DE19614240C1 - Ultraschallvorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallvorrichtung der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Eine solche Ul­ traschallvorrichtung ist aus RÖMPP CHEMIELEXIKON, Georg Thieme Verlag Stuttgart-New York, 9. Auflage, 1992, Band 6, S. 4800-4803, Stichwort "Ultraschall", bekannt.

Aus der genannten Literaturstelle ist es bekannt, daß im Wasser befindliche Zellen von Kleinlebewesen (Bakterien, Algen) durch Ultraschall großenteils zerrissen werden, daß Milch bei Ul­ trabeschallung keimfrei wird und daß Kleintiere bei ausreichen­ der Intensität der Ultraschallquelle getötet werden können. Als Ultraschallquellen dienen mechanische oder elektrische Ul­ traschalleistungswandler. Die durch die Ultraschalleistungs­ wandler erzeugte Druckwelle kann mittels speziell geformter Ul­ traschallhörner den Erfordernissen angepaßt werden. Dies schlägt die genannte Literaturstelle in Verbindung mit der Ver­ wendung der Ultraschallvorrichtung zur Reinigung von Werkstücken vor, gibt aber keine näheren Hinweise, wie ein solches Ul­ traschallhorn ausgebildet sein soll.

Mit der bekannten Ultraschallvorrichtung läßt sich somit zwar die sich im Ultraschallhorn oder in unmittelbarer Nähe des Leistungswandlers befindliche Flüssigkeitsmenge entkeimen, nicht aber eine größere Flüssigkeitsmenge, insbesondere keine solche, die in einem Flüssigkeitskreislauf in keimfreier Form benötigt wird. Weiter gibt die genannte Literaturstelle keiner­ lei Hinweis darauf, wie die Ultraschallvorrichtung aufgebaut sein kann, damit auch bestehende Flüssigkeitsbehälter oder -kreisläufe damit nachrüstbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ultraschallvorrichtung der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Art derart aus­ zubilden, daß mit ihr mühelos auch eine größere als die sich in ihrer unmittelbaren Nähe befindliche Flüssigkeitsmenge oder eine sich in einem bestehenden Kreislauf befindliche Flüs­ sigkeit entkeimt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Ultraschallvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der Ultraschallvorrichtung nach der Erfindung ist das Ul­ traschallhorn an seinem ersten Ende an den Ultra­ schalleistungswandler angeschlossen. Der Ultraschalleistungs­ wandler ist mittels einer Haltevorrichtung so gehalten, daß er auf der Seite, die dem Ultraschallhorn zugewandt ist, mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt. Das Ultraschallhorn ist so mit Ultraschall wirkungsvoll beschallbar, so daß die in dem Ul­ traschallhorn befindliche Flüssigkeit entkeimt werden kann. Das Ultraschallhorn weist in einem innenwandbereich mehrere Durch­ brüche zum Ein- und/oder Ausströmen von Flüssigkeit auf. Durch die Durchbrüche kann die Flüssigkeit in das Ultraschallhorn eintreten, dort mit Ultraschall hoher Intensität beschallt und so in Schwingung versetzt werden. Dadurch, daß die Durchbrüche in einem Innenwandbereich zwischen der Engstelle des Ultra­ schallhorns und seinem zweiten, freien Ende angeordnet sind, werden die Flüssigkeitsteilchen durch die von dem Ultra­ schalleistungswandler erzeugte Druckwelle zu dem freien Ende getrieben und können dort frei austreten, während Flüssigkeit durch die Durchbrüche stets nachströmt. So wird die Flüssigkeit in dem Ultraschallhorn auch bei fehlender äußerer Strömung stets ausgetauscht. Falls das freie Ende entgegen einer in der Flüssigkeit bestehenden äußeren Strömung angeordnet wird, so strömen die Flüssigkeitsteilchen durch das freie zweite Ende des Ultraschallhorns in das Ultraschallhorn hinein, werden dort durch die Ultraschallbeschallung keimfrei gemacht und durch die Druckwelle zum Innenwandbereich des Ultraschallhorns gedrängt, wo sie durch die Durchbrüche frei ausströmen können. Damit ist eine Ultraschallvorrichtung geschaffen, die sowohl in einen existierenden Flüssigkeitskreislauf zum Entkeimen der Flüssig­ keit integriert werden kann, als auch, falls die Vorrichtung in einen Behälter mit ruhender Flüssigkeit eingebracht wird, selbst einen Flüssigkeitskreislauf durch das Ultraschallhorn hindurch erzeugen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegen­ stände der Unteransprüche.

Falls auf der zu dem Ultraschallhorn entgegengesetzten Seite des Ultraschalleistungswandlers ein Körper großer Masse an der Haltevorrichtung befestigt ist, so wird der Ultraschallei­ stungswandler seine Ultraschalleistung bevorzugt in der zu dem Körper großer Masse entgegengesetzten Richtung abgeben. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn der Körper großer Masse aus einem Material mit schlechter Schalleitfähigkeit besteht.

Da an dem Ultraschalleistungswandler sehr hohe elektrische Spannungen anliegen können, ist es vorteilhaft, die Haltevor­ richtung in ein Gehäuse einzubauen, das auf der zu dem Ultra­ schallhorn entgegengesetzten Seite mit einem Abschirmgehäuse aus elektrisch leitfähigem Material versehen ist. In diesem Falle kommt es auch dann nicht zu Verletzungen bei dem Bedien- oder Wartungspersonal, wenn die Ultraschallvorrichtung unbeabsichtigt während des Betriebes angefaßt wird. Das Ab­ schirmgehäuse kann mit Öffnungen zum freien Ein- und Austritt von Flüssigkeit versehen sein, so daß auch die dem Ultraschall­ horn entgegengesetzte Seite des Ultraschalleistungswandlers oder der dort befestigte Körper großer Masse mit Flüssigkeit umspült ist. Falls diese Seite nur mit Luft in Kontakt käme, würde der Ultraschalleistungswandler zuviel Ultraschalleistung in dieser Richtung anstatt in Richtung des Ultraschallhorns ab­ geben, da Luft der Ultraschallabgabe weniger Widerstand entge­ gensetzt als die Flüssigkeit.

Eine besonders kompakte und damit für das Nachrüsten bei beste­ henden Anlagen vorteilhafte Bauweise der Ultraschallvorrichtung nach der Erfindung ergibt sich dann, wenn das Abschirmgehäuse kuppelförmig aufgebaut ist. Eine kompakte Bauweise wird auch dadurch erreicht, daß das Gehäuse an einer Befestigungseinrich­ tung mit integrierter Anschlußleitungsdurchführung befestigt wird, so daß separate Befestigungseinrichtungen und Anschluß­ einrichtungen vermieden werden.

Die Effizienz der Ultraschallvorrichtung nach der Erfindung ist am größten, wenn das Ultraschallhorn an die Ultraschallfre­ quenz, die zum Entkeimen der Flüssigkeit verwendet werden soll, angepaßt ist. Dazu ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die Innenwandung des Ultraschallhorns zwischen dem ersten und dem zweiten Ende in mehrere Abschnitte aufzuteilen, wobei die Innenwandung des Ultraschallhorns in den verschiedenen Abschnitten im Längsschnitt verschiedene Krüm­ mungsradien oder Geraden unterschiedlicher Steigung aufweist. Die Krümmungsradien bzw. die Geradensteigungen, die Anzahl und die Länge der Abschnitte sowie die Länge des Ultraschallhorns sind Parameter, die die Frequenzabstimmung des Ultraschallhorns beeinflussen. Zwischen einzelnen Abschnitten kann als Tren­ nungslinie eine Kante vorgesehen sein, indem der Übergang von einem Krümmungsradius in den anderen bzw. zwischen den Geraden unterschiedlicher Steigung abrupt erfolgt. Eine solche Kante wirkt als Beugungskante für die Druckwelle. Je nach Lage der Trennungslinie und/oder der Kante sind damit die Form der Druckwelle und die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen be­ einflußbar, und insbesondere ist die Druckwelle dadurch auf be­ stimmte Stellen im Ultraschallhorn und/oder vorderhalb des sel­ ben, insbesondere in dessen Längsachse, fokussierbar.

Eine besonders wirkungsvolle Durchströmung des Ultraschallhorns mit der Flüssigkeit wird erreicht, wenn die Durchbrüche so an­ geordnet sind, daß ihre Zentren in der Innenwandung des Ultra­ schallhorns auf einer Trennungslinie zwischen zwei Abschnitten, vorzugsweise auf einer Kante zum Beugen der Druckwelle liegen, da dort der Sog bzw. Druck in der Flüssigkeit erhöht ist.

Eine Verbesserung der Durchströmung ist auch erzielbar, wenn die Durchbrüche schräg so verlaufen, daß die Flüssigkeitsströ­ mung von den Durchbrüchen zu dem freien Ende des Ultraschall­ horns oder umgekehrt an dem Übergang zwischen der Innenwandung des Ultraschallhorns und den Durchbrechungen nur leicht abge­ winkelt wird. Darum verlaufen bei einer vorteilhaften Ausge­ staltung der Erfindung die Durchbrüche so, daß ihre Mittelach­ sen, die sich in einem Schnittpunkt mit einer Längsachse des Ultraschallhorns schneiden, mit einem von dem Schnittpunkt durch das zweite, freie Ende verlaufenden Teilabschnitt der Längsachse einen stumpfen Winkel einschließen.

Eine besonders einfach herstellbare Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Durchbrüche kreisförmige Bohrungen sind.

Vorteilhafterweise weist der Innenraum des Ultraschallhorns an dessen erstem Ende eine Querschnittsfläche auf, die in etwa der Querschnittsfläche des Ultraschalleistungswandlers entspricht, damit ein möglichst großer Anteil der von dem Ultraschalleistungswandler abgegebenen Ultraschalleistung in das Ultraschallhorn einkoppelbar ist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich das Ultraschallhorn von dem ersten Ende aus bis zu der Engstelle fortschreitend verengt und sich von der Engstelle aus zu dem zweiten Ende fortschreitend erwei­ tert, so daß das Ultraschallhorn als eine Art Düse ausgebildet ist. Die Engstelle wirkt in diesem Fall als Reflexionsbeuge­ stelle für die Druckwelle. Je nach Lage der Engstelle sind ver­ schiedene Ausführungen des Ultraschallhorns für verschiedene Ultraschallfrequenzen möglich. Wenn sich die Engstelle unmit­ telbar bei dem ersten Ende befindet, hat das Ultraschallhorn die Form eines Trichters statt einer Düse.

Eine besonders kompakte und einfache Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Ultraschallvorrichtung besteht darin, daß das Ul­ traschallhorn rotationssymmetrisch ist.

Wenn weiter, wie bei einer besonders vorteilhaften Ausgestal­ tung der Erfindung vorgesehen, das Ultraschallhorn aus einem gut schalleitenden Material wie z. B. Titan besteht, wird die Tendenz, die Ultraschalleistung bevorzugt in Richtung des Ul­ traschallhorns abzugeben, noch verstärkt.

Ein besonders vorteilhafter Verwendungszweck der erfindungsge­ mäßen Ultraschallvorrichtung ist in einer bevorzugten Ausge­ staltung derselben deren Einsatz in einer Vorrichtung zur Auf­ arbeitung von Kühl- und/oder Schmierölemulsionen, insbesondere Bohrölemulsionen oder ähnlichen technischen Flüssigkeiten. Ge­ rade in technischen Flüssigkeitskreisläufen, die mit der Umge­ bung in Kontakt treten, wie insbesondere bei Bohrölemulsionen, entstehen oft ganze Bakterienkulturen. Falls nun Bedienungsper­ sonal mit Bohrölemulsionen oder ähnlichen mit Keimen belasteten technischen Flüssigkeiten in Berührung kommt, welche bei den hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten in der modernen Industrie auch ohne weiteres als Aerosole in der Luft verteilt vorliegen können, kommt es oft zu erheblichen gesundheitlichen Beeinträchtigungen. Die erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung kann so kompakt hergestellt werden, daß sie direkt in Werkzeug­ maschinen in deren Kühl- und/oder Schmierstoffkreislauf inte­ grierbar ist, um die vorgenannten Beeinträchtigungen zu verhin­ dern. Durch die Optimierung der Ultraschallabgabe benügt sich die Ultraschallvorrichtung dabei überdies mit einer minimalen Energiemenge, so daß der Nachrüstung einer Aufarbeitungsvor­ richtung der genannten Art mit einer Ultraschallvorrichtung nach der Erfindung also auch unter dem Gesichtspunkt des Ener­ giebedarfs nichts im Wege steht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ultraschallvorrichtung zum Entkeimen von Flüs­ sigkeiten in einer ersten Funktionsweise, und

Fig. 2 die Ultraschallvorrichtung gemäß Fig. 1 in einer zweiten Funktionsweise.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht eine Ultraschallvorrichtung 2 aus einem äußeren Gehäuse 4, das auf seiner Rückseite 10 mit einem mit Öffnungen 6 versehenen kuppelförmigen Abschirmgehäuse 8 versehen ist. In dem Gehäuse 4 ist eine Haltevorrichtung 12 für einen Ultraschalleistungswandler 14 angeordnet. Die Haltevorrichtung 12 ist auf der Vorderseite 16 des Gehäuses 4 mit einem Ultraschallhorn 18 verbunden.

Die Haltevorrichtung 12 hat nahezu denselben Aufbau wie eine in der DE 42 20 205 C1, auf die für nähere Einzelheiten verwiesen wird, offenbarte Haltevorrichtung. In der Haltevorrichtung 12 ist der Ultraschalleistungswandler 14 derart gehalten, daß er zumindest auf der dem Ultraschallhorn 18 zugewandten Seite 20 mit einer zu entkeimenden Flüssigkeit 22 in Kontakt kommt. Dazu ist das Gehäuse 4 in die Flüssigkeit 22 eingetaucht, was durch einen mit 24 bezeichneten Flüssigkeitsspiegel angedeutet ist. Auf einer zu dem Ultraschallhorn 18 entgegengesetzten Seite 26 des Ultraschalleistungswandlers 14 ist in der Haltevorrichtung 12 ein Körper 28 mit großer Masse angeordnet, über den an den Ultraschalleistungswandler 14 eine Hochspannung mit hoher Fre­ quenz angelegt wird. Der Körper 28 besteht aus einem Material mit schlechter Schalleitfähigkeit, bevorzugt aus Bronze. An dem Körper 28 ist zum Anschluß einer nicht gezeigten Hochspannungs­ versorgungsleitung eine Anschlußschraube 30 vorgesehen. Der Ul­ traschalleistungswandler 14 weist wenigstens zwei im Quer­ schnitt kreisförmige Platten 31, 33 als piezoelektrische Ele­ mente auf, von denen die Platte 31 auf ihrer Rückseite mit dem Körper 28 in Kontakt ist und von denen die Platte 33 auf ihrer Rückseite ein nicht dargestelltes Federblech aufweist, das ge­ gen die Platte 31 isoliert ist und am äußeren Rand eine hervor­ stehende Zunge (nicht dargestellt) aufweist, die auch mit dem Körper 28 in Kontakt ist. Die andere Klemme der Hochspannungs­ quelle ist über isoliert in dem Gehäuse 4 befestigte Anschluß­ schrauben 29a und 29b mit den Vorderseiten der Platten 31 bzw. 33 über nicht dargestellte Zungen elektrisch verbunden. Nähere Einzelheiten, insbesondere über die Anschlüsse und die Isolie­ rung der Platten 31, 33, finden sich in der oben erwähnten DE 42 20 205 C1.

Wichtig ist hier, daß die Seite 26 und eine dazu entgegenge­ setzte Seite 20 des Ultraschalleistungswandlers 14 galvanisch voneinander, vom Gehäuse 4 und vom Ultraschallhorn 18 getrennt sind. Die galvanische Trennung zwischen dem Ultraschallhorn 18 und dem Ultraschalleistungswandler 14 erfolgt mittels eines zwischen dem Ultraschallhorn 18 und dem Ultraschalleistungs­ wandler 14 angeordneten Isolierrings 35.

Das Abschirmgehäuse 8 wirkt als Faradaykäfig, um die an dem Körper 28 anliegende hohe elektrische Spannung von der Umgebung abzuschirmen. Das Gehäuse 4 ist an einer Befestigungseinrich­ tung 32 mit integrierter Anschlußleitungsdurchführung 34 befe­ stigt.

Die Befestigungseinrichtung 32 ist wie das gesamte Gehäuse 4 mittels einer Isolierung 36 von der Haltevorrichtung 12 elek­ trisch isoliert. Mit der Befestigungseinrichtung 32 ist die Ul­ traschallvorrichtung 2 in einen (nicht dargestellten) Vorrats­ behälter für Kühl- und/oder Schmierflüssigkeiten einer (ebenfalls nicht dargestellten) Werkzeugmaschine eingebaut und zwar so, daß der Flüssigkeitsspiegel 24 in dem Vorratsbehälter wie in Fig. 1 gezeigt in etwa bis zu dem Übergang zwischen dem Gehäuse 4 und der Befestigungseinrichtung 32 reicht. Dabei ist die Befestigungseinrichtung 32 bevorzugt an einem Teil eines Deckels des Vorratsbehälters angebracht, so daß sie mit dem Deckel leicht entfernt und gewartet werden kann.

Im folgenden wird nun der Aufbau des Ultraschallhorns 18 be­ schrieben. Das Ultraschallhorn 18 ist mit einem ersten Ende 38 an den Ultraschalleistungswandler 14 angeschlossen. Das Ultra­ schallhorn 18 verjüngt sich von dem ersten Ende 38 aus stetig bis zu seiner von dem ersten Ende 38 beabstandeten Engstelle 40 und erweitert sich stetig von der Engstelle 40 aus zu seinem zweiten, freien Ende 42 hin. Das Ultraschallhorn 18 ist so wie eine Art Düse geformt, wobei sich an seinem ersten Ende 38 der Ultraschalleistungswandler 14 befindet und das zweite Ende 42 frei von der Flüssigkeit 22 durchströmbar ist. Die Wandung 44 des Ultraschallhorns 18 ist rotationssymmetrisch um eine Längsachse L. Der Innenraum 46 weist an dem ersten Ende 38 eine Querschnittsfläche auf, die in etwa der Querschnittsfläche des Ultraschalleistungswandlers 14 entspricht. Die Wandung 44 und insbesondere die Innenwandung 48 des Ultraschallhorns 18 weisen in Längsrichtung drei Abschnitte A, B und C mit jeweils ver­ schiedenen Krümmungsradien auf. Die Übergänge zwischen den Krümmungsradien sind nicht kontinuierlich, sondern abrupt ge­ halten, so daß an der Trennungslinie zwischen dem Abschnitt A und dem Abschnitt B eine erste Kante 50 und an der Trennungsli­ nie zwischen dem Abschnitt B und dem Abschnitt C eine zweite Kante 52 in der Innenwandung 48 ausgebildet ist. Die Trennungs­ linien oder Kanten 50, 52 verlaufen so, daß sie Ebenen auf­ spannen, die zu der Längsachse L rechtwinkelig sind.

Die Wandung 44 weist zwischen der Engstelle 40 und dem zweiten Ende 42 vier kreisförmige Bohrungen 54 als Durchbrüche auf, wo­ bei die Mittelachsen M der kreisförmigen Bohrungen 54 die In­ nenwandung 48 genau an der zweiten Kante 52 durchstoßen, so daß die Zentren Z der kreisförmigen Bohrungen 54 in der Innenwan­ dung 48 in der durch die zweite Kante 52 aufgespannten Ebene zu liegen kommen. Die kreisförmigen Bohrungen 54 verlaufen schräg zu der Längsachse L, so daß ihre Mittelachsen M, die die Längsachse L des Ultraschallhorns in einem Schnittpunkt S schneiden, mit einem von dem Schnittpunkt S durch das freie Ende 42 verlaufenden Teilabschnitt SL der Längsachse L einen stumpfen Winkel α einschließen.

Im Betrieb erzeugt der Ultraschalleistungswandler 14 in der Flüssigkeit 22 eine Druckwelle 56, die sich in dem Innenraum 46 des Ultraschallhorns 18 von dem ersten Ende 38 zu dem zweiten Ende 42 fortpflanzt. Die Kanten 50 und 52 sowie die Engstelle 40 wirken dabei als Beugekanten, an der die Druckwelle 56 ge­ beugt und auf die Längsachse L fokussiert wird. Dadurch, daß die Mittelachsen M mit dem Teilabschnitt SL der Längsachse L einen stumpfen Winkel α einschließen, entstehen an den Übergän­ gen zwischen den Bohrungen 54 und der Innenwandung 48 Über­ gangskanten 58 und 60, die ebenfalls als Beugekanten für die Druckwelle 56 wirken.

Durch die Beugung an den Kanten 50, 52, 58 und 60 wird die Druckwelle 56 auf die Längsachse L fokussiert und gebündelt. Die Bündelung der Druckwelle 56 ist so stark, daß die Ultra­ schalleistung auch noch bis in eine Distanz von ca. einem Meter und mehr weitergegeben wird. In einem Versuchsaufbau wurde ein Prototyp der Ultraschallvorrichtung 2 in einem Acryl­ glasbehälter befestigt und in Betrieb gesetzt. Dabei ist in ei­ ner Entfernung von 1,10 Meter der Acrylglasbehälter noch durch­ geschweißt worden. Die Ultraschallvorrichtung 2 hatte dabei eine Leistungsaufnahme von nur ca. 100 Watt.

Die besondere Ausgestaltung des Ultraschallhorns 18 bewirkt, daß Flüssigkeitsteilchen durch die Druckwelle 56 in Richtung R aus dem zweiten Ende 42 des Ultraschallhorns hinausgetrieben werden. Dabei wird, wie durch Pfeile 62 angedeutet, stets Flüs­ sigkeit 22 durch die Bohrungen 54 nachgesaugt. In dem Vorrats­ behälter entsteht so auch ohne Pumpe eine Flüssigkeitsströmung, die bewirkt, daß das gesamte Volumen der Flüssigkeit 22 in dem Vorratsbehälter umgewälzt und auf diese Weise absolut entkeimt wird. Die Förderleistung der Ultraschallvorrichtung 2 betrug bei dem Prototyp mit ca. 100 Watt Leistungsaufnahme etwa 1 m³ Flüssigkeit pro Stunde.

Anhand von Fig. 1 ist die Ultraschallvorrichtung 2 in einer Funktionsweise beschrieben worden, in der mit ihr ein Vorrats­ behälter einer Werkzeugmaschine, der eine ruhende Flüssigkeit 22 enthält, nachgerüstet worden ist.

Die Ultraschallvorrichtung 2 kann aber auch in bereits beste­ hende Flüssigkeitskreisläufe eingebaut werden, z. B. bei Werk­ zeugmaschinen direkt in den Vorlauf oder Rücklauf einer Kühl- oder Schmiermittelpumpe. Ein solches Anwendungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt. Gemäß Fig. 2 wird die Flüssigkeit 22 mittels einer Pumpe 64 durch das zweite Ende 42 in den Innenraum 46 des Ultraschallhorns 18 geleitet. In dem Innenraum 46 wird die Flüssigkeit mit der Druckwelle 56 beaufschlagt und kann nach der Ultraschallbeschallung über die Bohrungen 54 wieder nach außen treten. Die Strömung der Flüssigkeit 22 ist in Fig. 2 durch Pfeile R′ und 62′ angedeutet.

Die Ultraschallvorrichtung 2 kann selbstverständlich in ver­ schiedenen Größen und für verschiedene Ultraschallfrequenzen hergestellt werden. Dabei ist das Ultraschallhorn 18 jeweils auf die zu verwendende Ultraschallfrequenz abgestimmt. Die Ab­ stimmung erfolgt bereits bei der Herstellung des Ultraschall­ horns 18 durch empirische Bestimmung der günstigsten Maße des Ultraschallhorns 18 sowie der Krümmungsradien der Abschnitte A, B und C und der günstigsten relativen Lage der Engstelle 40 und der Kanten 50, 52, 58 und 60. Der Prototyp, der als Vorbild für die Darstellungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 diente, war auf eine Ultraschallfrequenz zwischen 50 kHz und 400 kHz abstimmbar.

Als Ultraschalleistungswandler 14 sind zwar verschiedene Lei­ stungswandler denkbar, bevorzugt sind jedoch die kreisförmigen Platten 31, 33 piezoelektrische Elemente, wie sie auch in der oben erwähnten DE 42 20 205 C1 offenbart sind.

Die bevorzugt verwendeten Materialien sind Werkstoffe mit sehr hoher Schalleitfähigkeit, z. B. Titan, für das Ultraschallhorn 18, Aluminium für die Gehäuse 4 und 8 und Keramik oder glasfaserverstärkter Kunststoff für die Isolierungen 35 und 36. Natürlich sind auch vielfältige andere Materialien für die ge­ nannten Bauteile denkbar.

Ein möglicher Anwendungszweck der beschriebenen Ultraschallvor­ richtung 2 wäre beispielsweise in einer Vorrichtung zum Aufbe­ reiten von Bohrölemulsionen mit ähnlicher Wirkung und/oder ähn­ lichem Aufbau wie eine aus der DE 37 13 122 A1 bekannte Vor­ richtung. Der Hauptvorteil einer Vorrichtung zum Aufbereiten von Bohrölemulsionen in Form der hier beschriebenen Ultra­ schallvorrichtung 2 bestünde gegenüber der bekannten Vorrich­ tung darin, daß sie erheblich kostengünstiger herstellbar wäre.

Die Ultraschallvorrichtung 2 muß aber nicht stationär ange­ bracht sein, sie kann auch an einem Schwimmer angebracht sein und anstatt in einem Vorratsbehälter einer Werkzeugmaschine in einem See oder Teich auf der Oberfläche schwimmen oder in einem Auslaß von Kläranlagen oder in Schwimmbädern zur Entkeimung eingesetzt werden. Beim Einsatz der Ultraschallvorrichtung 2 in Schwimmbädern zur Entkeimung können Chlor- oder Redox-Anlagen eingespart werden.

Anstatt wie in Fig. 2 im Rücklauf der Pumpe 64 könnte die Ul­ traschallvorrichtung 2 auch in einer von der Flüssigkeit 22 durchströmten Leitung (nicht dargestellt) angeordnet sein. Die lichte Weite der Leitung wäre in diesem Fall größer als der größte Außendurchmesser oder die größte Außenabmessung der Ul­ traschallvorrichtung 2, so daß die Flüssigkeit 22 an der Ultra­ schallvorrichtung 2 vorbeifließen könnte.

Die Entkeimungswirkung der Ultraschallvorrichtung 2 beruht auf durch den Ultraschall erzeugten Kravitäten in Form von Gasbläs­ chen, die kollabieren, wobei sich oft ein Flüssigkeitsstrahl bildet, der mit hoher Geschwindigkeit durch das Gasbläschen schießt. Es bilden sich Drücke bis 10 000 bar und Temperaturen bis 10000° Kelvin. Ferner kann es zu Ladungstrennungen kommen, die elektrische Entladungen zur Folge haben. Die Zerstörung von Bakterien, Pilzen, Viren und anderen Keimen können gegen diese Art der mechanischen Zerstörung keine resistenten Mutationen bilden, wie dies beim Einsatz chemischer Desinfektionsmittel möglich ist. Der Entkeimvorgang ist sehr kostengünstig und be­ lastet die Umwelt nicht, weil keine chemischen Substanzen ein­ gesetzt und deswegen auch nicht abgebaut werden müssen. Bei Verwendung der Ultraschallvorrichtung 2 zum Entkeimen des Was­ sers in Schwimmbädern kann somit die Zugabe von Chlor stark re­ duziert oder gar vermieden werden. Trinkwasser, das normaler­ weise durch Zugabe von Ozon oder Chlor entkeimt wird, ließe sich beispielsweise in Entwicklungsländern unter Einsatz der Ultraschallvorrichtung 2 direkt an dem Wasserhahn oder dem Trinkwasseranschluß eines Hauses installieren. Auch ist der Einsatz zum Reinigen von Blutplasma von HIV-Viren oder allge­ mein von Viren hochmolekularen Ursprungs denkbar.

Der Einsatz der Ultraschallvorrichtung 2 zum Entkeimen von Kühlschmieremulsionen hat zusätzlich noch den Effekt, daß die Emulsionen nach der Ultraschallbeschallung sehr fein vorliegen.

Claims (17)

1. Ultraschallvorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten, mit wenigstens einem Ultraschalleistungswandler (14) zum Beauf­ schlagen der Flüssigkeit (22) mit Ultraschall, an den ein Ul­ traschallhorn (18) zum Formen der durch den Ultraschall erzeug­ ten Druckwelle (56) mit einem ersten Ende (38) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalleistungswandler (14) in einer Haltevorrichtung (12) derart gehalten ist, daß er wenigstens auf der Seite (20), die dem Ultraschallhorn (18) zu­ gewandt ist, mit der Flüssigkeit (22) in Kontakt kommt, und daß das Ultraschallhorn (18) in einem Innenwandbereich zwischen seiner Engstelle (40) und seinem zweiten, freien Ende (42) mit Durchbrüchen (54) zum Ein- und/oder Ausströmen von Flüssigkeit (22) in das bzw. aus dem Ultraschallhorn (18) versehen ist.

2. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß auf der zu dem Ultraschallhorn (18) entgegengesetzten Seite (26) des Ultraschalleistungswandlers (14) ein Körper großer Masse (28) an der Haltevorrichtung (12) befestigt ist.

3. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Körper großer Masse (28) aus einem Material mit schlechter Schalleitfähigkeit besteht.

4. Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (12) in ein Ge­ häuse (4) eingebaut ist, das auf der zu dem Ultraschallhorn (18) entgegengesetzten Seite (10) zum Abschirmen von an dem Ultraschalleistungswandler (14) anliegender Hochspannung mit einem Abschirmgehäuse (8) aus elektrisch leitfähigem Material versehen ist.

5. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Abschirmgehäuse (8) mit Öffnungen (6) zum freien Ein- und Austritt von Flüssigkeit (22) versehen ist.

6. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmgehäuse (8) kuppelförmig ist.

7. Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) der Ultraschallvorrichtung eine Befestigungseinrichtung (32) mit integrierter Anschlußleitungsdurchführung (34) aufweist.

8. Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (48) des Ultra­ schallhorns zwischen dem ersten (38) und dem zweiten Ende (42) in mehrere Abschnitte (A, B, C) aufgeteilt ist, in denen sie im Längsschnitt jeweils verschiedene Krümmungsradien oder Geraden unterschiedlicher Steigung aufweist.

9. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß an wenigstens einer Trennungslinie zwischen zwei Ab­ schnitten der Innenwandung eine Kante (50, 52) zum Beugen der Druckwelle (56) ausgebildet ist.

10. Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren (Z) der Durchbrüche (54) in der Innenwandung (48) des Ultraschallhorns (18) auf ei­ ner Trennungslinie zwischen zwei Abschnitten liegen.

11. Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (54) schräg ver­ laufen, so daß ihre Mittelachsen (M) sich in einem Schnittpunkt (S) mit einer Längsachse (L) des Ultraschallhorns schneiden und mit einem von dem Schnittpunkt (S) durch das zweite, freie Ende verlaufenden Teilabschnitt (SL) der Längsachse (L) einen stump­ fen Winkel (α) einschließen.

12. Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche kreisförmige Boh­ rungen (54) sind.

13. Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (46) des Ultraschall­ horns (18) eine Querschnittsfläche aufweist, die an dem ersten Ende (38) desselben in etwa der Querschnittsfläche des Ul­ traschalleistungswandlers (14 ) entspricht.

14. Ultraschalleistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Ultraschallhorn (18) von dem ersten Ende (38) aus bis zu der Engstelle (40) zuneh­ mend verengt und sich von der Engstelle (40) aus zu dem zweiten Ende (42) zunehmend erweitert.

15. Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallhorn (18) rotationssymmetrisch ist.

16. Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallhorn (18) aus einem gut schalleitenden Material besteht.

17. Vorrichtung zur Aufarbeitung von Kühlschmieremulsionen, insbesondere Bohrölemulsionen, gekennzeichnet durch eine Ultraschallvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16.