DE202017100958U1

DE202017100958U1 - Ultraschallschneidelement

Info

Publication number: DE202017100958U1
Application number: DE202017100958.0U
Authority: DE
Original assignee: Weber Ultrasonics AG
Current assignee: Weber Ultrasonics AG
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2017-03-06
Anticipated expiration: 2027-02-22

Abstract

Ultraschall-Konverter (1) mit einem Konverter-Oberteil (2) und einem Konverter-Unterteil (3), das sich an das Konverter-Oberteil (2) anschließt und mit diesem verbunden ist, wobei das Konverter-Oberteil (2) wenigstens einen piezoelektrischen Wandler (4) zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen bei geeigneter elektrischer Anregung und zur Anregung wenigstens einer Schwingungsresonanz, insbesondere Grundschwingungsresonanz, des Ultraschall-Konverters (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Konverter-Unterteil (3) eine Querschnittserweiterung (5) aufweist, die als Ultraschallschneidelement (5) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Konverter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Ultraschall-Konverter umfasst ein Konverter-Oberteil und ein Konverter-Unterteil, das sich an das Konverter-Oberteil anschließt und mit diesem verbunden ist. Das Konverter-Oberteil umfasst wenigstens einen piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen bei geeigneter elektrischer Anregung und zur Anregung wenigstens einer Schwingungsresonanz, insbesondere Grundschwingungsresonanz, des Ultraschall-Konverters, also der Gesamtheit aus Konverter-Unterteil und Konverter-Oberteil.
Ein solcher Ultraschall-Konverter ist beispielsweise aus der DE 10 2014 210 886 A1 bekannt. Die bezeichnete Druckschrift offenbart einen Ultraschall-Konverter zum Anregen wenigstens zweier Resonanzen eines daran anzuschließenden oder angeschlossenen Stab- oder Rohrschwingers. Dabei weist der Ultraschall-Konverter ein Konverter-Oberteil und ein Konverter-Unterteil mit einem Koppelelement auf, welches Koppelelement einerseits mit dem Wandler in Wirkverbindung steht und andererseits zum Anschließen des Stab- oder Rohrschwingers ausgebildet ist. Dabei überträgt das Konverter-Unterteil Ultraschallschwingungen an den Stab- oder Rohrschwinger.
Vergleichbare Gegenstände finden sich auch in der EP 0 455 837 A1 , der DE 10 2005 007 056 A1 , der DE 30 27 533 A1 sowie der EP 1 065 009 A1 .
Nachfolgend sei kurz auf das grundlegende Grundprinzip von Ultraschall-Konvertern eingegangen: Aus dem Stand der Technik bekannte, klassische Ultraschall-Konverter führen in der Regel vornehmlich longitudinale Schwingungen aus, wenn die vorhandenen piezoelektrischen Wandler in geeigneter Weise elektrisch angeregt werden. „Longitudinal” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Schwingungen in Richtung einer Längsachse des Konverters erfolgen. Eine axiale Länge des Konverters entspricht dabei regelmäßig einer halben Wellenlänge der gewünschten (Grund-)Schwingungs-Frequenz oder einem Vielfachen dieser halben Wellenlänge.
Der Konverter selbst besteht dabei aus zwei Hälften oder Teilen, die jeweils die Länge einer Viertelwellenlänge haben können: Die eine Hälfte, das Konverter-Oberteil, umfasst in der Regel den piezoelektrischen Wandler. Die andere Hälfte, das Konverter-Unterteil, ist vorrangig dazu ausgebildet, zusammen mit dem Konverter-Oberteil einen definierten Schwingungsresonanzkörper für die durch den piezoelektrischen Wandler erzeugten Schwingungen zu bilden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch davon, dass der gesamte Ultraschall-Konverter auf eine definierte Schwingungsresonanz gestimmt wird.
Regelmäßig ist an dem Konverter-Unterteil an seiner dem Konverter-Oberteil abgewandten Seite in Richtung einer Längsachse des Ultraschall-Konverters ein Schwinger bzw. eine Sonotrode angeschlossen, beispielsweise mit Hilfe geeigneter Schraubmittel. Die durch den Ultraschall-Konverter zur Schwingung angeregten Schwinger bzw. Sonotroden können beispielsweise als Schneidelement verwendet werden. Die bislang aus dem Stand der Technik bekannten Kombinationen von Ultraschall-Konvertern und Schwingern bzw. Sonotroden benötigen aufgrund der axialen Aneinanderreihung vergleichsweise viel Bauraum bzw. weisen eine große axiale Längserstreckung auf (üblicherweise im Bereich einer zusätzlichen halben (Schwingungs-)Wellenlänge).
Die aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Konverter werden, wie bereits erwähnt, auf eine definierte Schwingungsresonanz abgestimmt. Durch den zusätzlichen (axialen) Anschluss des Schwingers bzw. der Sonotrode kann es zu einer Verstimmung des Ultraschall-Konverters kommen, die regelmäßig in aufwändiger Weise, beispielsweise durch eine elektronische Regelung des piezoelektrischen Wandlers, ausgeglichen werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Ultraschall-Konverter anzugeben, welcher die vorstehend genannten Nachteile überwindet und eine kompakte Bauweise aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Ultraschall-Konverter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche bilden den Erfindungsgegenstand in vorteilhafter Weise weiter.
Erfindungsgemäß ist ein Ultraschall-Konverter mit einem Konverter-Oberteil und einem Konverter-Unterteil, das sich an das Konverter-Oberteil anschließt und mit diesem verbunden ist, wobei das Konverter-Oberteil wenigstens einen piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen bei geeigneter elektrischer Anregung und zur Anregung wenigstens einer Schwingungsresonanz, insbesondere Grundschwingungsresonanz, des Ultraschall-Konverters umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Konverter-Unterteil eine Querschnittserweiterung aufweist, die als Ultraschallschneidelement ausgebildet ist.
„Ultraschallschneidelement” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die genannte Querschnittserweiterung durch den piezoelektrischen Wandler zur (Ultraschall-)Schwingung angeregt werden kann, wodurch sie als Ultraschallschneidelement fungiert, d. h. zum Schneiden von Gegenständen einsetzbar ist, insbesondere zum Schneiden von gefrorenen Lebensmitteln, beispielsweise Backwaren.
Der wesentliche Aspekt der Erfindung liegt darin, dass das Ultraschallschneidelement nicht zusätzlich axial an den Ultraschall-Konverter (genauer: an das Konverter-Unterteil) angefügt werden muss, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Vielmehr ist der Ultraschall-Konverter im Bereich des Konverter-Unterteils selbst derart ausgebildet, dass er als Ultraschallschneidelement fungieren kann.
Damit einhergehend sind deutliche Bauraumeinsparungen verbunden, da kein zusätzliches Schwingungselement mehr in axialer Verlängerung des Ultraschall-Konverters an den selbigen angeschlossen werden muss. Gegenüber den bekannten Ultraschall-Konvertern kann eine axiale Ausdehnung der Kombination von Ultraschall-Konverter und Ultraschallschneidelement in Richtung der Längsachse des Ultraschall-Konverters deutlich verringert werden, beispielsweise auf etwa die Hälfte der bisher bekannten Längserstreckung.
Auch ist die konstruktive Ausgestaltung des Ultraschall-Konverters bzw. der Kombination aus Ultraschall-Konverter und Ultraschallschneidelement deutlich einfacher, da die geometrischen Parameter des Ultraschallschneidelements bereits bei der Konstruktion des Ultraschall-Konverters bekannt sind und letzterer entsprechen ausgelegt werden kann. Durch die (feste oder lösbare) Integration des Ultraschallschneidelements in das Konverter-Unterteil fällt eine nachträgliche, zusätzliche (axiale) Anbindung eines Schwingers bzw. einer Sonotrode weg, die zu einer unerwünschten Verstimmung des gesamten Ultraschall-Konverters und damit einhergehend zu einer Abweichung von einer Sollschwingungsresonanz führen kann. Mit anderen Worten stellt das Ultraschallschneidelement aus schwingungstechnischer Sicht eine Teilkomponente des gesamten Schwinggebildes eines Ultraschall-Konverters dar und kann somit bei der konstruktiven und schwingungstechnischen Auslegung bzw. Berechnung einer Geometrie des Ultraschall-Konverters bereits berücksichtigt werden.
Zudem kann durch die mit der vorliegenden Erfindung verbundene erhöhte Kompaktheit des Ultraschall-Konverters dessen Stabilität erhöht werden.
Der erfindungsmäße Ultraschall-Konverter ist dazu ausgebildet, mittels einer longitudinalen (Resonanz-)Schwingung des Konverters, insbesondere des Konverter-Oberteils, eine Biege-(Resonanz-)Schwingung des Ultraschallschneidelements anzuregen, vorzugsweise in Form einer stehenden Welle, die über einen Umfang des Ultraschallschneidelements im Wesentlichen homogen ausgebildet ist und an dessen Rand einen Schwingungsbauch aufweist.
Vorzugsweise ist der Ultraschall-Konverter bezüglich einer Längsachse symmetrisch, insbesondere achsensymmetrisch oder punktsymmetrisch, ausgebildet, wobei sich das Konverter-Unterteil axial an das Konverter-Oberteil anschließt. Eine symmetrische Ausgestaltung ist sowohl aus fertigungstechnischer als auch aus auslegungstechnischer Sicht deutlich einfacher als eine komplexe asymmetrische Form. Insbesondere vereinfachen sich die Berechnungsvorschriften bei der Simulation des Schwingungsverhaltens des Ultraschall-Konverters im Zuge dessen Auslegung.
Im Zuge einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverters ist eine Querschnittsfläche des Konverter-Unterteils wenigstens in einem Teilabschnitt betragsmäßig kleiner als eine Querschnittsfläche des Konverter-Oberteils. Durch die genannte Querschnittsverjüngung des Konverter-Unterteils bezüglich des Konverter-Oberteils kann nach dem Hooke'schen Gesetz eine Dehnung des Ultraschall-Konverters erhöht und eine Schwinggeschwindigkeit und/oder eine Amplitude der Schwingungen, insbesondere der Longitudinalschwingungen, im Ultraschall-Konverter erhöht werden. Auch eine geeignete Materialwahl für den Konverter kann über den E-Modul das Dehungsverhalten beeinflussen.
Bevorzugt verjüngt sich das Konverter-Unterteil zu einem dem Konverter-Oberteil abgewandten Ende hin, vorzugsweise stetig. Auf diese Weise kann die Dehnung besonders vorteilhaft erhöht bzw. als Resultat eine Schwinggeschwindigkeit und/oder eine Amplitude der Schwingungen, insbesondere der Transversalschwingungen, im Ultraschall-Konverter gezielt beeinflusst werden.
Bei einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverters ändert sich eine Querschnittsfläche des Ultraschall-Konverters beim Übergang zwischen Konverter-Oberteil und Konverter-Unterteil sprunghaft. Hierdurch kann ein Schwingungsverhalten des Ultraschall-Konverters besonders einfach gezielt vorgegeben werden.
Die Querschnittserweiterung des Konverter-Unterteils kann von beiden gegenüberliegenden Enden des Ultraschall-Konverters beabstandet sein. Hierdurch lässt sich das Ultraschallschneidelement beabstandet von einem freien Ende des Ultraschall-Konverters anordnen, wodurch eine Intensität der an das Ultraschallschneidelement übertragenen Schwingungsenergie erhöht werden kann.
Bevorzugt sind das Konverter-Oberteil und/oder das Konverter-Unterteil mit seiner Querschnittserweiterung in Edelstahl ausgebildet. Edelstahl zeichnet sich dadurch aus, dass es lebensmitteltauglich und somit auch für hygienisch anspruchsvolle Aufgaben verwendbar ist. Zudem weist er eine hohe Massendichte auf, was das Schwingungsverhalten des Ultraschall-Konverters und dessen Stabilität positiv beeinflusst, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird.
Die Erfindung ist allerdings nicht auf die obige Materialauswahl beschränkt. Beispielsweise können auch andere Materialien, wie Titan, Aluminium, Stahl oder CPM-Stahl (pulvermetallurgischer Sinterstahl) – ggf. auch in Kombination – verwendet werden. Für lebensmitteltechnische Anwendungen kann es z. B. ausreichend sein, wenn ein Gehäuse des Konverters und das Schneidelement selbst in Edelstahl ausgebildet sind, während es auf ein „Innenleben” des Konverters in puncto Hygiene weniger oder gar nicht ankommt.
Das Ultraschallschneidelement ist besonders bevorzugt als kreisförmige Scheibe ausgebildet, die im Wesentlichen orthogonal zu der Längsachse des Ultraschallkonverters ausgerichtet ist. Dabei weist die kreisförmige Scheibe im Fall einer lösbaren oder unlösbaren Verbindung mit dem Konverter-Unterteil eine lochartige Ausnehmung in einem mittleren, zentralen Bereich auf, durch welche Ausnehmung das Konverter-Unterteil geführt ist. Im Falle einer einstückigen Ausgestaltung der kreisförmigen Scheibe und des Konverter-Unterteils geht die kreisförmige Scheibe in ihren zentralen Bereich in das Konverter-Unterteil über.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverters weist das Ultraschallschneidelement in einem äußeren Randbereich, vorzugsweise umlaufend, eine verringerte Dicke auf. Durch die verringerte Dicke kann eine Schneidwirkung des Ultraschneidelementes verbessert werden.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ultraschall-Konverter mit dem Konverter-Oberteil und dem Konverter-Unterteil (ohne das Ultraschallschneidelement) eine logitudinale (Resonanz-)Schwingung ausführt, während das Ultraschallschneidelement eine (resonante) Biegeschwingung ausführt. Vorzugsweise dominiert dabei die logitudinale Schwingung des Konverters die Biegeschwingung des Schneidelements. Dies kann im Rahmen der Erfindung dadurch erreicht werden, dass durch konstruktive Ausgestaltung des Konverters die Schwingungsenergie von Konverter-Oberteil und Konverter-Unterteil (ohne das Ultraschallschneidelement) größer ist als die Energie der Biegeschwingung des Schneidelements. Vorzugsweise erreicht man dies dadurch, dass für Konverter-Oberteil und Konverter-Unterteil ein Material mit relativ hoher Massendichte gewählt wird, was außerdem zu einer kompakten Bauweise des Konverters führen kann.
Die Anmelderin hat durch eigene, umfangreiche Versuche herausgefunden, dass im Zuge der beschreibenen „Massendominanz” der logitudinalen (Resonanz-)Schwingung des Konverters eine in der Umfangsrichtung besondere homogene Biegeschwingung des Schneidelements resultiert – insbesondere, wenn dieses als kreisförmige Scheibe ausgeführt ist. Dies hat zur Folge, dass das Schneidelement an jeder Stelle seines Umfangs gleich gut schneidet und nicht mehr – wie aus dem Stand der Technik bekannt – aufwändig in Rotation versetzt werden muss. Dies sorgt für eine deutliche Gewichtsersparnis durch den Wegfall von Antriebsmitteln und erweitert den Einsatzbereich der Erfindung zusätzlich.
Dabei ist die Erfindung grundsätzlich nicht auf Schneidelemente in Form von kreisförmigen Scheiben beschränkt. Grundsätzlich eignen sich im Rahmen der Erfindung hierfür auch sichelförmige, sternförmige, kreuzförmige oder kreissägeblattförmige Schneidelemente bzw. solche mit einem randständigen Wellenschliff oder dgl. Allgemein sollten die verwendeten Schneidelemente jedoch symmetrisch, insbesondere punkt- oder rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverters ist das Ultraschallschneidelement einstückig mit dem Konverter-Unterteil ausgebildet. Das Ultraschallschneidelement geht demnach direkt in das Konverter-Unterteil über oder umgekehrt, wodurch eine besonders effiziente und genaue schwingungstechnische Auslegung des Ultraschall-Konverters ermöglicht wird. Auch ist das Ultraschallschneidelement durch die einstückige Ausbildung mit dem Konverter-Unterteil sicher mit den übrigen Elementen des Ultraschall-Konverters verbunden.
Alternativ kann das Ultraschallschneidelement separat zu dem Konverter-Unterteil ausgebildet sein, Es kann dabei lösbar oder unlösbar mit dem Konverter-Unterteil verbunden sein, insbesondere stoffschlüssig, beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben oder Verlöten, oder kraft-/formschlüssig. Dadurch bittet sich grundsätzlich die Möglichkeit, das Ultraschallschneidelement austauschen zu können, insbesondere im Falle einer Beschädigung desselben, ohne gleich den gesamten Ultraschall-Konverter auswechseln zu müssen. Dies kann zu einer erheblichen Kosteneinsparung führen. Auch ist es hierdurch möglich, verschiedene, sich beispielsweise in ihren Schneideigenschaften und/oder Abmessungen unterscheidende Ultraschallschneidelemente zu verwenden.
Bei einer anderen Weiterbildung des Ultraschall-Konverters weist das Konverter-Unterteil an seinem dem Konverter-Oberteil abgewandten, freien Ende einen Hohlraum auf, welcher zu dem freien Ende hin öffnet. Durch den Hohlraum kann ein Schwingungsverhalten des Ultraschall-Konverters auf besonders einfache Art und Weise gezielt vorgegeben werden, um unerwünschte Nebenresonanzen auszuschließen. Alternativ oder zusätzlich können anstelle des Hohlraums auch (axiale) Bohrungen oder Modifikationen der Außenkontur des Konverter-Oberteils vorgesehen sein, z. B. vierkantig, sechskantig oder allgemein polygonal, um das Schwingungsverhalten des Ultraschall-Konverters zu beeinflussen.
Vorzugsweise weisen das Konverter-Unterteil und/oder das Konverter-Oberteil wenigstens abschnittsweise einen Querschnitt nach Art eines gleichseitigen Polygons auf, vorzugsweise nach Art eines gleichseitigen Hexagons oder Oktagons. Das gleichseitige Polygon kann zum Ansetzen eines Werkzeuges dienen, beispielsweise eines Schraubenschlüssels, um eine Montage des Ultraschall-Konverters in einer separaten Vorrichtung zu erleichtern.
Eine Frequenz der Schwingungsresonanz des Ultraschall-Konverters, insbesondere der Grundschwingungsresonanz kann in einem Bereich von 15 bis 70 Kilohertz liegen. Besonders bevorzugt können Bereiche von 33 Kilohertz bis 37 Kilohertz, höchst vorzugsweise etwa 35 Kilohertz, oder von 18 Kilohertz bis 22 Kilohertz, höchst vorzugsweise etwa 20 Kilohertz, sein. Das Ultraschallschneidelement kann bei einer derartigen vorteilhaften Wahl der Schwingungsresonanzfrequenz auf besonders vorteilhafte Art und Weise für einen Schneidvorgang verwendet werden.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverter in einer Schrägansicht;
2 den erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverter aus 1 in einem Längsschnitt;
3 eine erste alternative Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverters in einer Schrägansicht;
4 eine zweite alternative Ausgestaltungsform des Ultraschall-Konverters in einem Längsschnitt; und
5 eine dritte alternative Ausgestaltungsform des Ultraschall-Konverters in einer Schrägansicht.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Ultraschall-Konverter 1 in Schrägansicht dargestellt. Der Ultraschall-Konverter 1 umfasst ein Konverter-Oberteil 2 mit einem piezoelektrischen Wandler 4 und ein Konverter-Unterteil 3, welches eine Querschnittserweiterung 5 aufweist. Einen dazugehörigen Längsschnitt durch den Ultraschall-Konverter 1 zeigt 2.
Sowohl das Konverter-Oberteil 2 als auch das Konverter-Unterteil 3 sind als Zylinder ausgebildet und weisen eine Rotationssymmetrie um eine Längsachse L des Ultraschall-Konverters 1 auf. Der piezoelektrische Wandler 4 ist in an sich bekannter Weise dazu ausgebildet, durch eine geeignete elektrische Anregung eine oder mehrere Schwingungen in dem Ultraschall-Konverter 1 anzuregen.
Eine Querschnittsfläche A₁ des Konverter-Oberteils 2 ist größer als eine Querschnittsfläche A₂ des Konverter-Unterteils 3. Der Übergang zwischen Konventer-Unterteil 2 und Konverter-Unterteil 3 erfolgt sprunghaft in einem Übergangsbereich 8 zwischen dem Konverter-Oberteil 2 und den Konverter-Unterteil 3. In einem Teilbereich des Konverter-Unterteils 3, welcher Teilbereich axial von einem dem Konverter-Oberteil 2 abgewandten Ende 7 des Konverter-Unterteils 3 beabstandet ist, weist das Konverter-Unterteil 3 die bereits erwähnte Querschnittserweiterung 5 auf. Wie insbesondere aus 1 hervorgeht, ist die Querschnittserweiterung 5 als kreisförmige Scheibe 10 ausgebildet, die mit ihrer Scheibenflächen im Wesentlichen orthogonal zu der Längsachse L des Ultraschall-Konverters 1 ausgerichtet ist. Vorliegend weist die kreisförmige Scheibe 10 in einem mittleren Bereich 11 eine lochartige Ausnehmung auf, durch welche Ausnehmung das Konverter-Unterteil 3 geführt ist. Die axiale Beabstandung der Querschnittserweiterung 5 bzw. der kreisförmigen Scheibe 10 von dem Ende 7 des Konverter-Unterteils 3 hat, wie in 1 gut zu erkennen ist, zur Folge, dass ein endständiger Teilbereich des Konverter-Unterteils 3 axial über die Querschnittserweiterung 5 bzw. die kreisförmige Scheibe 10 hinausragt.
Ein Schwingungsverhalten des Konverter-Oberteils 2 sowie des Konverter-Unterteils 3 sind gezielt dahingehend ausgelegt, dass sich in Kombination mit der Querschnittserweiterung 5 eine definierte Gesamtschwingung einstellen kann, bei der die longitudinale Schwingung des Ultraschall-Konverter 1 (ohne Schneidelement bzw. Querschnittserweiterung 5) eine angeregte Biegeschwingung der Querschnittserweiterung 5 dominiert, wie oben ausgeführt. Der Ultraschall-Konverter 1 (ohne die Querschnittserweiterung 5) ist gezielt „verstimmt”, um einen schwingungstechnischen Effekt der als Ultraschallschneidelement 5 ausgebildeten Querschnittserweiterung 5 zu berücksichtigen, damit die gesamte Anordnung aus Ultraschall-Konverter 1 und Querschnittserweiterung 5 im Betrieb wie gewünscht schwingt, nämlich mit einer longitudinalen Schwingung des Ultraschall-Konverters 1 (ohne Schneidelement bzw. Querschnittserweiterung 5) bzw. einer Biegeschwingung der Querschnittserweiterung 5.
Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Ultraschall-Konverters 1 gemäß den 1 und 2 in dem Ultraschall-Konverter 1 eine longitudinale Schwingungsresonanz (bezüglich der Längsachse L des Ultraschall-Konverters 1) erzeugt, die eine entsprechend stehende Welle der kreisförmigen Scheibe 10 erzeugt, vorzugsweise umlaufend gleichmäßig, so dass die kreisförmige Scheibe 10 ohne Rotation in effektiver Weise als Ultraschallschneidelement 5 verwendet werden kann.
Eine Grundschwingungsresonanz des Ultraschall-Konverters 1 liegt beispielsweise in einem Bereich von 15 bis 70 Kilohertz.
3 zeigt eine erste alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverters 1 in einer Schrägansicht. Gegenüber der Ausgestaltungsform aus 1 hat sich ein Betrachtungswinkel um 180 Grad gedreht, so dass der Blick vom Konverter-Oberteil 2 ausgehend in Richtung des Konverter-Unterteils 3 auf die kreisförmige Scheibe 10 gerichtet ist. Anders als bei der Ausgestaltung gemäß 1 bzw. 2 weist das Konverter-Oberteil 2 gemäß 3 in einem Teilabschnitt einen Querschnitt nach Art eines gleichseitigen Polygons auf. In diesem Bereich kann besonders einfach ein Werkzeug angesetzt werden, beispielsweise ein Sechskant-Schraubenschlüssel, um den Ultraschall-Konverter 1 beispielsweise an einer weiteren Vorrichtung zu montieren.
Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, andere vergleichbare konstruktive Merkmale vorzusehen, um eine Handhabung des Ultraschall-Konverters 1, insbesondere bei der Montage, zu vereinfachen.
In 4 ist eine zweite alternative Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverters 1 dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden ausschließlich die von den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 abweichenden Merkmale erläutert. So weist die kreisförmige Scheibe 10 bzw. die Querschnittserweiterung 5 in einem äußeren Randbereich 12 eine verringerte Dicke auf. Das Ultraschallschneidelement 5 ist in dem betreffenden äußeren Randbereich 12 nach Art eines spitz zulaufenden Dreiecks ausgebildet, was die Schneidfähigkeit der Querschnittserweiterung 5 erhöht.
Darüber hinaus verjüngt sich das Konverter-Unterteil 3 zu einem dem Konverter-Oberteil 2 abgewandten Ende 7 hin stetig. Dabei nimmt vorliegend eine Änderungsrate der Verjüngung zu dem Ende 7 des Konverter-Unterteils 3 hin ab. Es ist aber auch möglich, dass die Verjüngung nicht vollständig stetig erfolgt, sondern dass beispielsweise Teilbereiche vorhanden sind, in welchen die Querschnittsfläche A₂ konstant bleibt oder sich sogar wieder vergrößert. In 1 erfolgt der Übergang zwischen dem Konverter-Oberteil 2 und dem Konverter-Unterteil 3 sprunghaft, was aber für die vorliegende Erfindung nicht zwingend notwendig ist. Genauso gut könnte der Übergang 8 auch fließend, das heißt differenzierbar, ausgebildet sein.
5 zeigt eine dritte alternative Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Konverters 1 in einer Schrägansicht, vom Konverter-Unterteil 3 zum Konverter-Oberteil 2 hin gesehen. Die Ausgestaltungsform gemäß 5 entspricht im Wesentlichen der Ausgestaltungsform gemäß 1. Sie unterscheidet sich jedoch von dieser darin, dass das Konverter-Unterteil 3 an einem dem Konverter-Oberteil 2 abgewandten, freien Ende 7 einen Hohlraum 13 aufweist, der zu dem freien Ende 7 hin öffnet. Dieser Hohlraum dient dazu, die (akustische) Stimmung des Konverter-Unterteils 3 bzw. des Ultraschall-Konverters 1 gezielt zu beeinflussen, ohne dabei anderweitig aufwändige konstruktive Ausbildungen für die Bauteile des Ultraschall-Konverters 1 vorsehen zu müssen.
Die zuvor genannten Merkmale und die Ausführungsformen gemäß den 1 bis 5 können in quasi beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014210886 A1 [0002]
EP 0455837 A1 [0003]
DE 102005007056 A1 [0003]
DE 3027533 A1 [0003]
EP 1065009 A1 [0003]

Claims

Ultraschall-Konverter (1) mit einem Konverter-Oberteil (2) und einem Konverter-Unterteil (3), das sich an das Konverter-Oberteil (2) anschließt und mit diesem verbunden ist, wobei das Konverter-Oberteil (2) wenigstens einen piezoelektrischen Wandler (4) zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen bei geeigneter elektrischer Anregung und zur Anregung wenigstens einer Schwingungsresonanz, insbesondere Grundschwingungsresonanz, des Ultraschall-Konverters (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Konverter-Unterteil (3) eine Querschnittserweiterung (5) aufweist, die als Ultraschallschneidelement (5) ausgebildet ist.
Ultraschall-Konverter (1) nach Anspruch 1, der bezüglich einer Längsachse (L) symmetrisch, insbesondere achsensymmetrisch oder punktsymmetrisch, ausgebildet ist, wobei sich das Konverter-Unterteil (3) axial an das Konverter-Oberteil (2) anschließt.
Ultraschall-Konverter (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Querschnittsfläche (A₂) des Konverter-Unterteils (3) wenigstens in einem Teilabschnitt (6) betragsmäßig kleiner ist als eine Querschnittsfläche (A₁) des Konverter-Oberteils (2).
Ultraschall-Konverter (1) nach Anspruch 3, bei dem sich das Konverter-Unterteil (3) zu einem dem Konverter-Oberteil (2) abgewandten Ende (7) hin verjüngt, vorzugsweise stetig.
Ultraschall-Konverter (1) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem sich eine Querschnittsfläche (A₁, A₂) des Ultraschall-Konverters (1) beim Übergang (8) zwischen Konverter-Oberteil (2) und Konverter-Unterteil (3) sprunghaft ändert.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem Konverter-Oberteil (2) und Konverter-Unterteil (3) im Betieb eine logitudinale Schwingung ausführen, während das Ultraschallschneidelement (5) eine Biegeschwingung ausführt, wobei vorzugsweise die logitudinale Schwingung des Ultraschall-Konverters (1) die Biegeschwingung des Ultraschallschneidelements (5) dominiert, indem eine Schwingungsenergie der logitudinalen Schwingung größer ist als die Energie der Biegeschwingung, höchst vorzugsweise indem Konverter-Oberteil (2) und Konverter-Unterteil (3) in Material mit relativ hoher Massendichte ausgebildet sind.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Querschnittserweiterung (5) des Konverter-Unterteils (3) von den beiden gegenüberliegenden Enden (7, 9) des Ultraschall-Konverters (1) beabstandet ist.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Konverter-Oberteil (2) und/oder das Konverter-Unterteil (3) und/oder die Querschnitterweiterung (5) in Stahl, vorzugsweise Edelstahl oder CPM-Stahl, in Titan oder Aluminium oder in wenigstens einem anderen geeigneten Material ausgebildet sind.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Ultraschallschneidelement (5) einstückig mit dem Konverter-Unterteil (3) ausgebildet ist.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Ultraschallschneidelement (5) separat von dem Konverter-Unterteil (3) ausgebildet und lösbar oder unlösbar mit dem Konverter-Unterteil (3) verbunden ist, insbesondere kraft-/formschlüssig oder stoffschlüssig.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Ultraschallschneidelement (5) als kreisförmige Scheibe (10) ausgebildet ist, welche kreisförmige Scheibe (10) im Wesentlichen orthogonal zu der Längsachse (L) des Ultraschall-Konverters (1) ausgerichtet ist, wobei die kreisförmige Scheibe (10) im Fall einer lösbaren Verbindung eine lochartige Ausnehmung in einem mittleren, zentralen Bereich (11) aufweist, durch welche Ausnehmung das Konverter-Unterteil (3) geführt ist, wobei die kreisförmige Scheibe (10) im Fall einer einstückigen Ausgestaltung mit dem Konverter-Unterteil (3) in dem mittleren Bereich (11) in das Konverter-Unterteil (3) übergeht.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Ultraschallschneidelement (5) in einem äußeren Randbereich (12), vorzugsweise umlaufend, eine verringerte Dicke aufweist.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Konverter-Unterteil (3) an seinem dem Konverter-Oberteil (2) abgewandten, freien Ende (7) einen Hohlraum (13) aufweist, welcher Hohlraum (13) zu dem freien Ende (7) hin öffnet.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Konverter-Unterteil (3) und/oder das Konverter-Oberteil (2) wenigstens abschnittsweise einen Querschnitt nach Art eines gleichseitigen Polygons aufweisen, vorzugweise eines gleichseitigen Hexagons oder Oktagons.
Ultraschall-Konverter (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem eine Frequenz der Schwingungsresonanz, insbesondere Grundschwingungsresonanz, des Ultraschall-Konverters in einem Bereich von 15 bis 70 Kilohertz liegt, besonders bevorzugt in einem Bereich von 33 Kilohertz bis 37 Kilohertz, höchst vorzugsweise etwa 35 Kilohertz, oder in einem Bereich von 18 Kilohertz bis 22 Kilohertz, höchst vorzugsweise etwa 20 Kilohertz.