DE19717397A1 - Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Einkopplung von Ultra­ schall in ein flüssiges oder pastöses Medium und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen. Ein derartiges Gerät ist Ge­ genstand einer eigenen, nicht vorveröffentlichten Patentan­ meldung (DE 195 39 195 A1).

Bei einem bekannten Gerät ähnlicher Art (US-PS 4,016,436) ist ein einseitig an einen rohrförmigen Hohlraumresonator angesetzter Wellenleiter vorgesehen, der mittels eines pie­ zoelektrischen Transducers, der seinerseits elektrische Wechselspannungs-Ausgangssignale eines Wechselspannungsge­ nerators in longitudinale mechanische Schwingungen umwan­ delt, zu resonanten longitudinalen Schwingungen anregbar ist. An diesen Transducer ist mechanisch fest in einem flanschförmigen Bereich desselben der Hohlraumresonator aku­ stisch angekoppelt.

Bei einem weiteren Gerät ähnlicher Art (US-PS 5,200,666) wird an beiden Enden des rohrförmigen Resonators, der zur Konversion longitudinaler Schwingungen in transversale Schwingungen vorgesehen ist, mittels je eines Transducers Ultraschall-Energie eingekoppelt.

Es ist auch bekannt (US-PS 4,537,511), einen rohrförmigen Hohlraumresonator zu verwenden, der an beiden Enden abge­ schlossen ist und von einer Seite her mit dem mittels eines Transducers eingekoppelten Ultraschall beaufschlagt wird.

Bei all diesen Geräten wird die Länge des Hohlraumresonators gleichsam in einer ersten Näherung gemäß der Beziehung

L = nc₀/2f_r (A)

gewählt, in der n eine ganze Zahl bedeutet, mit c₀ die Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigen Resonator und mit f_r die mechanische Resonanzfrequenz des mit dem Trans­ ducer akustisch gekoppelten, zur Einleitung von Ultraschall in den Resonator benutzten Wellenleiters bezeichnet ist. Die Schallgeschwindigkeit c₀, ist durch die Beziehung

c₀ = √E/ϕ (B)

gegeben, in der mit E der Elastizitätsmodul (Young'scher Mo­ dul) und mit ϕ das spezifische Gewicht des Resonator-Mate­ rials bezeichnet ist.

Soweit durch eine Wahl der Resonatorlänge gemäß der erstge­ nannten Beziehung (A) suboptimale Ergebnisse erzielt werden, wird üblicherweise durch Versuche eine Korrektur der Resona­ torlänge ermittelt, was jedoch nur dann rationell ist, wenn anschließend eine größere Zahl solcher Geräte mit dieser durch Versuche ermittelten, optimalen Länge gebaut werden können. Spezialgeräte, die nur in geringen Stückzahlen ge­ baut werden, sind daher sehr teuer. Es kommt hinzu, daß bei einem solchen Vorgehen das Resultat oftmals relativ weit vom möglichen Optimum entfernt ist, was jedoch hingenommen wird, da das Gerät durch Nutzung eines leistungsstarken Frequenz­ generators und Transducers für den Einsatzzweck geeignet hergestellt werden kann. Auch derartige Geräte sind wegen der erforderlichen Überdimensionierung ihrer elektrischen Versorgung und des Transducers teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Gestaltung eines eingangs genannten Geräts anzugeben, das einen günstig hohen Übertragungs-Wirkungsgrad ergibt, und, nachdem es einmal ausgelegt ist, nicht, zumindest nicht nennenswerter Nachbe­ arbeitungen bedarf, um auf einen Betrieb mit optimalem Wir­ kungsgrad ausgelegt werden zu können, insbesondere ein Ge­ rät, das mit einer vorgegebenen Auslegung mit einem nahe dem optimalen Wirkungsgrad liegenden Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch eine Auslegung des Hohlraumresona­ tors entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Eine hiernach sich ergebende Abweichung der Resonatorlänge L von der Beziehung (A) kann relativ klein sein, so daß die erfindungsgemäße Auslegung gegenüber der Beziehung (A) nur eine entsprechend geringfügige Verbesserung ergibt, kann je­ doch in praktischen Fällen auch um fast 40% von dem durch die Beziehung (A) gewinnbaren Resultat abweichen, so daß, verglichen mit einem solchen Fall, die erfindungsgemäße Aus­ legung ein wesentlich besseres Resultat ergibt.

Auch für die gemäß Anspruch 2 angegebene, geschlossene Ge­ staltung des Hohlraumresonators wird durch die erfindungsge­ mäße Auslegung seiner Länge L, seines Außendurchmessers D und seiner Wanddicke eine sehr genaue Abstimmung auf die Re­ sonanzbedingungen erzielt. In der geschlossenen Konfigura­ tion des Hohlraumresonators ist dieser gemäß den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4 mit einem fluiden Kühlmedium spülbar und kann in diesem Fall mit Vorteil zur Ultraschallbehand­ lung von Metallschmelzen eingesetzt werden, um im erkalte­ ten, "harten", Zustand des behandelten Materials eine mög­ lichst feine und homogene Korngröße zu erzielen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5, bevorzugt in Kombination mit denjenigen des Anspruchs 6 läßt sich eine insbesondere für die Ultraschall-Behandlung von Flüssigkeiten vorteilhaf­ te Intensivierung der Kavitationsblasenbildung im behandel­ ten Material erzielen.

Die Gestaltung des Geräts gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 ergibt den Vorteil einer weitgehend homogenen Verteilung der in ein Behandlungsgut eingestrahlten Ultraschall-Ener­ gie.

In den Gestaltungen des Resonators des erfindungsgemäßen Ge­ räts gemäß den Merkmalen der Ansprüche 8 und 9 wird eine Transportwirkung entlang des Resonatormangels erzielt, die im Ergebnis zu einer gleichmäßigeren Behandlung des "strö­ menden" Gutes führt.

Durch die gemäß Anspruch 10 vorgesehene "exzentrische" An­ ordnung des Resonator-Innenraums gegenüber der zentralen Längsachse seiner äußeren Mantelfläche wird eine Richtwir­ kung bezüglich des abgestrahlten Ultraschall-Feldes erzielt, derart, daß über den dünnerwandigen Bereich des Resonator- Mantels mehr Ultraschallenergie abgestrahlt wird als über seinen dicker-wandigen Mantelbereich.

Die durch die Merkmale des Anspruchs 11 dem Grundgedanken nach und in zweckmäßigen Ausgestaltungen durch die Merkmale der Ansprüche 12 und 13 näher spezifizierte Gestaltung des Geräts mit einer aus mehreren Hohlraumresonatoren bestehen­ den, insgesamt langgestreckt-stabförmigen Ultraschallquelle hat den Vorteil einer raumsparenden Anordnung der Transducer innerhalb von Resonator-Elementen und bietet auch die Mög­ lichkeit, besonders hohe Schalleistungen in das Behandlungs­ gut einzustrahlen. In Kombination hiermit ist es zweckmäßig, wechselspannungs-gesteuerte Transducer als Spannungs-Schall­ wandler einzusetzen und hierbei einander in Längsrichtung der Ultraschallquelle benachbarte Transducer gegenphasig an­ zusteuern.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä- ßen Geräts zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges Medium, mit einem magnetostriktiven Trans­ ducer, der mittels eines Wellenleiter-Systems an ei­ nem zylindrisch-rohrförmigen Hohlraum-Resonator an­ gekoppelt ist,

Fig. 1a die Amplitudenverteilung longitudinaler und trans­ versaler Ultraschall-Schwingungen, zu denen der Transducer und der Resonator anregbar sind,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ge­ räts mit innerhalb von Hohlraumresonator-Elementen angeordneten piezoelektrischen Transducern,

Fig. 2a die Amplitudenverteilung longitudinaler und trans­ versaler akustischer Schwingungen, zu denen der Transducer und der Hohlraumresonator des jeweiligen Elements anregbar sind

Fig. 3a bis 3e spezielle Gestaltungen von Hohlraumresonato­ ren, die in Geräten gemäß den Fig. 1 und 2 einsetz­ bar sind und

Fig. 4 einen Resonator mit Kühlsystem.

In der Fig. 1 ist insgesamt mit 10 ein Gerät bezeichnet, mittels dessen Ultraschall in einem Frequenzbereich von 5 bis 50 kHz in ein fluides Medium 11, das dünnflüssig oder pastös oder auch fluid-ähnlich, z. B. feinkörnig-pulverför­ mig sein kann, einkoppelbar ist. Das Gerät umfaßt einen ins­ gesamt mit 12 bezeichneten Transducer, der in Form einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstromes angebotene elek­ trische Energie in (Ultra-) Schalleistung umsetzt, durch die ein insgesamt mit 13 bezeichnetes Wellenleitersystem zu er­ zwungenen longitudinalen Schwingungen, d. h. Schwingungen, deren Auslenkungen in Richtung der zentralen Längsachse 14 des Geräts 10 erfolgen, angeregt wird, deren Amplitudenver­ lauf durch die strich-punktiert eingezeichnete Verteilungs­ kurve 16 der Fig. 1a in Relation zu den geometrischen Abmes­ sungen des Transducers 12, des Wellenleitersystems 13 und eines mit diesem akustisch gekuppelten Hohlraumresonators 17 wiedergegeben ist, der seinerseits durch die longitudinalen Schwindungen des Wellenleitersystems 13 zu longitudinalen Schwindungen des Wellenleitersystems 13 zu longitudinalen und transversalen Ultraschall-Schwingungen angeregt wird, d. h. auch zu Schwindungen des Resonatormantels 18, der Aus­ lenkungen radial bezüglich der zentralen Längsachse 14 des Geräts 10 erfolgen. Die Amplitudenverteilung dieser trans­ versalen Schwindungen, zu denen der Hohlraumresonator 17 an­ regbar ist, ist durch die ausgezogene Amplituden-Vertei­ lungskurve 19 der Fig. 1a wiedergegeben. Der Hohlraumresona­ tor 17 ist so ausgelegt, daß er sowohl hinsichtlich der lon­ gitudinalen als auch hinsichtlich der transversalen Eigen­ schwingungen seines beim dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen, d. h. auf dem größten Teil seiner Länge L, zylindrisch-rohrförmigen ausgebildeten Mantels 18 der Reso­ nanzbedingung genügt.

Für das in der Fig. 1 dargestellte spezielle Ausführungsbei­ spiel ist vorausgesetzt, daß der Transducer 12 als magneto­ striktiver Transducer für sich bekannter Bauart ausgebildet ist, dessen lediglich schematisch angedeuteter Schwingkörper 21 durch Bestromung seines ebenfalls nur schematisch ange­ deuteten Feld-Wicklungssystems 22 im Takt des von einem Wechselstromgenerator 23 bereitgestellten Wechselstromes zu den Ultraschall-Schwingungen angeregt wird. Der Schwingkör­ per 21 des Transducers 12 ist im Sinne einer starken Schwin­ gungskopplung fest mit einem kegelstumpfförmig angeordneten Konzentrator 24 des Wellenleitersystems 13 verbunden, der seinerseits, z. B. durch eine Schraub-Verbindung 26 fest mit einem weiteren, der Grundform nach zylindrischen, ebenfalls als Konzentrator wirkenden Wellenleiter 27 gekoppelt ist, mit dem wiederum der Hohlraumresonator 12 im Sinne einer starken akustischen Kopplung fest verbunden ist, wobei diese Verbindung mittels eines nicht eigens dargestellten Gewindes realisiert sein kann.

Der Schwingkörper 21 des Transducers, der mit diesem verbun­ dene Konzentrator 24 und der weitere zylindrische Wellenlei­ ter 27 des Wellenleitersystems 13 sowie der Hohlraumresona­ tor 17 sind auf dieselbe - mechanische - Resonanzfrequenz ausgelegt, auf die auch die Frequenz des zur Bestromung des Feldwicklungssystems 22 des Transducers 12 genutzten Wech­ selstroms abgestimmt ist, der von dem Generator 23 geliefert wird.

Bei dieser Abstimmung entspricht die in Richtung der Längs­ achse 14 gemessene Länge des Schwingkörpers 21 des Transdu­ cers 12 einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der longitudinalen akustischen Schwindungen im - magnetos­ triktiven - Transducer-Material. In einer üblichen Gestal­ tung des Schwingkörpers 21 entspricht dessen Länge der hal­ ben Wellenlänge seiner resonanten longitudinalen Eigen­ schwingung.

Auch die axiale Ausdehnung des kegelstumpfförmig dargestell­ ten Konzentrators 24 entspricht üblicherweise der halben Wellenlänge seiner longitudinalen resonanten Eigenschwin­ gung, die, wegen der Materialabhängigkeit der Schallgesch­ windigkeit, einen anderen Wert haben kann als die Resonanz- Wellenlänge im Schwingkörper 21 des Transducers.

Auch die axiale Länge des zweiten Wellenleiters 27 bzw. Kon­ zentrators des Wellenleitersystems 13 entspricht der halben Resonanz-Wellenlänge im Wellenleiter-Material. Dieser zweite Wellen-Konzentrator 27 hat auf seiner gesamten Länge, abge­ sehen von einem in axialer Richtung nur wenig ausgedehnten, radialen Außenflansch 28, der zur Fixierung des Wellenlei­ tersystems 13 sowie des Hohlraumresonators 17 an einem Re­ aktorgefäß 29 vorgesehen ist, das das fluide Medium 11 ent­ hält, denselben Außendurchmesser D₀, dem auch der Außen­ durchmesser des Hohlraumresonators 17 entspricht.

Der zweite "zylindrische" Wellenkonzentrator 27 ist an der dem ersten Konzentrator 24 zugewandten Seite als "massiver" Zylinder ausgebildet und an seiner dem Hohlraumresonator 17 zugewandten Seite topfförmig gestaltet, wobei die Dicke δ des zylindrischen Topfmantels 31 des zweiten Wellenkonzen­ trators 27 gleich der Dicke des zylindrischen Resonatorman­ tels 28 ist. Die axiale Tiefe des zylindrischen Topfmantels 31, der die Schwingungs-Konzentration auf den Mantel des Hohlraumresonators 17 vermittelt, entspricht einem Viertel der Resonanz-Wellenlänge der longitudinalen Schwindungen im Material des zweiten Wellenkonzentrators 27. Demgemäß ist der Befestigungsflansch 28 in einer Knotenebene der longi­ tudinalen akustischen Schwindungen angeordnet, die über den zweiten Wellenkonzentrator 27 in den Hohlraumresonator 17 eingekoppelt werden, der dadurch sowohl zu longitudinalen wie auch zu transversalen Schwingungen resonant angeregt wird, durch deren Wirkung die Ultraschall-Behandlung des fluiden Mediums 11 erfolgt.

Der Hohlraumresonator 17 ist an seinem vom Transducer 12 entfernt angeordneten Ende halbkugelschalenförmig abge­ schlossen, wobei der Außenradius R_c dieses Resonator-Ab­ schlusses den Wert D₀/2 und die Dicke δ dieses kugelscha­ lenförmigen Resonator-Abschlusses 32 der Dicke δ des zylin­ dermantelförmigen Abschnitts 18' des Resonatormantels 18 entspricht.

Um optimale geometrische Abmessungen des Hohlraumresonators 17 zu erreichen ist es notwendig, daß dieser die Resonanzbe­ dingung sowohl für longitudinale als auch radiale Schwin­ gungsformen erfüllt, dies unter der Bedingung, daß die Schwingungsanregung durch longitudinale akustische Schwin­ gungen vorgegebener Frequenz erfolgt und daß auch der aku­ stische Widerstand der Last - des zu behandelnden Mediums adäquat berücksichtigt wird.

Demgemäß ist die zwischen der ringförmigen Stirnfläche 31 des Resonatormantels 18, mit der dieser an den zylinderman­ telförmigen Abschnitt 31 des zweiten Wellenkonzentrators 27 anschließt, und dem entferntesten Punkt 34 des kugelschalen­ förmigen Resonator-Abschlusses 32 gemessene Länge L des Hohlraumresonators 17 so gewählt, daß sie der folgenden Be­ ziehung genügt:

In dieser Beziehung ist mit f_r die "Resonanz"-Frequenz be­ zeichnet, auf die der Hohlraumresonator 17 ausgelegt sein soll. Sie ist im allgemeinen durch die Frequenz des Wech­ selstromgenerators 23 bestimmt, bei der dieser am effektiv­ sten arbeitet.

Mit c_lR ist die Schallgeschwindigkeit im Material bezeich­ net, aus dem der Hohlraumresonator besteht.

Sie ist durch die folgende Beziehung gegeben:

In dieser Beziehung ist mit E der Young'sche Elastizitäts­ modul des Resonatormaterials bezeichnet, mit µ der Posson'sche Querkontraktionskoeffizient des Resonator-Materials und mit ρ_R die Dichte des Resonator-Materials.

Der Außendurchmesser D₀ des Hohlraumresonators 17 ist gemäß der folgenden Beziehung gewählt:

Die in der Beziehung (1) enthaltene Größe ΔL und die in der Beziehung (3) enthaltene Größe ΔD genügen den folgenden Re­ lationen:

Diese Relationen gelten in sehr guter Näherung, wenn gleich­ zeitig die durch die nachfolgende Relation ausgedrückte Ne­ benbedingung erfüllt ist:

aus der sich die Wanddicke δ des Resonators ergibt.

In der Beziehung (5) ist mit c_lR die Schallgeschwindigkeit im Resonator-Material bezeichnet, mit c_L die Schallgeschwin­ digkeit in dem der Ultraschall-Behandlung unterworfenen "Last"-Medium und mit ρ_L die Dichte des zu behandelnden Me­ diums 11.

Die in den Beziehungen (4) und (4') enthaltenen Größen a und b werden, gleichsam als Schnittpunkts-Koordinaten zweier Funktionen a₁(y) und a₂(y) bestimmt, d. h. durch Aufsuchen der Lösung:

a₁ (b) = a₂(b) = a.

Diese Funktionen werden nachfolgend als Funktionen des ge­ meinsamen Parameters y der Einfachheit halber lediglich mit a₁ und a₂ bezeichnet. Sie sind implizit durch die folgenden Beziehungen gegeben:

Die beiden ersten Gleichungen (6/1) und (6/2) bilden ein transzendentes Gleichungssystem für die Funktionen a₁(y) und a₂ (y), in dem mit J_n die bekannten Besselfunktionen und mit N_n die ebenfalls bekannten Neumann'schen Funktionen bezeich­ net sind. Diese Funktionen J_n und N_n haben als Argument je­ weils diejenige Variable - a1, a2 oder y - mit der sie durch die weiteren Funktionen µ(x,Zn), ξ(x,Zn) und q(x,Zn) ver­ knüpft sind. In diesen Beziehungen steht "x" für die mögli­ chen Variablen a₁, a₂ oder y und Z_n für die jeweiligen Zy­ linderfunktionen, nämlich die Besselfunktion J_n oder die Neumann'schen Funktionen N_n.

Die Funktionen ξ, q und µ sind, mit entsprechender Nota­ tion, jeweils durch die Beziehungen (6/8), (6/9) und (6/10) definiert, wobei die in der Beziehung (6/10) enthaltene Funktion ϑ(x) durch die folgenden Relationen gegeben ist:

ϑ(x = a₁ oder a₂) = 1 und ϑ(x = y) = c².

c ist seinerseits durch die Beziehung (6/14) gegeben, in der mit c_lR die Schallgeschwindigkeit der longitudinalen Schwin­ gungen im Resonator und mit c_t die Schallgeschwindigkeit der transversalen Ultraschallschwingungen im Resonator bezeich­ net sind. Diese "transversale" Schallgeschwindigkeit genügt ihrerseits der Beziehung (6/15), in der mit ρ_R die Dichte des Resonatormaterials, mit E dessen Young'scher Elastizi­ tätsmodul und mit ν die Posson'scher Querkontraktionskon­ stante des Resonatormaterials bezeichnet sind.

Die in den Gleichungen (6/1) und (6/2) weiter genannten Funktionen β, deren Argument einmal die Funktion a₁ und einmal die Funktion a₂ sein kann, ist in allgemeiner Form durch die Beziehung (6/13) angegeben. Die weiter in den Gleichungen (6/1) und (6/2) enthaltenen Funktionen G sind durch die Beziehungen (6/11) und (6/12) angegeben. Die in der Gleichung (6/10) enthaltenen Funktionen κ² sind wiederum in allgemeiner Form durch die Beziehung (6/7) und die Beziehungen (6/3), (6/4), (6/5) und (6/6) definiert, wobei in der Beziehung (6/6) c_lR,t zum einen für c_lR und zum anderen für c_t steht.

Durch die Beziehung (6/6) sind Wellenzahlen k_l und k_t der longitudinalen und transversalen Schwingungen des Resonators bei der Resonatorfrequenz f_r angegeben.

Das Gleichungssystem (6/1) und (6/2) kann durch Variation des Parameters y auf einfache Weise ausgewertet werden.

Das in der Fig. 2, auf deren Einzelheiten nunmehr Bezug ge­ nommen sei, dargestellte weitere Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Geräts zur Ultraschall-Behandlung von flüssigen oder pastösen Medien ist nach Aufbau und Funktion zu dem anhand der Fig. 1 erläuterten weitgehend analog, so daß eine Erläuterung auf konstruktive Unterschiede bezüglich des Geräts 10 gemäß Fig. 1 beschränkt werden kann. Soweit für Elemente des Geräts 10' gemäß Fig. 2 dieselben Bezugs­ zeichen verwendet werden wie bei der Erläuterung des Geräts 10 der Fig. 1 geschehen, soll dies den Hinweis auf die Bau­ gleichheit oder -Analogie bedeuten und auch den Verweis auf die Beschreibung des Geräts 10 anhand der Fig. 1.

Bei dem Gerät 10' gemäß Fig. 2 besteht die insgesamt mit 35 bezeichnete Ultraschallquelle aus mehreren Hohlraumresonato­ ren, die entlang einer gemeinsamen zentralen Längsachse 14' angeordnet und fest miteinander verbunden sind. In einem "äußeren" Hohlraumresonator 17', dessen zylindrischer Mantel 18' mit dem Montageflansch 28 zur außenseitigen Befestigung an dem lediglich schematisch angedeuteten Reaktorgefäß 29 versehen ist, und einem "inneren" Hohlraumresonator 17, der gleichsam am weitesten innerhalb des Reaktorgefäßes angeord­ net ist und beim dargestellten, speziellen Ausführungsbei­ spiel dieselbe Form hat wie der anhand der Fig. 1 erläuterte Hohlraumresonator 17, sind mehrere identisch ausgebildete Hohlraumresonatoren 17'' als Zwischenelemente vorgesehen, von denen der Einfachheit halber lediglich eines dargestellt ist. Diese "Zwischen"-Hohlraumresonatoren 17'' sind der Grundform nach topfförmig gestaltet mit einem stabilen Boden 36 der Dicke L_B und einem rohrförmig-zylindrischen Mantel 18'. Sämtliche Resonatoren 17, 17' und 17'' haben dieselbe Länge L, dieselben Dicken δ ihrer zylindrischen Mantelab­ schnitte und denselben Außendurchmesser D₀, entsprechend den anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 erläuterten Auslegungs-Kriterien, wobei die Bodendicke L_B klein gegen die Länge L gewählt werden muß, was als diesbezügliches Aus­ legungskriterium genügt (z. B.: L_B ≦ L/10).

Die zwischen dem äußeren Hohlraumresonator 17' und dem halb­ kugelschalenförmig abgeschlossenen Hohlraumresonator 17 an­ geordneten, topfförmig gestalteten Hohlraumresonatoren 17'' sind im Bereich ihres Bodens 36 und im Bereich ihrer offenen Endabschnitte 37 mit komplementär gestalteten Außengewinden 38 und Innengewinden 39 gleicher axialer Ausdehnung L_S, die kleiner ist als die Bodendicke L_B, versehen, mittels derer sie fest aneinander angeschraubt werden können, derart, daß die äußere Bodenfläche des einen Hohlraumresonators 17'' an einer inneren Ringschulter 42 des benachbarten Hohlraumre­ sonators 17'' fest abgestützt ist. Dieselbe Art der festen Verbindung ist auch bezüglich des äußeren Hohlraumresonators 17' und des inneren, kugelschalenförmig abgeschlossenen Hohlraumresonators 17 mit dem jeweils benachbarten "Zwi­ schen"-Resonator 17'' vorgesehen.

In koaxialer Anordnung mit der zentralen Längsachse 14'' der Ultraschallquelle 35 ist am Boden 36 eines jeden der Zwi­ schen-Resonatoren 17'' ein insgesamt mit 42 bezeichneter Ul­ traschall-Transducer angekoppelt. Auch der innere Hohlraum­ resonator 17 des Geräts 10' ist durch eine Bodenplatte 36 abgeschlossen, an der der vom benachbarten topfförmigen Hohlraumresonator 17'' aufgenommene Transducer 42 angekop­ pelt ist.

Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist le­ diglich dem äußeren Hohlraumresonator 17' nicht ein gleich­ sam eigener Transducer 42 zugeordnet. Dieser einseitig offen rohrförmig gestaltete Hohlraumresonator 17' wird gleichsam von dem Transducer 42 mit versorgt, der am Boden 36 des be­ nachbarten topfförmigen Resonators 17'' fest angekoppelt ist, z. B. mittels einer schematisch angedeuteten Schraub- Verbindung 43.

Als Transducer 42 werden bei dem Gerät 10' gemäß Fig. 2 zweckmäßigerweise piezoelektrische Transducer verwendet, die als elektromechanische Spannungs-Schwingungswandler eine lediglich schematisch angedeutete, insgesamt mit 44 bezeich­ nete piezoelektrische Säule haben, die durch Ansteuerung mit einer Wechselspannung zu in Richtung der zentralen Längsach­ se 14' verlaufenden "Dicken"-Schwindungen, d. h. longitudi­ nalen Längenänderungen anregbar ist, die über einen Trans­ ducerblock 46, mittels dessen der Transducer 42 am Boden 36 des jeweils benachbarten Hohlraumresonators 17'' bzw. 17 be­ festigt ist, auf den jeweiligen Mantel 18 bzw. 18' bzw. 18'' des jeweiligen Hohlraumresonators 17'' bzw. 17 oder 17' übertragbar sind, wodurch dieser zu longitudinalen und transversalen Schwingungen anregbar ist.

Das Gerät 10' ist insbesondere für eine Ultraschallbehand­ lung flüssiger Medien in Reaktorgefäßen 29 geeignet, die ei­ ne relativ große Tiefe haben und Medium in entsprechend gro­ ßer "Schicht"-Dicke enthalten.

Zur Erläuterung einiger Varianten von Resonator-Gestaltun­ gen, die in sinngemäßer Anpassung sowohl in dem Gerät 10 ge­ mäß Fig. 1 als auch in dem Gerät 10' gemäß Fig. 2 Verwendung finden können, sei nunmehr auf die Fig. 3a bis 3e Bezug ge­ nommen.

Der Hohlraumresonator 17 _a gemäß Fig. 3a hat die Grundform eines zylindrischen Rohres, das auf dem überwiegenden Teil seiner Länge eine konstante Wanddicke δ, den Außendurchmes­ ser D₀ und eine gemäß der Beziehung (1) gewählte Länge L hat. In regelmäßigen Abständen, vorzugsweise in Abständen L/2, wobei L durch die Beziehung (1) für n = 1 gegeben ist, ist der Hohlraumresonator 17 _A mit äußeren, flanschförmigen Ringrippen 47 versehen, deren radiale Höhe h und deren in Richtung der Längsachse gemessene "axiale" Dicke l jeweils klein gegen den Außendurchmesser D₀ bzw. den axialen Abstand L/2 der Ringrippen 47 voneinander sind. "Klein" bedeutet hier einen Bruchteil um 1/10.

Durch diese Ringrippen 47, die in der Längsschnittdarstel­ lung der Fig. 3a eine rechteckige Kontur mit zwei kreisför­ migen peripheren Kanten 48 haben, wird, insbesondere im Be­ reich dieser Kanten 48, eine intensivere Kavitations-Blasen­ bildung in einer zu behandelnden Flüssigkeit erzielt und da­ mit eine Verbesserung des Behandlungs-Wirkungsgrades.

Dasselbe gilt sinngemäß für die Hohlraumresonatoren 17 _C und 17 _c und 17 _d gemäß den Fig. 3c und 3d mit Bezug auf eine spi­ ralförmig verlaufende äußere Rippe 49 mit z. B. dreieckigem oder trapezförmigem Querschnitt (Fig. 3c) oder für die in der Art eines mehrgängigen Gewindes ausgebildete Außenstruk­ tur des Resonators 17 _d gemäß Fig. 3d, bei der sich die in der Querschnittsdarstellung sternförmige Außenkontur 51 des Hohlraumresonators 17 _d ergibt, entsprechend den spiralförmig verlaufenden konkaven Rillen 52 und den diese gegeneinander absetzenden, spitzen, radial äußeren Rippenkanten 53' der Rippen 53.

Eine dem Resonator 17 _a ähnliche Resonator-Form hat der Hohl­ raumresonator 17 _e gemäß Fig. 3e, dessen Innenraum einen kon­ stanten Radius R_i hat, bei dem jedoch der Außenradius R(z) gemäß der Beziehung

entlang der zentralen Längsachse 54 als z-Koordinate gesehen räumlich variiert.

In dieser Beziehung (7) sind mit R₀ der mittlere Radius des Mantels 55 des Hohlraumresonators 17 _e bezeichnet, mit δR die Amplitude der Radiusänderung und mit z₀ die Periodenlän­ ge der räumlichen Radiusvariationen der Resonator-Außenflä­ che 56, gesehen in Richtung der zentralen z-Achse 54. Es versteht sich, daß der Minimalwert des durch die Beziehung (7) gegebenen Radius R(z) größer sein muß als der Radius R_i der inneren Mantelfläche des Hohlraumresonators 17 _e. Bei dieser Konfiguration des Hohlraumresonators 17 _e kann die Periodizität der "Wellen"-Struktur der Resonator-Außenfläche 56 auch signifikant kleiner sein als die Resonatorlänge L.

Im Unterschied zu den anhand der Fig. 3a und 3c bis 3e er­ läuterten Varianten, die, abgesehen von einer spiralförmigen Außenstruktur (Fig. 3c und 3d) axialsymmetrisch bezüglich der jeweiligen zentralen Längsachsen sind, hat der Hohlraum­ resonator 17 _b gemäß Fig. 3b eine insoweit von der zylindri­ schen Symmetrie abweichende Gestaltung, als die zentrale Längsachse 57 seiner durchgehenden zylindrischen Bohrung 58 außeraxial bezüglich der zentralen Längsachse 59 der äußeren- zylindrischen Mantelfläche 61 angeordnet ist, so daß der Resonatormantel 64 nur bezüglich einer, sowohl die zentrale Längsachse 57 des Resonator-Hohlraumes 62 als auch die zen­ trale Längsachse 59 seiner äußeren Mantelfläche 61 enthal­ tenden Längsmittelebene 63 symmetrisch ausgebildet ist.

Bei dieser Gestaltung des Resonatormantels 64 variiert des­ sen Dicke zwischen einem Minimalwert δ_min und einem Maximal­ wert δ_max. Der durch diese Gestaltung des Resonatormantels 64 erzielte Effekt besteht darin, daß eine Richtcharakteri­ stik der Abstrahlung der Ultraschall-Wellen erzielt wird, derart, daß im dünnerwandigen Bereich mehr Ultraschallener­ gie abgestrahlt wird als im dickerwandigen Bereich. Hohl­ raumresonatoren 17b mit dieser Gestaltung können mit Vorteil z. B. in Eckbereichen oder Randbereichen eines großvolumigen Reaktionsgefäßes verwendet werden.

In einer speziell für die Behandlung von Schmelzen zweckmäß­ igen Gestaltung eines Geräts 10 gemäß Fig. 1 mit "durchge­ hendem", einheitlichem Resonator-Hohlraum 62 ist dieser mit einem in der Fig. 4 schematisch vereinfacht dargestellten - Kühlsystem 70 versehen, mittels dessen der Resonatorhohlraum 62 mit Kühlflüssigkeit spülbar ist. Hierdurch wird im gesam­ ten Volumen des zu behandelnden Materials, das letztlich bis zum Erstarren abgekühlt wird, eine wesentlich feinere und homogenere Verteilung der Korngröße erzielt, da - wegen der Kühlung - eine Mikro-Kristallbildung zunächst in unmittel­ barer Nähe des Resonators erfolgt, solche primären Mikro­ kristalle von dort jedoch wieder in den wärmeren Bereich diffundieren, was letztlich die homogenere Verteilung der Korngröße im Material bewirkt.

Dieses Kühlsystem 70 umfaßt ein bezüglich der zentralen Längsachse 14 des Hohlraumresonators 17 koaxiales Zufluß- Röhrchen 71, das über einen Versorgungskanal 72 des Wellenleiters 27 an eine Kühlmittelquelle 73 anschließbar ist und einen ebenfalls am Wellenleiter 27 vorgesehenen Abflußkanal 75, über den Kühlmedium aus dem Resonator- Hohlraum 62 zurück zur Kühlmittelquelle strömen kann.

Die Mündungsöffnung 76 des Zuflußröhrchens 71, über die das Kühlmittel in den Resonatorhohlraum 62 einströmt, ist in unmittelbarer Nähe des kugelschalenförmigen Resonator- Abschlusses 32 angeordnet.

Claims (15)

1. Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium, mit

• - einem Wechselspannungsgenerator, der auf Frequenzen zwischen 1 kHz und 100 kHz ausgelegt ist,
• - einem mit der Ausgangs-Wechselspannung des Generators zu hochfrequenten - longitudinalen - mechanischen Schwingungen ansteuerbaren, magnetostriktiven oder piezoelektrischen Transducer,
• - einem zylindrisch-stabförmigen Wellenleiter, der durch den Transducer zu longitudinalen resonanten Schwingungen anregbar ist und
• - einem mit dem Wellenleiter akustisch gekoppelten, rohrförmigen Hohlraumresonator, der die longitudina­ len resonanten Schwingungen in bezüglich seiner Längsachse transversale Schwingungen umsetzt, deren Schwingungsenergie in das mit Ultraschall zu behan­ delnde Medium einkoppelbar ist, wobei
• - der Hohlraumresonator so ausgelegt ist, daß er sowohl hinsichtlich longitudinaler als auch hinsichtlich transversaler Eigenschwingungen seines Mantels der Resonanzbedingung genügt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorlänge L, der Außendurchmesser D₀ und die Dicke δ der Resonatorwand (18; 62) gemäß den Relationen
aufeinander abgestimmt sind, in denen mit
c_lR die Schallgeschwindigkeit der longitudinalen Ultra­ schall-Schwingungen im Material des Hohlraumresonators (17; 17') bezeichnet ist, die durch die Beziehung
gegeben ist, mit
c_L die Schallgeschwindigkeit in dem der Ultraschall-Be­ strahlung ausgesetzten Last-Material, mit
ρ_R das spezifische Gewicht des Resonator-Materials, mit
ρ_L das spezifische Gewicht des Last-Materials, mit
E der Young'sche Elastizitätsmodul, mit
V die Poisson'sche Querkontraktionskonstante des Re­ sonator-Materials und mit
f_r die Resonanzfrequenz des Hohlraum-Resonators (17; 17'), wobei die Größen ΔL und ΔD den Beziehungen
genügen, in denen mit a und b die Schnittpunktskoordina­ ten zweier Funktionen a₁(y) und a₂(y) gemäß der Relation a₁(b) = a₂(b) = a bezeichnet sind, die in impliziter Form durch die Beziehungen
gegeben sind,
wobei mit c_t die Schallgeschwindigkeit der transversalen Ultraschallwellen bezeichnet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (17) auf seiner gesamten Länge, oder auf mindestens einem überwiegenden Teil seiner Länge die Form eines innen und außen zylindrischen Rohres hat, das aus seinem vom Transducer entfernten Ende mit einem vor­ zugsweise als Halbkugelschale (32) ausgebildeten Ab­ schluß versehen ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Hohlraumresonators (17) mit einem fluiden Kühlmedium spülbar ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Kühlmittels zum Hohlraum des Resonators über ein zentrales, zur Längsachse (14) koaxiales Röhr­ chen erfolgt, dessen Mündungsöffnung in der Nähe des Re­ sonatorabschlusses (32) angeordnet ist, und die Rückfüh­ rung des Kühlmediums über einen im Wellenleiterblock des Transducers angeordneten Abflußkanal erfolgt.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Resonator (17 _a; 17 _e) an seiner Außen­ seite mindestens in Zonen hoher Auslenkungsamplituden longitudinaler Schwingungsrichtung mit Ringrippen (47) versehen ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringrippen (47) die Form radialer Flansche mit scharf­ kantigen peripheren Rändern (48) haben, wobei die radia­ le Ausdehnung h dieser Ringrippen klein gegen den Außen­ durchmesser D₀ des rohrförmigen Grundkörpers des Resona­ tors (17 _a) ist und die axiale Dicke l dieser Rippen klein gegen den Wert L/2 (für n = 1).

7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenradius R(z) des Hohlraumresonators (17 _e) gemäß der Beziehung
in der mit R₀ der mittlere Radius des Resonatormantels (55) mit δR die Amplitude der Radiusänderung und mit z₀ die Periodenlänge der Radiusvariation, gesehen in Rich­ tung der zentralen Resonatorlängsachse (54), bezeichnet sind.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Resonator (17 _c; 17 _d) mindestens eine spiralförmig verlaufende äußere Rippe (49; 53) hat, deren radiale Ausdehnung klein gegen den Außendurchmesser D₀ ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Art eines mehrgängigen Gewindes mehrere spiralförmig verlaufende Außenrippen (53) am Resonatormantel vorgese­ hen sind.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die zentrale Längsachse (57) des zylindrischen Innenraums (58) des Hohlraumresonators (17 _b) außeraxial bezüglich der zentralen Längsachse (59) seiner radial äußeren zylindrischen Mantelfläche (61) oder der zylindrischen Hüllfläche seiner Außenstruktur (47; 49; 52, 53; 56) angeordnet ist.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens drei Hohlraum-Resonatoren (17, 17'' und 17') derselben Länge L, desselben äußeren Durch­ messers D₀ und derselben Resonanzfrequenz F_r in koaxia­ ler Anordnung entlang einer gemeinsamen zentralen Längs­ achse in starker akustischer Kopplung zu einer insgesamt stabförmigen Ultraschallquelle (35) vereinigt sind, in­ nerhalb derer jeweils im Innenraum von Resonatorelemen­ ten (17', 17'') Transducer (42) angeordnet sind, die über Wellenleiter (46) je an eine benachbarte Resonatorhohl­ räume gegeneinander absetzende Querwände (36) der durch die Resonatoren (17, 17'', 17') insgesamt gebildeten Ul­ traschallquelle (35) angekoppelt sind.

12. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das/die zwischen einem äußeren Resonatorelement (17') und dem von diesem entfernt angeordneten inneren Resonator­ element (17) angeordnete(n) Resonatorelement(e) (17'') topfförmig gestaltet ist/sind, mit rohrförmig-zylindri­ schem Mantel (18') und einem stabilen Boden (36), an dem der vom benachbarten Resonatorelement (17'') aufgenomme­ ne Transducer (42) angekoppelt ist, wobei die Bodendicke L_B klein gegenüber der axialen Ausdehnung des jeweiligen Resonatorelements (17', 17'') ist.

13. Gerät nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die topfförmig gestalteten Hohlraumresona­ toren (17'') im Bereich ihres Bodens (36) und im Bereich ihrer offenen Endabschnitte (37) mit einem Außengewinde (38) und einem dazu komplementären Innengewinde gleicher axialer Ausdehnung L_S zur Befestigung mit den jeweils benachbarten Resonatorelementen (17, 17'' und 17) verse­ hen sind, wobei die axiale Ausdehnung L_s dieser Gewinde (38, 39) signifikant kleiner ist als die Bodendicke L_B der topfförmig gestalteten Resonatorelemente (17'').

14. Gerät nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Transducer (42) wechselspannungs­ gesteuerte piezokeramische Wechselspannungs-Schallwand­ ler haben.

15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß einander in Längsrichtung (42) der Ultraschallquelle (35) benachbarte Transducer gegenphasig ansteuerbar sind.