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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallelement zur Übertragung einer Ultraschallschwingung mit einer Längsachse und einer sich nicht senkrecht zur Längsachse erstreckenden Mantelfläche.
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Solche Ultraschallelemente sind prinzipiell bekannt. Zur Verarbeitung von Materialien mittels Ultraschall kommt in der Regel eine Ultraschallschwingeinheit zum Einsatz, die in der Regel aus zwei und häufig sogar aus drei aufeinander abgestimmten Ultraschallelementen besteht. Beispielsweise kommt ein Konverter als Ultraschallelement zum Einsatz. Der Konverter ist dafür vorgesehen, eine von einem Generator bereitgestellte elektrische Wechselspannung in eine mechanische Ultraschallschwingung umzuwandeln. Häufig weist der Konverter ein oder mehrere Piezoelemente auf, die die entsprechende Umwandlung bewirken.
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Außer dem Konverter ist eine Sonotrode als Ultraschallelement vorgesehen. Die Sonotrode weist üblicherweise eine Siegel- oder Schneidfläche genannte Fläche auf, die mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt. Die Sonotrode wird entweder direkt oder unter Zwischenschaltung eines Amplitudentransformators als weiteres Ultraschallelement mit dem Konverter verbunden. Die gesamte Ultraschallschwingeinheit bestehend aus Sonotrode, Konverter und gegebenenfalls einem Amplitudentransformator schwingt mit der vom Konverter erzeugten Ultraschallschwingung.
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Damit die Schwingungsamplitude und damit der Energieübertrag in das zu bearbeitende Material optimal ist, wird die Frequenz der elektrischen Wechselspannung so gewählt, dass die Ultraschallschwingeinheit nahe oder bei ihrer Resonanzfrequenz angeregt wird. In der Regel ist diese Resonanzfrequenz nicht nur eine Resonanzfrequenz der gesamten Ultraschallschwingeinheit, sondern zugleich eine Resonanzfrequenz jedes einzelnen Ultraschallelementes. Die einzelnen Ultraschallelemente sind daher aufeinander abgestimmt.
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In der Regel erstreckt sich die Mantelfläche parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsachse. Auch eine konische Mantelfläche ist denkbar.
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Das Ultraschallschwinggebilde muss in irgendeiner Form gehalten werden. Darüber hinaus wird über die Sonotrode in der Regel ein Schweißdruck auf das zu bearbeitende Material ausgeübt, was dazu führt, dass das Ultraschallschwingsystem in Richtung des Materials bewegt werden muss. Hierzu werden in der Regel Schraub- oder Klemmverbindungen verwendet. Zudem müssen Anschlüsse für die Zuführung der elektrischen Wechselspannung vorgesehen sein.
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Solche Ultraschallschwingelemente mit den beschriebenen Ultraschallelementen werden häufig in der Verpackungsindustrie eingesetzt.
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Allerdings werden insbesondere in der Lebensmittel- aber auch in der Arzneimittelindustrie immer höhere Anforderungen an die Hygiene gestellt. Viele Produkte werden in sogenannten Aseptikkammern verpackt. Innerhalb dieser Aseptikkammern herrschen hohe Anforderungen an das sogenannte hygienegerechte Design.
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Innerhalb der Aseptikkammer sind Hinterschnitte, Schlitze und auch Schnittstellen zwischen zwei Flächen, in den sich Keime ansammeln können, problematisch und sollen wenn möglich vermieden werden.
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Da, wie oben beschrieben, eine Ultraschallschwingeinheit üblicherweise aus mehreren miteinander verschraubten Ultraschallelementen besteht, wodurch sich zwangsläufig Schlitze ergeben und der Konverter entsprechende Anschlusskontakte aufweist, können Ultraschallschwingsysteme häufig in Aseptikkammern nicht eingesetzt werden.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschallelement bereitzustellen, welches die Verwendung von Ultraschallschwingeinheiten auch in Aseptikkammern ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Trennelement vorgesehen ist, welches mit der Mantelfläche oder mit einem an der Mantelfläche befestigten Halteelement in Kontakt steht und das Ultraschallelement vollständig umschließt, sodass es in Richtung der Längsachse das Ultraschallelement in einen Bearbeitungsabschnitt und einen Einkoppelabschnitt unterteilt.
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Durch das Trennelement, welches das Ultraschallelement vollständig umschließt, wird ein Abschnitt, der sogenannte Bearbeitungsabschnitt, von dem anderen Abschnitt, dem sogenannten Einkoppelabschnitt, getrennt, sodass nur der Bearbeitungsabschnitt die Anforderungen einer Aseptikkammer erfüllen muss, während der Einkoppelabschnitt außerhalb der Aseptikkammer angeordnet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Trennelement ein Formteil oder ein Elastomer oder weist einen Abschnitt auf, der ein Formteil oder ein Elastomer ist. Dabei sollte der Abschnitt, d.h. das Formteil oder das Elastomer, an der Mantelfläche oder an dem an der Mantelfläche befestigten Halteelement anliegen und dort eine Dichtfunktion erfüllen, um sicherzustellen, dass die beiden Abschnitte, der Bearbeitungsabschnitt und der Einkoppelabschnitt, voneinander abgedichtet getrennt sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat das Trennelement in radialer oder axialer Richtung eine Ausdehnung, die größer als die radiale Ausdehnung des Ultraschallelementes an der Stelle, an welcher das Trennelement oder das Halteelement mit der Mantelfläche in Kontakt steht, ist.
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Beispielsweise kann das Trennteil einen als Faltenbalg ausgebildeten Abschnitt aufweisen, wobei vorzugsweise das Ultraschallelement in einem Maschinenraum mit einer Maschinenwand angeordnet ist und der als Faltenbalg ausgebildete Abschnitt eine Abdichtung zur Maschinenwand verwirklicht.
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Durch diese Maßnahme ist das Ultraschallelement mit seinem Einkoppelabschnitt vollständig von dem Bearbeitungsabschnitt getrennt. Durch die Ausführung als Faltenbalg kann das Ultraschallelement zumindest in begrenztem Ausmaß eine Bewegung in Richtung der Längsachse vollführen, ohne dass die von dem Trennelement bereitgestellte Trennfunktion beeinträchtigt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Trennelement einen als Formteil oder Elastomer ausgebildeten Abschnitt auf, der stoffschlüssig oder formschlüssig mit dem als Faltenbalg ausgebildeten Abschnitt ausgebildet ist.
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Dadurch kann das Trennelement sowohl seine Dichtfunktion gegenüber der Mantelfläche oder dem mit der Mantelfläche in Kontakt stehenden Halteelement als auch seine Trennfunktion zuverlässig ausüben.
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Anstelle der Ausbildung des Trennelementes als Faltenbalg kann das Trennelement auch als einfache Gummimuffe oder als starres Trennelement (z.B. aus Blech oder aus Kunststoff) sein. Letzteres kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn das Ultraschallelement-abgesehen von der Ultraschallschwingung - unbeweglich angeordnet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Ultraschallelement eine Sonotrode, ein Konverter oder ein Amplitudentransformator. Grundsätzlich ist jedes dieser drei Elemente geeignet, ein entsprechendes Trennelement aufzuweisen. Da allerdings zwischen den einzelnen Elementen üblicherweise an der Schnittstelle ein Schlitz verbleibt, ist es von Vorteil, wenn das Trennelement nicht am Konverter, sondern stattdessen am Amplitudentransformator oder an der Sonotrode angeordnet ist. Aus hygienischen Betrachtungen wäre es zudem bevorzugt, wenn das Trennelement an der Sonotrode befestigt ist, da dann auch die Schnittstelle zwischen Sonotrode und Amplitudentransformator im Einkoppelabschnitt, d.h. außerhalb des aseptischen Bereiches, angeordnet wäre. Allerdings ist ein Angreifen an der Mantelfläche der Sonotrode von Trenn- oder Halteelement nicht immer möglich, da dadurch die Schwingung beeinflusst werden kann. Zudem weisen Sonotrode häufig Schlitze auf, so dass die Befestigung des Trennelementes an der Mantelfläche der Sonotrode schwierig ist.
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Es hat sich daher herausgestellt, dass das Trennelement am besten am Amplitudentransformator vorgesehen ist. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform sind Sonotrode und Amplitudentransformator aus einem Stück oder stoffschlüssig gefertigt, wobei das Trennelement am Amplitudentransformator vorgesehen ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Trennelement derart mit der Mantelfläche oder dem Halteelement in Kontakt steht, dass die bearbeitungsabschnittseitige Verbindung zwischen Trennelement und Mantelfläche oder Trennelement und Halteelement eine sterilisierbare Abdichtung nach DIN 11864-3 darstellt. In der genannten DIN-Norm werden die Anforderungen beschrieben, die an abgedichtete Bauteile zu stellen sind, sodass sichergestellt ist, dass keine Produktreste in Zwischenräumen verbleiben oder diese zumindest leicht wieder entfernt werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass an der Mantelfläche des Ultraschallelementes ein Halteelement vorgesehen ist, welches wiederum an einem Aufnahmeelement befestigt ist, wobei ein Abschnitt des Trennelementes zwischen Halteelement und Aufnahmeelement eingeklemmt ist und die Verbindung zwischen Halteelement und Aufnahmeelement abdichtet. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Aufnahmeelement auf der dem Einkoppelabschnitt zugewandten Seite des Trennelementes angeordnet ist.
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Da die Ultraschallschwingeinheit in irgendeiner Art und Weise gehalten werden muss, ist in der Regel an einem der Elemente, z.B. am Amplitudentransformator, ein Halteelement vorgesehen. Dies ist häufig stoffschlüssig mit dem Ultraschallelement verbunden. In diesem Fall bietet es sich an, dass ein Abschnitt des Trennelementes zwischen Halteelement und Aufnahmeelement eingeklemmt ist und die Verbindung zwischen Halteelement und Aufnahmeelement abdichtet.
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Dabei kann das Halteelement stoffschlüssig mit der Mantelfläche verbunden sein und am besten Halteelement und Mantelfläche aus einem Stück hergestellt worden sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Halteelement und das Aufnahmeelement miteinander verschraubt sind, wobei vorzugsweise das Halteelement eine Gewindesackbohrung und das Aufnahmeelement eine Durchgangsbohrung aufweist, wobei eine Schraube die Durchgangsbohrung durchgreift und in die Gewindesackbohrung eingreift. Durch die Ausbildung einer Gewindesackbohrung kann sichergestellt werden, dass die Schraube nicht bis zu der dem Bearbeitungsabschnitt zugewandten Seite des Trennelementes reicht. Auf der dem Bearbeitungsabschnitt zugewandten Seite des Trennelementes gibt es somit keine zusätzlichen Spalte, in welchen sich Verunreinigungen festsetzen können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figur. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 ist eine Ultraschallschwingeinheit bestehend aus einem Konverter 3, einem Amplitudentransformator 1 und einer Sonotrode 2 gezeigt. Der Konverter 3 wird von einem nicht dargestellten Generator mit einer elektrischen Wechselspannung versorgt, die der Konverter in eine mechanische Schwingung entlang der Längsachse I umwandelt. Der Konverter 3 ist mit dem Amplitudentransformator 1 über eine Schraubverbindung 8 verbunden. Der Amplitudentransformator transformiert die Schwingungsamplitude, jedoch nicht die Frequenz der Ultraschallschwingung des Ultraschallschwingsystems. Der Amplitudentransformator 1 ist mit der Sonotrode 2 verbunden. Auch dies kann über eine Schraubverbindung bewerkstelligt sein.
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Allerdings können Amplitudentransformator 1 und Sonotrode 2 auch aus einem Stück gefertigt sein oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
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Im Resonanzfall bildet sich in dem Ultraschallschwingsystem und in seinen einzelnen Ultraschallelementen jeweils eine stehende Welle aus, wobei die Schwingungsmaxima an den Stirnflächen, d.h. an den Verbindungsstellen zwischen Konverter 3 und Amplitudentransformator 1 einerseits und zwischen Amplitudentransformator 1 und Sonotrode 2 andererseits, ausgebildet sind, während die Schwingungsminima sich in etwa in der Mitte zwischen den Stirnflächen der einzelnen Ultraschallelemente ausbilden.
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Um das Ultraschallschwingsystems zu halten, ist in etwa im Bereich eines Schwingungsknotens am Amplitudentransformator 1 ein z-förmiger Halter 9 vorgesehen. Der z-förmige Halter 9 besteht aus einem sich radial bezogen auf die Längsachse 11 erstreckenden Flansch 10, einem vergleichsweise dünnen axial verlaufenden Abschnitt 11 und einem Halteabschnitt 12, der im gezeigten Beispiel eine Gewindesackbohrung aufweist. Mithilfe der Gewindesackbohrung wird der Halteabschnitt 12 an einem Aufnahmeelement 6, das in der Zeichnung nur teilweise dargestellt ist, mittels der Schrauben 7 befestigt. Ein Trennelement 4, 5 ist vorgesehen, das aus einem als O-Ring, bestehend aus einem Elastomer, ausgebildeten Abschnitt 4 und einem als Faltenbalg ausgebildeten Abschnitt 5 besteht. Der O-ringförmige Abschnitt 4 ist zwischen dem Aufnahmeelement 6 und dem Halteabschnitt 12 angeordnet und dichtet Aufnahmeelement gegen Halteelement ab. Durch die in 1 dargestellte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem als O-Ring ausgebildeten Abschnitt 4 und dem als Faltenbalg ausgebildeten Abschnitt 5 weist das Trennelement 4, 5 keinerlei Schlitze oder Ausnehmungen auf, in welchen sich Produktreste festsetzen könnten. Gleiches kann auch durch die in 2 dargestellte formschlüssige Verbindung zwischen den Abschnitten 4 und 5 des Trennelementes erzielt werden. Hierbei umgreift der als Faltenbalg ausgebildete Abschnitt 5 des Trennelementes den als O-Ring ausgebildeten Abschnitt 4 des Trennelementes.
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Die Schraubverbindung zwischen Halteabschnitt 12 und Aufnahmeelement 6 ist derart ausgebildet, dass sich die Schrauben 7 nicht durch den Halteabschnitt hindurch erstrecken.
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Die Sonotrode 2 und der untere Abschnitt des Amplitudentransformators 1, der auch als Bearbeitungsabschnitt bezeichnet wurde, befinden sich in dem Produktraum, der als Aseptikraum ausgebildet sein kann. Dieser ist mittels des Trennelementes 4, 5 vom Einkoppelabschnitt getrennt, an welchem der Konverter 3 befestigt ist, welcher elektrische Zuführungsleitungen aufweist. Auch die Schrauben 7 der Schraubverbindung sind nicht im Aseptikraum angeordnet. Zumindest der Teil des Ultraschallschwingsystems, der sich in 1 unterhalb der von dem Trennelement 4, 5 bereitgestellte Trennlinie befindet, ist in einem hygienischen Design ausgebildet, sodass dieser Teil möglichst wenig Schlitze und Hinterschnitte aufweist und daher leicht reinigbar ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Trennelementes 4, 5 bestehen keine erhöhten Anforderungen an eine hygienegerechte Ausführung.
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Der Faltenbalg 5 ist in einer nicht näher dargestellten Art und Weise mit den Wänden des Produktraumes verbunden, um sicherzustellen, dass keinerlei Partikel aus dem oberen Bereich, in dem sich der Einkoppelabschnitt befindet, in den unteren Bereich, der als Produktraum dient, gelangen können. Die Verbindung mit den Wänden des Produktraums kann auch gasdicht, wasserdicht, staubdicht oder rieseldicht ausgeführt sein.
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Je nach Ausführung von Trennelement und Verbindung mit den Wänden des Produktraumes wird auch der Einkoppelabschnitt von einer Kontaminierung mit Produktbestandteilen oder bei der Verarbeitung verwendeten oder entstehenden Fluide, wie z. B. H2O2, wirksam verhindert.
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Durch diese Ausführungsform ist es möglich, in aseptischen Umgebungen ein Ultraschallschwingsystem auf einfache Art und Weise zu verwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Amplitudentransformator
- 2
- Sonotrode
- 3
- Konverter
- 4
- Elastomer/Formteil
- 5
- Faltenbalg
- 6
- Aufnahmeelement
- 7
- Schrauben
- 8
- Schraubverbindung
- 9
- Halter
- 10
- Flansch
- 11
- Längsachse
- 12
- Halteabschnitt
