DE19724189C2 - Rohrförmige elektroakustische Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallenergie - Google Patents
Rohrförmige elektroakustische Vorrichtung zur Erzeugung von UltraschallenergieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine rohrförmige elektroaku
stische Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall
energie nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
In der Ultraschall-Leistungstechnik haben sich bei
den niederfrequenten Anwendungen für industrielle
Zwecke, wie zum Beispiel in der Ultraschallreinigung
und sonochemischen Prozeßtechnik, überwiegend piezo
elektrische Wandlersysteme durchgesetzt. In der Rei
nigungstechnik werden sogenannte Ultraschall-Tauch
schwinger, - Schwingplatten oder direkt mit piezo
elektrischen Wandlern bestückte Metallwannen für die
Flüssigkeitsbeschallung verwendet. Überwiegend sind
die Wandler sandwichartig aufgebaut und arbeiten in
longitudinalem Schwingungsmodus und sind je nach Lei
stung zu Gruppen auf der Beschallungsfläche verdrah
tet und werden mit einem hochfesten Kleber auf eine
Edelstahlmembran geklebt. Dieses Verfahren gestattet
die Einbringung größerer Ultraschallenergien bis hin
zu einigen Kilowatt Ultraschallleistung pro Badvolu
men nur über ebene Flächen. Für den Aufbau einer ef
fizienten rohrförmigen Vorrichtung mit konzentrischer
Rundstrahlcharakteristik ist es nicht geeignet.
In der Prozeßtechnik und insbesondere bei den Durch
flußreaktoren gibt es verschiedene Bauformen für eine
intensive Beschallung flüssiger oder pastöser Medien.
Aus der Labortechnik bekannt sind sogenannte Ultra
schall-Desintegratoren, die zwar hochintensiv, aber
über eine sehr kleine Fläche Ultraschallenergie in
kontinuierlich arbeitende Reaktorgefäße abstrahlen.
Diese Reaktoren sind meist sehr klein und der Durch
satz ist entsprechend gering. Es sind auch sogenannte
Ultraschall-Rohrresonatoren bekannt, die über eine
größere Abstrahlfläche verfügen, je nach Länge und
Durchmesser, und für rohrförmige Durchflußreaktoren
mit entsprechendem Flüssigkeitsdurchsatz verwendet
werden. In der DE 30 27 533 ist ein derartiger Reso
nator beschrieben. Dabei ist der Resonator als Me
tallrohr ausgebildet und seine Gesamtlänge ist auf
ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge
der von einem Schallwandler in den Resonator einge
speisten Longitudinalschwingung abgestimmt. Das eine
Ende des Metallrohrs ist an der Stirnseite mit dem
Schallwandler verbunden, während das andere Ende mit
tels eines Transformationsstückes abgeschlossen ist.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Ausführungsform ist
die begrenzte und verglichen mit den in der Reini
gungstechnik applizierten Systemen sehr kleine piezo
elektrische Antriebsleistung von meist nur einem oder
zwei Wandlern. Dazu kommt, daß die longitudinale Ultraschallamplitude
der Wandler-Antriebsfläche in eine
transversale Rohrschwingung über eine Querschnittsän
derung des Rohres umgewandelt wird, wodurch eine
niedrige Flächenleistung gegeben ist.
In der EP 0 455 837 ist ein Stabwandler beschrieben,
der ähnlich dem geschilderten Rohrresonator aufgebaut
ist. Der Unterschied besteht in der longitudinalen
Ultraschallanregung eines Vollstabes bei seiner Reso
nanzfrequenz durch einen oder zwei jeweils stirnsei
tig montierten piezoelektrischen Wandlern. Auch hier
sind die Nachteile in der begrenzten Anregungsenergie
und notwendigen transversalen Schwingungstransforma
tion begründet. Auch die DE 41 38 713 offenbart einen
stabförmigen Ultraschallschwinger mit einer begrenz
ten Anzahl von Antriebswandlern.
Die US-Patentschrift 3 139 603 beschreibt eine Vor
richtung zur radialen Schwingungsanregung, wie sie
etwa in der Sonartechnik eingesetzt wird. Hierin er
zeugen mechanische, tangential gekoppelte und gleich
phasig angesteuerte Piezoelemente eine niederfrequen
te Radialschwingung, die über einen Ölmantel auf ein
Außenrohr übertragen wird. Diese Vorrichtung hat den
Nachteil, daß eine kostenaufwendige genaue Abstimmung
der einzelnen Bauteile auf ein bestimmtes Rohr nötig
ist, um die Funktion der Vorrichtung sicherzustellen.
Außerdem ermöglicht die Anordnung nur sehr geringe
Schwingungsleistungen, die für die Sonartechnik zwar
ausreichend sein können, für die Ultraschallreinigung
bereits aufgrund der ungenügenden mechanischen Kopp
lung zwischen Schwingelementen und Außenrohr jedoch
nicht anwendbar ist.
Das Deutsche Gebrauchsmuster 92 00 559 U1 zeigt eine
gattungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Schall
oder Ultraschall. Es werden hierin auf einem ebenen
Kopplungsträger matrixartig angeordnete elektroaku
stische Wandler gezeigt. Diese Vorrichtung nach dem
Stand der Technik offenbart jedoch keine elektroaku
stische Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschalle
nergie mit einer Rundstrahlcharakteristik.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er
findung die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der
Herstellung und der Montage einfache rohrförmige
elektroakustische Vorrichtung zu schaffen, mit der
eine große Ultraschalleistung erzielt werden kann,
wobei die Abstrahlung der Schallenergie in flüssige
oder pastöse Medien mit einer Rundstrahlcharakteris
tik möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Dadurch, daß die gattungsgemäßen Kopplungsträger
langgestreckt sind (es entsteht quasi ein Wandler
streifen, dessen Länge durch die gewünschte Anzahl an
Schwingungssystemen bzw. Wandlern gegeben ist), wird
der Grundstein zu einer einfach aufgebauten Vorrich
tung mit Rundstrahlcharakteristik gelegt. Durch An
ordnen mehrerer solcher Kopplungsträger mit elektroa
kustischen Wandlern konzentrisch und in Längsrichtung
in einem Rohr, wobei die Kopplungsträger mit der In
nenwandung des Rohres verbunden sind, entsteht eine
rohrförmige Vorrichtung mit sehr hoher Flächenlei
stung. Die Ultraschallenergie jedes Einzelwandlers
kann direkt über die rohrförmige "Membran" abgegeben
werden. Aufgrund der Verteilung der Kopplungsträger
über den Innenumfang des Rohres wird eine vorteilhaf
te Rundstrahlcharakteristik in das umgebende flüssige
oder pastöse Medium erzielt.
Der erfindungsgemäße Aufbau gestattet eine wesentli
che Verbesserung und Vereinfachung der Herstellungs
technologie und Verfügbarkeit hoher Ultraschalleis
tungen für industriell nutzbare rohrförmige Ultra
schallreaktoren im niederfrequenten Leistungsbereich
von ca. 20 kHz bis 100 kHz.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah
men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse
rungen möglich.
Dadurch, daß der Abstand der Wandler auf dem Kopp
lungsträger entsprechend der gewünschten longitudina
len Arbeitsfrequenz, die für alle Wandler gleich ist,
bestimmt wird, wird vermieden, daß schädliche Biege
schwingungen des streifenförmigen und mit Wandlern
versehenen Kopplungsträgers entlang seiner Längsachse
entstehen, wodurch ein guter Wirkungsgrad erzielt
wird.
Vorteilhafterweise ist der die Wandler verbindende
Kopplungsträger in der zur Schwingungsrichtung orthogonal
stehenden Abstrahlebene in der Form bzw. Kontur
der Rohrinnenfläche der Vorrichtung ausgebildet, wo
durch eine gute Ankopplung an die Rohrwand und somit
eine gute Schwingungsübertragung erreicht wird.
Zur guten Abstrahlung ist auch die frequenzabhängige
Breite des Kopplungsträgers entsprechend der longi
tudinalen Arbeitsfrequenz der Wandler gewählt und
auch hier werden Biegewellen verhindert.
Die jeweils sich ergebende runde oder auch eckige
Querschnittsfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bedingt grundsätzlich eine vorteilhafte Rundstrahl
charakteristik in das umgebende flüssige oder pastöse
Medium.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich
nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be
schreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorder- und Seitenansicht eines
Ausführungsbeispiels des bei der er
findungsgemäßen Vorrichtung verwende
ten Kopplungsträgers mit Wandlern als
Wandlerstreifen,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfin
dungsgemäße Vorrichtung mit einem ec
kigen Rohr, und
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere
Ausführungsform der Erfindung mit ei
nem runden Rohr.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist eine Mehr
zahl von piezoelektrischen Ultraschallwandlern 1 auf,
die mit einem langgestreckten Kopplungsträger 2 ver
bunden sind und so einen Wandlerstreifen 3 bilden.
Jeder Wandler 1 weist die typischen Bestandteile ei
nes im longitudinalen Schwingungsmodus arbeitenden
Wandlers auf, bei dem zwei übereinanderliegende pie
zokeramische Lochscheiben 4 einerseits mit einem
Druckstück 5, vorzugsweise aus Stahl, und anderer
seits mit dem Kopplungsträger 2, vorzugsweise aus
Aluminium verbunden sind. Die Teile werden in Über
einanderlage durch eine zentrale Schraube 6 fest mit
einander verspannt. Der Kopplungsträger 2 ist in sei
nem Querschnitt trapezförmig ausgebildet und weist
eine Länge 1 auf, die durch die Arbeitsfrequenz und
die Anzahl der Wandler 1 bestimmt ist. Der Abstand
zwischen den Wandlern 1 ist entsprechend ihrer Ar
beitsfrequenz derart gewählt, daß sich keine Biege
wellen im Kopplungsträger 2 ergeben. Zwischen den
zwei piezokeramischen Lochscheiben 4 ist ein strei
fenförmiges Band 7 aus elektrisch leitendem Material
angeordnet und über die zentrale Schraube 6 mit den
anderen Bauteilen verspannt und dient als elektri
scher Verbindungsleiter zwischen den piezokeramischen
Lochscheiben 4 der einzelnen Wandler. Das elektrisch
leitende Band 7 ist mit einer Hochfrequenzquelle 8
verbunden, wobei der Masseanschluß an den Stirnenden
des Kopplungsträgers 2 vorgesehen ist. Die Breite ist
ebenfalls frequenzabhängig und für eine größtmögliche
Abstrahlfläche so gewählt, daß keine Biegewellen auf
treten.
In Fig. 2 ist schematisch die Vorrichtung zur Erzeu
gung von Ultraschall dargestellt, wobei mehrere Wand
lerstreifen 3 in einem Rohr 10 befestigt sind. Das
Rohr 10 weist einen fünfeckigen Querschnitt auf, wo
bei im Ausführungsbeispiel fünf Wandlerstreifen 3 in
Längsrichtung des Rohres mit dessen Innenwänden bei
spielsweise durch Klebung verbunden sind. Dabei liegt
die Abstrahlfläche 9 des jeweiligen Kopplungsträgers
2 fest an der Wand an, so daß die Rohrwand eine Mem
bran für die Wandlerstreifen 3 bildet. Im Ausfüh
rungsbeispiel können die Abstrahlflächen 9 während
des Herstellungsprozesses der Vorrichtung zuerst mit
den die Membranen bildenden Wänden, die beispielswei
se aus Edelstahlblech bestehen, verklebt werden, wo
bei daraufhin die einzelnen Wände zu dem Rohr 10 zu
sammengeschweißt werden können. Bei dieser Art der
Herstellung kann die Vorrichtung durch gegeneinander
versetzte Wandlerstreifen 3 kompakter gebaut werden
oder auch für beliebig größere Durchmesser ausgebil
det werden. Bei einem von vornherein geschlossenen
Rohr muß der Rohrdurchmesser so gewählt werden, daß
die Wandlerstreifen 3, ohne sich gegeneinander zu
stören, nebeneinanderliegen können.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darge
stellt, wobei hier ein rundes Rohr 11 gewählt wurde,
und es sind drei Wandlerstreifen 3 über den Innenum
fang des Rohrs 11 verteilt, wobei die Außenkonturen
der Abstrahlflächen 9 der Kopplungsträger 2 exakt an
den Innendurchmesser des Rohres 11 aus Edelstahl an
gepaßt sind. Die Anzahl der nahe beieinanderliegenden
Querschnitts-Segmentflächen der Wandlerstreifen 3
steht im festen Verhältnis zum Rohrdurchmesser und
sorgt für eine optimale Rundstrahlcharakteristik die
ser Ausführungsform.
Die Wandlerstreifen 3 werden hier mit einer Hilfsvor
richtung versetzt vormontiert, mit Kleber versehen in
das Rohr 11 geschoben und anschließend mit der Hilfs
vorrichtung auseinander gedrückt.
Die rohrförmige Vorrichtung entsprechend Fig. 2 und
Fig. 3 wird an den jeweiligen Enden des Rohres 10, 11
mit nicht dargestellten Deckeln und/oder Flanschan
schlüssen verschlossen. Durch diese wird der elektri
sche Anschluß für die Wandler 1 zum Verbinden mit dem
Hochfrequenzgenerator bzw. Ultraschallgenerator 8 als
Energiequelle geführt. Nur die Länge 1 der Wandler
streifen 3 bzw. die Anzahl der Wandler 1 begrenzen
die mögliche Gesamtleistung der Vorrichtung.
Claims (9)
1. Elektroakustische Vorrichtung zur Erzeugung von
Ultraschallenergie zum Einstrahlen in flüssige
oder pastöse Medien mit quer zu ihrer Schwin
gungsrichtung auf mindestens einem Kopplungsträ
ger (2) angeordneten elektroakustischen Wandlern
(1),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kopplungsträger (2) langgestreckt sind
und daß mehrere Kopplungsträger (2) mit elektro
akustischen Wandlern (1) konzentrisch und in
Längsrichtung eines Rohres (10, 11) mit dessen
Innenwandung verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Abstand zwischen den elektro
akustischen Wandlern (1) auf dem Kopplungsträger
(2) derart gewählt ist, daß bei der gewünschten
longitudinalen Arbeitsfrequenz keine Biegewellen
auftreten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Breite des Kopplungsträ
gers (2) entsprechend der Arbeitsfrequenz ge
wählt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsträger
(2) an ihrer Verbindungsfläche mit dem Rohr (10,
11) bzw. an ihrer Abstrahlfläche (9) an die Kon
tur der Innenwandung des Rohres (10, 11) ange
paßt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsträger
(2) mit Wandlern (1) gleichmäßig über den Innen
umfang des Rohres (10, 11) verteilt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (10, 11) an
seinen Enden mit Deckeln und/oder Flanschan
schlüssen verschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des
Rohres (10, 11) kreisförmig oder mehreckig ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsträger
(2) mit dem Rohr (10, 11) verklebt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der jewei
ligen Kopplungsträger (2) und die Anzahl der
Wandler (1) entsprechend der gewünschten Ultra
schalleistung gewählt sind.
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