dies kann mittels geeigneter Leitungen erfolgen. Der Ausgleichsbehälter 6 kann integral in einem Gehäuse der Vorrichtung oder separat dazu angeordnet sein und ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass dieser wenigstens den maximalen aus dem Wannenelement zu entnehmenden Flüssigkeitsanteil zur Erzielung der gewünschten Füllstandsvariation aufnehmen kann.
Die Mittel 5 weisen zudem Fluidfördermittel 7 auf, insbesondere eine Pumpe, welche zwischen dem Ausgleichsbehälter 6 und dem Wannenelement 1 angeordnet ist und welche eine Förderung des Reinigungsflüssigkeitsmediums 2a zwischen dem Füllraum 2 des Wannenelements 1 und dem Ausgleichsbehälter 6 ermöglichen. Die Fluidfördermittel 7 werden hierbei von der Steuerungseinheit 4 angesteuert.
Alternativ oder auch zusätzlich kann der Ausgleichsbehälter 7 integral oder separat ausgebildete Druckänderungsmittel 8 umfassen, insbesondere einen Kompressor, welcher über die Veränderung des Drucks im Ausgleichsbehälter 6 einen Zu- oder Abfluss aus dem Füllraum 2 des Wannenelements 1 ermöglicht bzw. unterstützt. In diesem Fall kann auf die Fluidfördermittel 7 verzichtet werden, oder diese weisen eine Stellposition auf, in welcher eine freie, d.h. nicht von den Fördermitteln kraftbeaufschlagte, Fluidförderung zwischen dem Füllraum 2 und dem Ausgleichsbehälter 7 ermöglicht wird. Die Druckänderungsmittel 8 werden hierbei von der Steuerungseinheit 4 angesteuert.
In einer alternativen Ausführungsform umfassen die Mittel zur Füllstandsvariation 5 anstelle eines Ausgleichsbehälters 6 ein zweites Wannenelement 1, welches mit dem (ersten) Wannenelement der Vorrichtung fluidtechnisch und mittels entsprechender Fördermittel 7 verbunden sein kann. Die Vorrichtung 10 weist in dieser Ausführungsform somit zwei Wannenelemente mit zugehörigen Ultraschallwandlern 3 auf, welche vorzugsweise gleichzeitig mittels der Steuerungseinheit 4 und mit jeweils unterschiedlichen Füllständen betrieben werden können.
2 zeigt anhand einer Gegenüberstellung von zwei Betriebszuständen der Vorrichtung 10 mit unterschiedlichen Füllstanden F1,F2 eine bevorzugte Ausführung der Füllstandsvariation durch die entsprechenden Mittel 5 (in 2 zur Vereinfachung nicht dargestellt). Auch die entsprechende Steuerungseinheit 4 wurde in 2 zur vereinfachten Darstellung weggelassen.
Insbesondere wird zunächst der Füllraum 2 des Wannenelements 1 mit einem geeigneten Reinigungsflüssigkeitsmedium 2a und bis zu einem vordefinierten Füllstand F1 gefüllt. Anschließend wird durch die Steuerungseinheit 4 der wenigstens eine Ultraschallwandler 3 mit einer vordefinierten und vorzugsweise konstanten Anregungsfrequenz angesteuert, derart, dass Ultraschallwellen durch den Emissionsabschnitt 1a des Wannenelements 1 in das Reinigungsflüssigkeitsmedium 2a eingekoppelt werden. Bei der Ultraschallwelleneinkopplung ergibt sich in bekannter Weise an der Grenzfläche zwischen Reinigungsflüssigkeitsmedium und Umgebungsluft ein Reflexionsfaktor von etwa 1, durch r = (Z_M2-Z_M1)/(Z_M2+Z_M1) = - 0.9995, wobei die Schalllkennimpedanz von Luft bei Z_M2 = Z_Luft = 413,6Ns/m³ (bei 20°C) und die von Wasser bei Z_M1 = Z_Wasser = 1,517*10⁶ Ns/m³ (bei 40°C) liegt. Hierdurch liegt eine nahezu vollständige Reflexion (r = -1) der Schallwellen an der Grenzfläche vor, wodurch eine Ausbildung von Stehwellenfelder durch Interferenz erfolgt. Hierbei entstehen im Reinigungsflüssigkeitsmedium Zonen mit Druckknoten 15a und mit Druckbäuchen 15b. Die Zonen erstrecken sich entsprechend der Ausbildung der Stehwellenfelder im Wesentlichen horizontal durch das Reinigungsflüssigkeitsmedium 2a, wie in 2 dargestellt. Hierbei entstehen in den Zonen mit Druckknoten 15a kaum Kavitationsstrukturen und somit kaum Reinigungswirkung und an den Zonen mit Druckbäuchen 15b starke Kavitation insbesondere in der Form von Kavitationsblasen 16, wobei insbesondere hier eine starke Reinigungswirkung erzeugt wird. Die Zonen mit Druckknoten und Druckbäuchen 15a,15b entstehen in der Regel im Abstand einer halber Wellenlänge der anregenden Frequenz oder deren Vielfachen nach dem Zusammenhang λ = c / f , wobei λ die Wellenlänge, f die Frequenz und c die mediumsspezifische Schallausbreitungsgeschwindigkeit beschreiben.
Die Steuerungseinheit 4 steuert die Mittel zur Füllstandsvariation 5 nun derart an, dass vorzugsweise nach einer vordefinierten Zeit bei Betrieb des Ultraschallwandlers 3 mit Füllstand F1 im Füllraum 2 eine Füllstandsvariation bzw. -änderung erfolgt. Hierbei wird insbesondere durch Ansteuerung der Fluidfördermittel 7 ein vorgegebenes Volumen des Reinigungsflüssigkeitsmediums 2a aus dem Füllraum 2 in den Ausgleichsbehälter 6 abtransportiert, so dass sich ein zweiter Füllstand F2 ergibt. Diese Füllstandsvariation bzw. -änderung kann kontinuierlich oder intermittierend, d.h. mit mehreren Zwischenpausen, erfolgen. Auch kann die Füllstandsänderung durch entsprechende Ansteuerung der Fluidfördermittel 7 gleichmäßig oder mit unterschiedlicher oder variierender Geschwindigkeit erfolgen.
Durch Variation bzw. Änderung des Füllstandes F1 um Δf zum Füllstand F2 erfolgt bei vorzugsweise konstanter Anregungsgeschwindigkeit des Ultraschallwandlers 3 eine vom ersten Füllstand F1 verschiedene Ausbildung der Zonen mit Druckknoten und Druckbäuchen 15a, 15b in den Stehwellenfelder in dem Reinigungsflüssigkeitsmedium 2a. Hierdurch können insbesondere die Zonen mit Druckbäuchen 15b, an denen eine starke Kavitation in Form von Kavitationsblasen 16 auftritt, innerhalb des Wannenelements 1 bewegt bzw. hinsichtlich ihrer insbesondere vertikalen Position im Wannenelement 1 verändert werden, wodurch eine homogenere Verteilung der Reinigungsleistung erzielt wird.
Die Mittel zur Füllstandsvariation 5 werden hierbei vorzugsweise derart angesteuert, dass eine Füllstandsänderung von Füllstand F1 zu F2 mindestens um die Hälfte der Wellenlänge der Anregungsfrequenz des Ultraschallwandlers 3 und somit um f= λ/2 erfolgt. Die Füllstandsänderung Δf führt hierbei zu einem Verschieben der Zonen mit Druckbäuchen 15b an Positionen bzw. Zonen, in welchen beim Füllstand F1 Zonen mit Druckknoten 15a vorlagen. Hierdurch wird eine besonders homogene Verteilung der Reinigungsleistung erzielt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine zyklische bzw. oszillierende Variation bzw. Änderung des Füllstands in vordefinierten Grenzen, beispielsweise zwischen einem maximalen und/oder initialen Füllstand F1 und einem vordefinierten, beispielsweise minimalen Füllstand F2. Innerhalb eines Reinigungszykluses bzw. bei einem Reinigungsvorgang mit der Vorrichtung 10 erfolgt die oben beschriebene Füllstandsänderung von F1 zu F2 vorzugsweise wenigstens einmal.
3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung 10 aufweisend einen Verdrängerkörper 9a, welcher von den Mittel zur Füllstandsvariation umfasst sein kann. Der Verdrängerkörper 9a kann hierbei mittels Positionsänderungsmittel 13 im Füllraum 2 angeordnet sein, wobei die Positionsänderungsmittel 13 zur insbesondere vertikalen Positionsänderung des Verdrängerkörpers 9a im Füllraum 2 ausgebildet sein können und durch die Steuerungseinheit 4 ansteuerbar sind. Durch die entsprechende Positionierung und/der Positionsänderung des Verdrängerkörpers 9a im Füllraum 2 kann eine Füllstandsvariation wie oben mit Verweis auf das ersten Ausführungsbeispiel beschrieben erzielt werden. Die Positionsänderungsmittel 13 sind hierbei vorzugsweise außerhalb des Wannenelements 1 beispielsweise an einem Gehäuse der Vorrichtung 10 angebracht. Der Verdrängerkörper 9a kann eine konstante Außenform oder - durchmesser aufweisen, wodurch das verdrängte Volumen bei einer Veränderung der Eintauchtiefe des Körpers eine konstante Veränderung erfährt. Der Verdrängerkörper 9a kann auch eine variierende Außenform oder - durchmesser insbesondere in Bezug auf eine Eintauchrichtung in den Füllraum 2 aufweisen, wodurch das jeweils verdrängte Volumen bei einer Veränderung der Eintauchtiefe positionsspezifisch variieren kann.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Verdrängerkörper 9b, welcher am Warenträger 11 angeordnet ist. Der Warenträger 11 in diesem Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise beweglich innerhalb des Wannenelements 1 angeordnet, insbesondere ein-, zwei- oder dreidimensional beweglich. Zur Bewegung des Warenträgers 11 sind vorzugsweise entsprechende Positionsänderungsmittel 14 vorgesehen, welche durch die Steuerungseinheit 4 ansteuerbar sind. Die Positionsänderungsmittel 14 sind hierbei vorzugsweise außerhalb des Wannenelements 1 beispielsweise an einem Gehäuse der Vorrichtung 10 angebracht. Der Warenträger ist hierbei bei einem vordefinierten Füllstand F derart angeordnet, dass der Verdrängerkörper 9b wenigstens teilweise aus dem Reinigungsflüssigkeitsmedium 2a ragt und wobei bei einer Bewegung des Warenträgers 11, insbesondere bei vertikaler Positionsveränderung, eine Veränderung des verdrängten Reinigungsflüssigkeitsmedium 2a erfolgt. Durch die entsprechende Positionsänderung des Verdrängerkörpers 9b im Füllraum 2 mittels Bewegung des Warenträgers 11 kann eine Füllstandsvariation wie oben mit Verweis auf das ersten Ausführungsbeispiel beschrieben erzielt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und nicht als einschränkend für die beanspruchte Erfindung zu werten. Insbesondere können die einzelnen Ausführungsformen auch untereinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Wannenelement
1a: Emissionsabschnitt
1 b: Seitenwand
1c: Bodenbereich
2: Füllraum
2a: Reinigungsflüssigkeitsmedium
3: Ultraschallwandler
4: Steuerungseinheit
4a: Hochfrequenzgenerator
4b: Steuerung Füllstandsvariationsmittel
5: Mittel zur Füllstandsvariation
6: Ausgleichsbehälter
7: Fluidfördermittel
8: Druckänderungsmittel
9a,9b: Verdrängerkörper
10: Ultraschallreinigungsvorrichtung
11: Warenträger
12: Reinigungsgut
13: Positionsänderungsmittel Verdrängerkörper
14: Positionsänderungsmittel Warenträger
15a: Zonen mit Druckknoten
15b: Zone mit Druckbäuchen
16: Kavitationsblasen
F: (initialer) Füllstand
F1,F2: Füllstände (max, min)
Δf: Füllstandsänderung

Claims

Vorrichtung (10) zum Reinigen von Reinigungsgut mittels Ultraschalls, aufweisend ein Wannenelement (1) mit einem mit Reinigungsflüssigkeitsmedium (2a) füllbaren Füllraum (2) und zumindest einem Ultraschallwandler (3), welcher über einen zugeordneten Emissionsabschnitt (1a) im Bodenbereich des Wannenelements (1) Ultraschallwellen in das Wannenelement einkoppelt, Mittel zur Füllstandsvariation (5), welche ausgebildet sind, einen Füllstand (F) im Füllraum (2) des Wannenelements (1) selektiv zu variieren, und eine Steuerungseinheit (4) zum Ansteuern des Ultraschallwandlers (3) und/oder der Mittel zur Füllstandsvariation (5).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Füllstandsvariation (5) ausgebildet sind, einen Füllstand (F) im Füllraum (2) des Wannenelements (1) derart zu variieren, dass eine Bewegung und/oder Höhenpositionsverlagerung von sich im Reinigungsflüssigkeitsmedium (2a) ausbildenden Schalldruckmaxima und -minima erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel zur Füllstandsvariation (5) ausgebildet sind, einen Füllstand (F) im Füllraum (2) des Wannenelements (1) wenigstens um die Größe einer halben Wellenlänge (λ) der anregenden Frequenz des Ultraschallwandlers (3) zu variieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungseinheit (4) ausgebildet ist, die Mittel zur Füllstandsvariation (5) derart anzusteuern, dass eine Variation des Füllstands (F) im Füllraum (2) des Wannenelements (1) während eines Betriebs des Ultraschallwandlers (3) und/oder während vordefinierten Pausen im Betrieb des Ultraschallwandlers (3) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (4) ausgebildet ist, den Füllstand durch Ansteuerung der Mittel zur Füllstandsvariation (5) wenigstens zwischen zwei vorgegebenen Füllständen (F1,F2) zu variieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (4) ausgebildet ist, die Mittel zur Füllstandsvariation (5) derart anzusteuern, dass eine zyklische Variation des Füllstands (F) in vordefinierten Grenzen erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (4) ausgebildet ist, die Mittel zur Füllstandsvariation (5) derart anzusteuern, dass der Füllstand (F) kontinuierlich und/oder intermittierend gesenkt oder gehoben wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (4) ausgebildet ist, eine Geschwindigkeit der Füllstandsvariation durch entsprechende Ansteuerung der Mittel zur Füllstandsvariation (5) zu variieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (4) ausgebildet ist, den Ultraschallwandler (3) mit konstanter Anregungsfrequenz anzusteuern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Füllstandsvariation (5) einen Ausgleichsbehälter (6) umfassen, welcher mit dem Füllraum (2) des Wannenelements (1) fluidtechnisch verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Füllstandsvariation (5) mit der Steuerungseinheit verbundene Fluidfördermittel (7), insbesondere eine Pumpe, und/oder Druckänderungsmittel (8), insbesondere einen Kompressor, umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Füllstandsvariation (5) einen Verdrängerkörper (9a,9b) umfasssen, welcher zur Positionsänderung im Füllraum (2) angeordnet ist und/oder ein veränderliches Körpervolumen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen Warenträger (11) aufweist, welcher ein-, zwei- oder dreidimensional im Füllraum (2) bewegbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Verdrängerkörper (9b) der Mittel zur Füllstandsvariation (5) am Warenträger (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Füllstandsvariation (5) eine fluidtechnische Anbindung an ein weiteres Wannenelement der Vorrichtung umfassen.