DE1944532A1

DE1944532A1 - Device for generating ultrasonic vibrations in a cavitating liquid

Info

Publication number: DE1944532A1
Application number: DE19691944532
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl-Phys Geide
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-02
Filing date: 1969-09-02
Publication date: 1971-03-11

Description

Gerät zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen in einer kavitierenden Flüssigkeit J)ie Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Erzeugung von IJltraschallechwingungen in einer kavitierenden Flüssigkeit, bestehend aus einem Behälter für die Flüssigkeit und aus einem oder mehreren auf die Flüssigkeit einwirkenden Ultraschallschwingern, zur Behandlung von festen und/oder flüssigen Medien.Device for generating ultrasonic vibrations in a cavitating chamber Liquid The invention relates to a device for generating ultrasonic vibrations in a cavitating liquid, consisting of a container for the liquid and from one or more ultrasonic transducers acting on the liquid, for the treatment of solid and / or liquid media.

Zum Reinigen, Dispergieren und Desintegrieren von festen oder flüssigen Medien werden in bekannter Gleise Geräte verwendet, die aus einem Behälter für die Flüssigkeit sowie aus einem oder mehreren auf die Flüssigkeit einwirkenden Ijitraschalischwingern bestehen. Vorzugsweise wird als Flüssigkeit eine organische Lösung, insbesondere für die Reinigung von festen Stoffen Perchloräthylen ve-rwendet, Durch die Einwirkung der Ultraschallschwingungen auf die Flüssigkeit tritt eine Kavitation der Plilneigkeit auf, welche z.B. infolge der bei der Kavitat ion auftretenden besonders hohen Energiekonzentration die Reinigung fester Stoffe, das Dispergieren von instesondere flüssigen Mischungen oder das Deeintegrieren Irgendwelcher Substanzen fdrdert. Die bekannten Geräte arbeiten unter natürlichem atmosphärischem Druck. Man hst nun festgestellt, dass die Ultraschallschwingungen in den üblicherweise verwendeten Flüssigkeiten z.B. in den organischen Lösungen sehr stark absorbiert werden, wodurch insgesamt die Intensität des in der Flüssigkeit erzeugten Ultraichallfeldes sehr stark verringert und damit die Leistungsfähigkeit des Gerätes beeinträchtigt wird.For cleaning, dispersing and disintegrating solid or liquid Media are used in known track devices that come from a container for the Liquid as well as one or more Ijitraschali oscillators acting on the liquid exist. An organic solution is preferably used as the liquid, in particular Perchlorethylene used for cleaning solid substances, due to the action The ultrasonic vibrations on the liquid cause cavitation of the willingness which, for example, as a result of the particularly high energy concentration that occurs during cavitation the cleaning of solid substances, the dispersion of special liquid mixtures or the deintegration of any substance. The known devices work under natural atmospheric pressure. You can now see that the ultrasonic vibrations in the fluids commonly used, e.g. in organic solutions be absorbed very strongly, increasing the overall intensity of the in the liquid generated ultraichall field and thus the performance of the device is impaired.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Intensität des in einer kavitierenden Plüssigkeit erzeugten Ultraschallfeldes zu erhöhen ohne die leistungsfähigkeit des den Ultraschallschwinger speisenden Hochfrequenzgenerators zu vergrössern.The invention is based on the object, the intensity of the in a cavitating fluid to increase the ultrasonic field generated without increasing the efficiency of the high-frequency generator feeding the ultrasonic transducer.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Behälter druckfest und allseitig verschliessbar und mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Uberdruckes auf die im Behälter befindliche Flüssigkeit während dem Beschallungsvorgang oder während einem Teil dieses Beschallungsvorganges versehen ist. Versuche haben ergeben, dass mit einem derartigen Gerät die Schallintensität in der unter Druck stehenden Flüssigkeit erhöht werden kann, ohne dass hierdurch die durch den Schall induzierte Kavitation unterdrückt bzw. beeinträchtigt wird. Das heisst, es wurde erkannt, dass die Intensität in einem Druckintervall nahe dem Atmosphärendruck mit steigendem Druck über dem Flüssigkeitsspiegel sowie unter Beibehaltung der durch den Schall bewirkten Kavitation zunimmt.This object is achieved according to the invention in that the container pressure-resistant and lockable on all sides and with a device for generating a Overpressure on the liquid in the container during the sonication process or is provided during part of this sonication process. Have attempts show that with such a device the sound intensity in the under pressure standing liquid can be increased without thereby being affected by the sound induced cavitation is suppressed or impaired. That is, it was recognized that the intensity in a pressure interval close to atmospheric pressure with increasing pressure above the liquid level as well as maintaining the through the cavitation caused by the sound increases.

Die Schallintensität nimmt mit steigendem Ueberdruck zu.The sound intensity increases with increasing overpressure.

Die Druckerhöhung über der Flüssigkeit bewirkt ein Anheben des Schwellwertes für Kavitation. ttbersteigt an einer Stelle in der Flilssigkeit die SchallintensitSt die Kavitationsschwelle, dann liegt, eine kavitierende Flüssigkeit mit höherer Schallintensität als bei Atmosphärelldruck vor. Da weiterhin die Reinigung sowie Erosion in einer kavitierenden Flüssigkeit proportional der darin herrschenden Intensität ist, führt die Druckerhöhung mithin zu einer verbesserten Reinigung z.B. eines festen Mediums.The increase in pressure above the liquid causes the threshold value to rise for cavitation. tt exceeds the sound intensity at one point in the liquid the cavitation threshold, then lies a cavitating liquid with a higher sound intensity than at atmospheric pressure. Since the cleaning as well as erosion continue in one cavitating liquid is proportional to the intensity in it the pressure increase therefore leads to improved cleaning, e.g. of a solid medium.

Dieselben Vorteile lassen sich selbstverständlich beim Dispergieren und Desintegrieren von flüssigen und/oder festen Medien ausntltzen.The same advantages can of course be seen in dispersing and disintegrate liquid and / or solid media.

Gemäss einer zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erzeugung des ttberdruckes im Behälter ein komprimiertes Gas, insbeondere komprimierte Buft verwendet.According to an expedient embodiment of the invention will A compressed gas, especially compressed gas, is used to generate the overpressure in the container Buft used.

Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung sind im Inneren des Behälters Haltevorrichtungen für die zu behandelnden Medien vorgesehen. Diese Haltevorrichtungen, die z.B.According to a further development of the invention, there are inside the container Holding devices for the media to be treated are provided. These holding devices, the e.g.

nach dem Öffnen des Behälters aus diesem herausgenommen werden können, gewährleisten eine definierte Lage der zu behandelnden Medien in der Flüssigkeit.can be removed from the container after opening it, ensure a defined position of the media to be treated in the liquid.

Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Behälter eine für die Messung der Schallintensität in der Flüssigkeit geeignete Messeinriehtung gasdicht und druckfest angebracht. Sofern nicht bereits Erfahrungswerte über den Verlauf der Schallintensität mit dem ueberdruck bei verschiedenen Betriebsbedingungen wie Temperatur, chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit, Verschmutzungs grad der Medien usw. vorliegen, kann durch diese Messeinrichtung der Druckbereich ermittelt-werden, in welchem trotz Kavitation die Schaliintensität grösser als bei Atmosphärendruck ist z.B. durch Aufnahme der Intensität als Funktion der vom Ultraschallschwinger aufgenommenen Leistung oder des von ihm aufgenommenen Anodenstromes.According to a further embodiment of the invention is on the container a measuring device suitable for measuring the sound intensity in the liquid gas-tight and pressure-proof attached. Unless already empirical values about the Course of the sound intensity with the overpressure under different operating conditions such as temperature, chemical composition of the liquid, degree of pollution of the Media etc. are present, the pressure range can be determined by this measuring device, in which, despite cavitation, the shell intensity is greater than at atmospheric pressure is e.g. by recording the intensity as a function of that of the ultrasonic transducer power consumed or the anode current consumed by it.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung dargestellten und nachstehend beschriebenen Ausführungsbe ispielen.Further details of the invention emerge from the in the drawing examples shown and described below.

Es bedeuten: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Gerätes, Fig. 2 eine weitere AusSUhrungsSorm eines erfindungsgemässen Gerätes, Fig. 3 und Fig. 4 verschiedene Diagramme zur Verdeuteichung der Wirkungsweise des erfindungsgemässen Gerätes.The figures show: FIG. 1 a schematic representation of a device according to the invention Device, FIG. 2 shows a further embodiment of a device according to the invention, FIG. 3 and 4 different diagrams for elucidating the mode of operation of the inventive Device.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 steht in einem mit entgastem Wasser 1 gefüllten Behälter 2 ein Ultraschalischwinger 3. Die von dem Ultraschallschwinger 3 abgestrahlte Energie wird über das Wasser 1, welches als Kopplungsflüssigkeit dient, auf eine Flüssigkeit 4, z.B. Perchloräthylen in einem Behälter 5 übertragen.In the embodiment according to FIG. 1, a with degassed Water 1 filled container 2 an ultrasonic transducer 3. The from the ultrasonic transducer 3 radiated energy is via the water 1, which acts as a coupling fluid is used, transferred to a liquid 4, e.g. perchlorethylene in a container 5.

Diese Ubertragung geschieht über ein dünnes Bodenblech 6 des Behälters 5, welches Bodenblech 6als Schallfenster dienst. Der Behälter 5 ist druckfest und allseitig verschliessbar ausgebildet. Der Behälter 5 lässt sich mittels einer Vorrichtung zur Erzeugung eines berdruckes, z.B. eines Ventiles 7 z.B. mit Druckluft füllen, die durch eine Pumpe erzeugt wird. Der Überdruck in dem Behälter 5 lässt sich an einem Manometer 8 ablesen. Falls, die Kopplungsflüss.igkeit 1 schwerer kavitierbar ist als die Flüssigkeit in dem Behälter 5, wird die Intensität, die man in der Flüssigkeit 4 misst, praktisch nur durch die Schallabsorption in der Flüssigkeit 4 bestimmt.-Die Absorption der Ultraschallschwingungen in dem Wasser 1 ist so klein, dass sie vernachlässigt-werden kann. Die Schallintensität innerhalb der Flüssigkeit 4 wird durch eine Messeinrichtung 9, welche mit einer Schallsonde 10 ausgestattet ist, gemessen. Durch Auswechseln der tEberdruckpumpe gegen eine Saugpumpe, sowie des Manometers und Ventils gegen Armaturen für Unterdruck lässt sich mit dem beschriebenen Gerät auch der Intensitätsverlauf bei Unterdruck messen.This transmission takes place via a thin base plate 6 of the container 5, which floor panel 6 serves as a sound window. The container 5 is pressure-resistant and Designed to be lockable on all sides. The container 5 can be adjusted by means of a device to generate an overpressure, e.g. fill a valve 7 with compressed air, generated by a pump. The overpressure in the container 5 can be activated read off a manometer 8. If so, the coupling liquid 1 is more difficult to cavit is than the liquid in the container 5, will be the intensity that one in the liquid 4 measures, practically only determined by the sound absorption in the liquid 4.-The Absorption of the ultrasonic vibrations in the water 1 is so small that they are neglected can. The sound intensity within the liquid 4 is measured by a measuring device 9, which is equipped with a sonic probe 10, measured. By substituting the pressure pump against a suction pump, and the pressure gauge and valve against Valves for negative pressure can also be used to measure the intensity profile with the device described measure at negative pressure.

Bei dem AuSführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist das Kernstück des Gerätes ein druckfester, zylindrischer Behälter 11, welcher mittels eines Flansches 12 von einem Blechgehäuse 13 getragen wird. Ein am Boden des druckfesten Behälters 11 z.B. durch Ankleben befestigter Ultraschallschwinger 14 erzeugt in der Flüssigkeit 15 ein Schallfeld, dem die z.B. zu reinigenden Teile, die auf einer aus dem Behälter 11 herausnehmbaren Haltevorrichtung 16 liegen, ausgesetzt werden. Durch einen Deck 17 lässt sich der Behälter 11 gasdicht und druckfest verschliessen.In the embodiment according to FIG. 2, the core of the device is a pressure-resistant, cylindrical container 11, which by means of a flange 12 of a sheet metal housing 13 is carried. At the bottom of the pressure-tight container 11, e.g. Ultrasonic oscillators 14 fastened by gluing, generated in the liquid 15 a sound field, which e.g. the parts to be cleaned that are on one of the container 11 removable holding device 16 lying, be exposed. The container 11 can be closed gas-tight and pressure-tight by a deck 17.

Zur Steigerung der Schallintensität in der Flüssigkeit 15 bei konstanter vom Ultraschallschwinger 14 aufgenommener fiochfrequenzleistung kann, über das bei Überdruck selbsttntig schliessende Ventil 18 Druckluft in den Behälter 11 geleitet werden. Die Höhe des erzeugten tberdruckes wird an einem Manometer 19 abgelesen. Nach beendeter Behandlung der z.B. zu reinigenden Medien lässt sich das Ventil 18 öffnen und der Deckel 17 kann abgehoben werden.To increase the sound intensity in the liquid 15 at a constant by the ultrasonic transducer 14 recorded fiochfrequency power can, via the Overpressure, automatically closing valve 18, compressed air is passed into the container 11 will. The level of the overpressure generated is read off on a manometer 19. After the treatment of the media to be cleaned, for example, the valve 18 open and the cover 17 can be lifted off.

ie Ausführungsbeispiele gemäss den Fig. 1 und 2 lassen sich beziiglich ihrer Details Eliebig kombinieren. So ist es z.B. möglich, die Ausführung gemäss Fig. 2 mit einer Messeinrichtung gemäss Fig. 1 zu versehen.The embodiments according to FIGS. 1 and 2 can be referred to You can easily combine your details. For example, it is possible to carry out the execution according to Fig. 2 to be provided with a measuring device according to FIG.

Der durch Versuche ermittelte Kurvenverlauf in dem Diagramm gemäss Fig. 3 zeigt den Verlauf des Absorptionskoefflzisten @ einer unter mehr oder weniger hohem Druck stehenden Flüssigkeit. Die Schallintensitätsabnahme infolge von Absorption nach durchlaufen einer Strecke x ist proportional exp (-αx), daher ist der Logarithmus der Intensität proportional dem Absorptionskoeffizienten x , wenn der Ort x festgehalten wird. Trägt man @ linesr über den Druck p auf, so ergibt sich bei Änderung des Druckes gegenüber seinem Anfangswert p Null - bis auf das Vorzeichen - der in dem Diagramm gezeigte Verlauf für α .The course of the curve determined by experiments in the diagram according to Fig. 3 shows the course of the absorption coefficient @ one below more or less high pressure liquid. The decrease in sound intensity due to absorption after traversing a distance x is proportional to exp (-αx), therefore the Logarithm of the intensity proportional to the absorption coefficient x if the Location x is recorded. If one plots @linesr over the pressure p, the result is when the pressure changes from its initial value p zero - except for the sign - the curve for α shown in the diagram.

Macht man nun die Annahme, dass α proportional der Gasblasenzahl Z pro Volumeneinheit ist, weil die Schallabsorption praktisch nur durch die vorhandenen Gasblasen bestimmt wird, dann gibt es zwei Ursachen, die bei Druckerhöhung eine Änderung von @ und damit auch von Z bewirken können. Im ersten Fall wird zusätzlich ein Gas aus der Umgebung in der Flüssigkeit gelöst, die Konzentration der Gasmoleküle in derselben steigt und damit auch die ZahI der Gasblasen, die unter Einwirkung des Schallfeldes entstehen. Im zweiten Fall löst sich unter dem Einfluss der Druckerhöhung in der Flüssigkeit ein gewisser Prozentsatz des Gasvolumens, das in den Gasblasen eingeschlossen ist, wodurch ein Teil der Biasen verschwindet. Bei dem Diagramm gemäss Fig. 3 ist auf der Ordinate der Schallintensität in der zu untersuchenden Flüssigkeit und auf der Abszisse der ansteigende bzw. abfallende Druckverlauf aufgetragen.One now makes the assumption that α is proportional to the number of gas bubbles Z per unit volume is because the sound absorption practically only through the existing Gas bubbles are determined, then there are two causes, one when the pressure increases Change of @ and thus also of Z can cause. In the first case, additional a gas from the environment dissolved in the liquid, the concentration of gas molecules in the same increases and with it also the Number of gas bubbles that are underneath Effects of the sound field arise. In the second case it dissolves under the influence the increase in pressure in the liquid a certain percentage of the volume of gas that is trapped in the gas bubbles, whereby part of the bias disappears. at the diagram according to FIG. 3 is on the ordinate of the sound intensity in the area to be examined Liquid and plotted on the abscissa the increasing or decreasing pressure curve.

Die Durchrechnung des Versuches gemäss dem Diagramm nach Fig. 3 ergibt bei geeigneter Wahl der Gleichungskonstanten den in dem Diagramm gemäss Fig. 4 dargestellten Verlauf für die Gasblasenzahl Z und für X , wobei der Masstab der Ordinate willkürlich gewählt ist. Die analogen Überlegungen sind auch auf die Druckerniedrigung angewendet worden.The calculation of the experiment according to the diagram according to FIG. 3 results with a suitable choice of the equation constants those shown in the diagram according to FIG Course for the number of gas bubbles Z and for X, the scale of the ordinate being arbitrary is chosen. The analogous considerations are also applied to lowering the pressure been.

8 Patentansprüche 4 Figuren8 claims 4 figures

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Device for generating ultrasonic vibrations in a cavitating liquid, consisting of a container for the liquid and from one or more ultrasonic vibrators acting on the liquid7 for the treatment of solid and / or liquid media, d u r c h e k e n n z E i c h -n e t that the container (5 or 11) is pressure-resistant and closable on all sides and with a device (7 or 18) for generating an overpressure on the im Liquid in the container (4 or 15) during the sonication process or is provided during part of this sonication process.

2. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that to generate the overpressure in the container (5 or ii) a compressed Gas', especially compressed air, is used.

3. Device according to the preceding claims, d a d u r c h g e k e It is noted that the container (5 or 11) is used to bring in the Media with a gas-tight seal arranged above the liquid level Lid (17) is provided.

4. Apparatus according to the preceding claims, d a d u r c h g e k e It is noted that holding devices (16) for inside the container the media to be treated are intended.

5. Apparatus according to the preceding claims, d; a d u r c h g e k It is noted that there is one on the container for measuring the sound intensity in the liquid suitable measuring device (9) attached gas-tight and pressure-tight is.

6. Apparatus according to the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n e i n e t that the power of a high-frequency generator that drives the ultrasonic transducer (3 or 14) feeds, is variable and can be read on an instrument.

7. Ger according to the preceding claims, d a d u r c h g e k e n It is noted that the ultrasonic transducer (14) is attached to the container (11) is.

8. Apparatus according to claims 1 to 6, d a d u r c h g e -k e n n z E i c h n e t that for the transmission of the sound energy from the ultrasonic transducer (3) A liquid (1), in particular degassed water, is used for the container (5) will.