DE20215402U1

DE20215402U1 - Vorrichtung zur Reinigung von Gegenständen, Wäsche o.dgl.

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Publication number: DE20215402U1
Application number: DE20215402U
Authority: DE
Original assignee: DUTZ OLIVER
Current assignee: DUTZ OLIVER
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2012-09-20

Description

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Vorrichtung zur Reinigung von Gegenständen, Wäsche od. dgl.

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Reinigung und/oder Desinfektion von vorzugsweise weichen Gegenständen wie Wäsche od. dgl. sowie ggf. zur therapeutischen Behandlung von Körperteilen in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere in einem Wasserbad, mittels einem in das Flüssigkeitsbad eintauchenden und von einem oszillierenden, elektrischen Signal angeregten Schallwandler zur Auslösung von Kavitation in der Flüssigkeit.

Kavitation ist einerseits eine gefürchtete Erscheinung im Maschinenbau, wodurch Maschinen stark beansprucht werden, bspw. Pumpen, Schiffsschrauben od. dgl. Bei der Kavitation bilden sich vorübergehend Gasblasen, die mit Vakuum, Wasserdampf und/oder anderen Gasen gefüllt sind. Solche Gasblasen unterliegen der Gleichgewichtsbedingung

&Dgr; &rgr; = (2 * &sgr;) / r

&Dgr; &rgr; = Druckdifferenz zwischen Flüssigkeitsdruck und Gasdruck in einer Blase;
&sgr; = Oberflächenspannung (z.B.: 0,0729 N/m an der Grenze Wasser/Luft);
r = Blasenradius.

Die Stabilität solcher Blasen hängt daher stark von dem Flüssigkeitsdruck ab.

Wird dieser in kurzen Zeitabständen verändert, bspw. mittels Ultraschall, so kann der (lokale) Druck unter die Dampfdruckkurve des Wassers absinken, das Wasser &ldquor;reißt" unter Bildung leerer Blasen auf oder verdampft an sog. Keimen und bildet sodann Dampf- oder Gasblasen. Steigt bei einer anschließenden Hochdruckphase der Ultraschalldruckwelle der Druck wieder über die Dampfdruckkurve an, so werden diese Blasen &ldquor;zusammengeschoben"; sie implodieren und setzen dabei starke Stoßwellen frei, welche für einen mechanischen Reinigungseffekt genutzt werden können.

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Bei diesen Implosionen entstehen in den kollabierenden Blasen hohe Temperaturen von bis zu einigen tausend Kelvin und Drücke von 100 bis 1000 bar auf. Dadurch werden alle erdenklichen Reaktionen gefördert, da das eingeschlossene Gas oder der Wasserdampf sozusagen in einen angeregten Zustand überführt wird. Dabei entsteht u.a. bspw. Wasserstoffperoxid, das während seiner Entstehung einen desinfizierenden Effekt hat.

Während implodierende Gasblasen in der Nähe von Grenzflächen sich unsymmetrisch verformen und schließlich sog. Mikrojets ausbilden können, die

&iacgr;&ogr; auf die Grenzfläche gerichtet sind und dort bspw. anhaftende Schmutzpartikel losschlagen können, ist die Entstehung und Wirkung derartiger Mikrojets bei weichen Gegenständen geringer. Hier ist ein anderer Effekt wertvoll, nämlich die Entstehung von Flüssigkeitswirbeln und -strudeln, ggf. in Verbindung mit der desinfizierenden oder bleichenden Wirkung von in den Blasen freigesetzten Chemikalien. Da es sich hierbei um Effekte von eher makroskopischer Natur handelt im Verhältnis zu den obigen Mikrojets, ist hierfür das Zusammenwirken einer Vielzahl von möglichst energiereichen Schockwellen bzw. Implosionen erforderlich.

Da andererseits der Leistung der abgegebenen Ultraschallwellen in der Praxis ebenfalls zumeist Grenzen gesetzt sind, konnte bisher keine Reinigungseinrichtung konstruiert werden, die ausschließlich mittels Kavitation arbeitet und eine für die Praxis ausreichende Reinigungswirkung hat.

Hieraus resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein gattungsgemäßes Reinigungssystem derart weiterzubilden, dass eine optimale Reinigungs-, Desinfektions- und/oder Behandlungswirkung erzielt wird, gerade auch bei weichen Gegenständen wie Wäsche, menschlichem Gewebe etc.

Die Lösung dieses Problems gelingt bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung und/oder Desinfektion von Gegenständen, Wäsche od. dgl. sowie ggf. zur therapeutischen Behandlung von Körperteilen in einem Flüssigkeitsbad, dadurch, dass der Schallwandler zur direkten oder indirekten Anregung an einem

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ein elektrisches Signal erzeugenden Oszillator angeschlossen oder angekoppelt ist, der solchermaßen ausgebildet ist, dass das von dem Oszillator erzeugte, elektrische Signal wenigstens eine Grundschwingung im hörbaren Frequenzbereich (< 16 kHz) und ein energiereiches Oberwellenspektrum im Ultraschallbereich (;> 16 kHz) aufweist.

Damit die Gasblasen unter Erzeugung möglichst starker Schockwellen implodieren, muß ihnen zunächst Zeit gegeben werden, um ein ausreichendes Volumen anzunehmen. Bei normalen Bedingungen ist diese Zeit etwa gleich der

&iacgr;&ogr; halben Periode der Schallwellen (T/2 bei p(t) « p_c + p₀ * sin(t/T) mit p_c = const.). Die während dieser Zeit aufgenommene und gespeicherte Energie wird sodann bei der Implosion in einem Bruchteil dieses Zeitintervalls abgegeben. Hierfür ist ein möglichst schneller Druckanstieg dp/dt« (pJT) * cos(t/T) erforderlich, damit die Implosionszeit möglich kurz ist. Bei großer Periode T können die Blasen zwar stärker wachsen, andererseits sinkt jedoch wegen dp/dt die Implosionsgeschwindigkeit und damit die Spitzenenergie einer Schockwelle. Es handelt sich dabei demnach um konträre Anforderungen. Hier findet die Erfindung einen Kompromiß, indem die von einem Schallwandler abgegebene Schallwelle eine niedrige Grundschwingung, insbesondere im hörbaren Bereich aufweist, so dass aufgrund einer großen Periode T große, energiereiche Blasen entstehen können. Aufgrund energiereicher Oberschwingungen kann dennoch ein steiler Druckanstieg realisiert werden, der zu einem urplötzlichen Zusammenstürzen einer Blase führt. Da sich außerdem bei starken Druckschwingungsamplituden in einem wäßrigen Medium die Hochdruckzonen schneller ausbreiten als die Zonen reduzierten Drucks, bleibt eine &ldquor;unsymmetrische" Schallwelle auch bei ihrer Fortpflanzung durch die Flüssigkeit in dem verzerrten Zustand, bspw. mit einem langsamen Druckabfall, der zur Blasenbildung führt, und einem schnellen Druckanstieg, der die entstandenen Blasen schnell implodieren läßt. Eine optimale Lösung verlegt nur die Grundwelle in den hörbaren Bereich, so dass nur ein nicht unangenehm empfundener Summton wahrnehmbar ist, während alle Oberwellen für Normalpersonen unhörbar sind. Dem Oszillator obliegt es dabei, all jene Schwingungskomponenten des Spektrums (ursächlich) zu erzeugen, die von dem Schallwandler in Schalldruck umgesetzt werden sollen, um durch ihre

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Überlagerung eine bestimmte Form des Druckverlaufs in der Flüssigkeit hervorzurufen. Zwar werden diese Schwingungsanteile im allgemeinen nicht allesamt mit demselben Amplitudenverhältnis auf den Schallwandler übertragen; sofern sie jedoch nicht völlig unterdrückt werden, können sie im Schallwandler durch eine optimierte Resonanzkurve (bspw. mit einem Maximum weit im Ultraschallbereich) zumindest teilweise wiederhergestellt werden. In diesem Frequenzbereich haben sich piezokeramische Schallwandler bewährt, obwohl daneben auch andere elektromechanische Prinzipien (Elektromagnetismus, Magnetostriktion, etc.) anwendbar sind.

Der Anschluß des Schallwandlers erfolgt bevorzugt an einem Sekundäranschluß eines Übertragungselements, dessen Primäranschluß mit dem Oszillator gekoppelt oder Bestandteil desselben ist. Eine derartige indirekte Ankopplung kann ggf. gleichzeitig als Potentialtrennung verwendet werden, bspw. in Form eines Transformators oder sonstigen Magnetübertragers mit galvanisch voneinander getrennten Primär- und Sekundärspulen. Außerdem ist die Möglichkeit eröffnet, bei Bedarf einen Verstärker einfügen zu können, und schließlich läßt sich damit eine Impedanzanpassung zwischen Oszillator und Schallwandler erreichen.

Eine Schaltkreisstruktur, wobei ein der Ankopplung des elektrischen Signals dienendes Element (sekundärseitig) Bestandteil eines (Parallel-)Schwingkreises ist, in den der Schallwandler als Bestandteil integriert ist, erlaubt eine verlustarme Ankopplung des Schallwandlers mit einem optimalen Wirkungsgrad. Als ideal hat sich hierbei ein Schwingkreis mit nur zwei, bspw. parallelgeschalteten Elementen erwiesen, so dass das in einem Koppelelement induzierte Signal von diesem dem Schallwandler ohne nennenswerte Verluste eingeprägt wird.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die elektrische Resonanzfrequenz des angeregten, den Schallwandler aufweisenden Schwingkreises auf die Grundschwingung bzw. -frequenz des anregenden elektrischen Signals eingestellt ist. Solchenfalls kann ein maximaler Anteil der Schwingungsenergie auf den Schallwandler übertragen und dort in Schallwellen umgesetzt werden.

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Damit eine maximale Energie des oberwellenbehafteten Signals mit dem angeregten (Parallel-)Schwingkreis gekoppelt werden kann, sollte ferner das der Kopplung des Oszillators mit dem Schallwandler dienende (primärseitige) Element frei von galvanischen (resistiven) sowie hochfrequenzmäßigen (kapazitiven) und niederfrequenzmäßigen (induktiven) Bypässen sein. Damit wird die von dem Oszillator erzeugte Schwingungssignal vollständig dem primärseitigen Kopplungselement eingeprägt, so dass bei Bedarf (nahezu) die gesamte Schwingungsenergie an der Sekundärseite abgegriffen werden kann.

Um die Anregung des Schwingkreises mit dem Schallwandler zu signalisieren, kann in Reihe mit dem bypassfreien (primärseitigen) Kopplungselement eine Leuchtdiode oder ein anderes, vorzugsweise optisches Signalmittel geschalten sein. Dieses Signalmittel zeigt daher selektiv ausschließlich eine tatsächliche Ansteuerung des Schallwandlers an. Aufgrund der bypassfreien Beschaltung eines Kopplungselements in Form einer Admittanz (Spule oder Kapazität) ist darüber hinaus sichergestellt, dass ein zeitlich konstanter Stromfluß (der zu keiner Schallwellenabgabe führen würde und daher eine Fehlanzeige auslösen könnte) überhaupt nicht auftreten kann.

Vorzugsweise ist der Oszillator als (Serien-)Schwingkreis ausgebildet. Ein solcher Aufbau erleichtert das selektive Überbrücken bzw. Kurzschließen einzelner Schaltelemente, ohne dabei zu Undefinierten Schaltzuständen zu führen. Außerdem kann solchenfalls unter Minimierung des Schaltungsaufwandes ein Admittanzelement des Schwingkreises gleichzeitig als bypassfreies Koppelelement verwendet werden. Schließlich bringt ein derartiger Schwingkreis aufgrund von Resonanzeffekten nur eine geringe Bedämpfung des Signals mit sich. Der Serienschwingkreis kann dadurch angeregt werden, dass Bestandteile desselben während jeder Schwingung kurzgeschlossen werden, insbesondere in Abhängigkeit von dem Verlauf der Amplitude von Strom oder Spannung an einem oder mehreren Elementen des Serienschwingkreises. Sofern ein solches, regelmäßiges Kurzschließen während einer bestimmten Schwingungsphase erfolgt, wird der Schwingung dadurch Energie zugeführt (die Schwingung wird

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immer wieder neu angestoßen), so dass die zur Ansteuerung des Schallwandlers verwendete Energie ersetzt und eine Schwingung mit etwa konstanter Amplitude aufrechterhalten wird.

Erfindungsgemäß liegt die mechanische Resonanzfrequenz des Schallwandlers oberhalb der Grundschwingung bzw. -frequenz des anregenden (Serien-) Schwingkreises, vorzugsweise um den Faktor 10 bis 20 oberhalb der Grundschwingungsfrequenz. Diese Bemessung impliziert bspw. bei Grundschwingungen mit einer Frequenz von 7 - 8 kHz, dass die mechanische

&iacgr;&ogr; Resonanzfrequenz des Schallwandlers im Ultraschallbereich liegt. Dies führt dazu, dass das Oberwellenspektrum mit einer hohen Schalldruckamplitude abgestrahlt werden kann, wodurch das von dem oben beschriebenen Koppelelement aufgrund von dessen Resonanzkurve ggf. &ldquor;verschliffene" (Schalt-) Signal und damit insbesondere auch dessen &ldquor;kantige" Form (Sägezahn-, Dreieck- oder Rechteckform, etc.) oder sonstigen Unsymmetrien zumindest teilweise wieder regeneriert werden.

Durch Rückkopplung eines Oszillatorsignals zu einem Schaltelement kann erreicht werden, dass bei Über- und/oder Unterschreiten einer (internen) Schaltschwelle ein Umschalten erfolgt. Durch eine geeignete Dimensionierung der Schaltkreiselemente kann erreicht werden, dass die relevanten Schaltschwelle(n) bei jeder Schwingung wenigstens einmal überschritten werden (bspw. durch eine bewußt herbeigeführte Schaltungsinstabilität, welche (ohne rechtzeitiges Umschalten) einen starken Anstieg des die Umschaltung auslösenden, elektrischen Signals zur Folge hätte.

Es hat sich als günstig erwiesen, durch Betätigen eines derartigen Schaltelements das energiereiche Oberwellenspektrum des betreffenden elektrischen Signals hervorzurufen, indem das Schaltelemente bei jeder Grundschwingung ausgelöst wird. Ein Schaltvorgang kann einen steilen Anstieg oder Abfall einer elektrischen Größe (Strom, Spannung) oder zumindest einen &ldquor;Knick" (veränderte Steigung) derselben auslösen; die daraus folgenden Signalverzerrungen bringen ein Spektrum von Oberwellen mit sich, die von einem geeignet ausgewählten

Schallwandler jedenfalls zu einem nicht unerheblichen Teil in Ultraschallschwingungen umgesetzt werden. Insbesondere kann der Schaltvorgang zu einer abrupten Änderung eines Spannungs- und/oder Stromanstiegs des betreffenden elektrischen Signals führen, vor allem dann, wenn durch den Schaltvorgang die das Zeitverhalten des betreffenden Signals bestimmenden Schaltungsparameter verändert werden. Bspw. können (Vor-) Widerstände eines RC-Glieds überbrückt bzw. kurzgeschlossen werden oder weitere Kapazitäten parallelgeschalten werden, so dass sich die relevanten Widerstands- oder Kapazitätswerte ändern.

Unter Weiterbildung des obigen Schaltprinzips kann ein (elektronisches) Schaltelement (ausgangsseitig) parallel zu den (allen) nicht der Ankopplung an den Schallwandler dienenden Elementen des Oszillators angeschlossen sein, um diese kurzzuschließen. Damit kann bspw. eine Kapazität entladen und/oder ein Vor- bzw. Lade- oder Strombegrenzungswiderstand kurzgeschlossen werden, um in einer verbleibenden Induktivität (Koppelelement) einen starken Stromanstieg auszulösen.

Gemäß einer weiteren Konstruktionsregel kann ein (elektronisches) Schaltelement (ausgangsseitig) in eine Reihe mit dem der Ankopplung an den Schallwandler dienenden Element des Oszillators gelegt werden. Solchenfalls kann durch Öffnen eines solchen Schaltelements ein - abruptes - Absinken des Stromflusses durch das Kopplungselement hervorgerufen werden, was bei einem Transformator od.

dgl. zur Induktion einer hohen Spannung sowohl im Primär- als auch - wegen der magnetischen Verkopplung - im Sekundärkreis führt.

Als (elektronisches) Schaltelement empfiehlt die Erfindung die Verwendung eines (Bipolar-)Transistors, vorzugsweise in Emitterschaltung. Es handelt sich hierbei um ein - bspw. gegenüber Störspannungen od. dgl. - vergleichsweise unempfindliches Bauteil, das darüber hinaus insbesondere in Emitterschaltung mit einem vergleichsweise geringen Spannungshub am Eingang (Basis) zuverlässig sowie mit geringem Aufwand anzusteuern ist und auch große Spannungen in der Größenordnung der Netzwechselspannung problemlos zu bewältigen vermag.

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Die Erfindung läßt sich dahingehend weiterbilden, dass der Oszillator eingangsseitig an den Ausgang eines Ein- oder Vollweggleichrichters angekoppelt ist. Damit kann der Oszillator mit einer vorgegebenen Spannungspolarität betrieben werden, was die Auswahl insbesondere eines Schaltelements erleichtert. Außerdem wird dadurch eine Ankopplung an die Netzwechselspannung erreicht und damit eine ständige Energiezufuhr, was einen zeitlich unbegrenzten Dauerbetrieb ermöglicht, so dass mit einem kleinen und handlichen Gerät größere Flüssigkeitsmengen während Behandlungszeiten von &iacgr;&ogr; einer oder mehreren Stunden ununterbrochen beschallt werden können. Damit lassen sich einerseits bspw. auch festsitzende Flecken aus Textilgeweben od. dgl. rückstandslos entfernen, andererseits besteht die Möglichkeit, dank der starken, desinfizierenden Wirkung auch die resistentesten Bakterien oder sonstigen Krankheitserreger restlos unschädlich machen zu können.

Sofern die gleichgerichtete Spannung einen etwa periodischen Zeitverlauf der Amplitude aufweist, wie dies durch Weglassen eines Glättungskondensators erreicht werden kann, so wird ein solches Zeitsignal nach Art einer Modulation dem oberwellenbehafteten Signal überlagert. Eine solche Maßnahme dient der Vermeidung von stehenden Wellen in dem Flüssigkeitsmedium, welche ansonsten eher schädliche Auswirkungen auf die behandelten Gegenstände haben könnten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfährt eine weitere Optimierung dadurch, dass in der Zuleitung des Vollweggleichrichters eine Strombegrenzung vorgesehen ist, insbesondere ein in Serie geschalteter Strombegrenzungswiderstand. Hierbei handelt es sich um eine Vorsichtsmaßnahme, welche im Fall eines bspw. auf eine Fehlbedienung zurückzuführenden Betriebsfehlers einen starken Stromanstieg, welcher eine Beschädigung oder Zerstörung des Geräts zur Folge haben könnte, vermeidet. Im Idealfall wird der Strom dabei auf für das Gerät unschädliche Werte begrenzt, die andererseits das Ansprechen einer Sicherung herbeiführen und damit den Anwender auf seinen Bedienungsfehler (bspw. Eintauchen der Schaltungsplatine in die Reinigungsflüssigkeit) hinweisen.

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Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass der Vollweggleichrichter eingangsseitig über in Serie geschaltete Glättungsdrosseln und/oder diesen ggf. vorgeordnete, dem Netz parallelgeschaltete Glättungskondensatoren mit einem Wechselstrom-Versorgungsnetz gekoppelt oder koppelbar ist. Dadurch können die starken, von dem Schaltelement hervorgerufenen Oberwellen von dem speisenden Stromnetz ferngehalten werden, um eine Beeinträchtigung anderer Geräte auszuschließen.

&iacgr;&ogr; Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer perspektivischen

Darstellung;

Fig. 2 den in eine Flüssigkeit einzutauchenden Teil der Vorrichtung aus

Fig. 1 mit dem Schallwandler, teilweise aufgebrochen;

Fig. 3 ein tragendes Halterungsteil für einen Schallwandler in einem

Längsschnitt entsprechend der Linie III - III aus Fig. 2;

Fig. 4 einen Plan mit der elektrischen Schaltung der Vorrichtung aus den

Fig. 1 bis 3;

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Transformator der elektrischen Schaltung

aus Fig. 4;

Fig. 6 einen Schnitt durch die Fig. 5 entlang der Linie Vl -Vl;

Fig. 7a, 7b ein zwischen den Meßpunkten E und K der Schaltung aus Fig. 4 gemessenes Spannungssignal in unterschiedlichen Zeitmaßstäben; sowie

9 * ··· 9 9 9 · 9 999 9999 * 99 9

999 9999 9 9 999· 9 9 9 9 9 9

999 9999 9 · 9999 999

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Fig. 8a, 8b ein zwischen den Meßpunkten X1 und X2 der Schaltung aus Fig. 4 gemessenes Spannungssignal in unterschiedlichen Zeitmaßstäben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 aus Fig. 1 ist primär für die Reinigung von Wäsche in einem Flüssigkeits-, insbesondere Wasserbad (bspw. in einem Waschbecken oder einer Badewanne) konzipiert und soll deshalb im folgenden als Reinigungsgerät 1 bezeichnet werden. Sie kann darüber hinaus aber auch für vielfältige andere Zwecke eingesetzt werden (bspw. zur Desinfektion von

&iacgr;&ogr; Gegenständen, zur Behandlung verschiedener Krankheitszustände, bspw. Schweißfüßen, insbesondere durch Abtötung von Fußpilzen oder sonstigen Bakterien, zur Vermeidung des Algenwachstums in Aquarien, etc.), weshalb der Begriff &ldquor;Reinigungsgerät" nicht einschränkend auf diesen Anwendungsfall ausgelegt werden soll.

Das Reinigungsgerät 1 umfaßt ein in die betreffende Flüssigkeit einzutauchendes Schallwandlermodul 2 und eine über ein Kabel 3 damit verbundene Ansteuerkomponente 4 mit einem Gehäuse 5 und einem damit integrierten Netzstecker 6 zum Anschluß an ein Stromversorgungsnetz.

Innerhalb des Gehäuses 5 befinden sich sämtliche elektrischen und elektronischen Bauteile der Schaltung 7 gemäß Fig. 4 mit Ausnahme des Schallwandlers 8 selbst. Dieser befindet sich in dem Schallwandlermodul 2.

Der Aufbau des scheibenförmigen Schallwandlermoduls 2 ist aus Fig. 2 zu erkennen. Der eigentliche, ringförmige Schallwandler 8 ist in einer Halterung 9 aufgenommen, die im Schnitt in Fig. 3 wiedergegeben ist. Diese Halterung 9 hat etwa die Gestalt eines Rades mit einem Außenring 10, einem Innenring 11 und bspw. vier dazwischen angeordneten, radial verlaufenden Speichen 12. Allerdings ist der Außenring nicht exakt kreisrund, sondern leicht oval, elliptisch oder eiförmig 13 gestaltet, um die Ausbildung stehender Wellen und deren das Gerät selbst bedrohenden Auswirkungen abzumildern. In einem demzufolge radial erweiterten Bereich des Außenrings 10 kann eine mit Innengewinde versehene Bohrung 14

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zur (Schraub-)Fixierung des Schallwandlersmoduls 2 an einer Halterung od. dgl. vorgesehen sein.

Eine zentrale Ausnehmung in dem Innenring 11 dient der Aufnahme und Fixierung des Schallwandlers 8. Bei diesem handelt es sich bevorzugt um einen ringförmigen Piezokristall mit Metallisierungen an gegenüberliegenden Flächen, die mit je einem Draht 15 elektrisch leitend verbunden, bspw. verlötet sind. Diese beiden Drähte 15 sind durch radiale Einkerbungen 16 oder Durchbrechungen 17 des Innenrings 11 und/oder des Außenrings 12 hindurchgeführt. Im Bereich einer &iacgr;&ogr; Durchbrechung 17 des Außenrings 12 kann eine Abdichtung 18, Zugentlastung und/oder Knickschutztülle 19 für das Kabel 3 vorgesehen sein, in welchem die Drähte 15 zusammengefaßt sind, um durch eine weitere Knickschutztülle 20 und ggf. Zugentlastung in das Gehäuse 5 der Ansteuerkomponente 4 hindurchgeführt und dort an den Schaltungspunkten X1, X2 angeschlossen zu werden.

Zur Verbesserung des Schallabstrahlungsverhaltens hat das scheibenförmige Schallwandlermodul gegenüber der Grundfläche des ringförmigen Schallwandlers 8 eine etwa 15- bis 20-fach vergrößerte Grundfläche. Dies wird dadurch erreicht, dass der (Außen-)Durchmesser des Außenrings 10 etwa 3,5 mal größer ist als der (Innen-)Durchmesser des Innenrings 11 bzw. des darin eingesetzten Schallwandlers 8. Damit die gesamte Grundfläche des Schallwandlermoduls 2 zur Schallabgabe verwendet werden kann, ist der Raum innerhalb des Außenrings 10 vollständig mit einer Vergußmasse 21 ausgefüllt. Hierbei kann es sich um eine weiche, hochelastische Substanz handeln, die von den anregenden Schwingungen des Schallwandlers 8 aufgrund ihrer minimalen Steifheit und minimalen Dämpfung in starke Schwingungen versetzt werden kann. Bewährt haben sich hierfür Materialien mit einem Elastizitätsmodul von weniger als 0,2 kN/mm², insbesondere weniger als 0,1 kN/mm², wie bspw. Silikonkautschuk.

Der elektrischen Schaltung 7 obliegt es, an den Anschlußklemmen X1, X2 ein energiereiches elektrisches Signal geeigneter Frequenz, Amplitude und Wellenform zur Verfügung zu stellen, welches von dem angeschlossenen Schallwandler 8 in Schall umgewandelt und über die Vergußmasse 21 großflächig

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in das betreffende Flüssigkeitsbad eingeleitet wird, um dort die weiter oben beschriebenen, vorteilhaften Wirkungen zu entfalten.

Dazu wird die der Ansteuerkomponente 4 über den Netzstecker 6 zugeführte Netzspannung zunächst gleichgerichtet, im vorliegenden Fall mittels eines Vollweggleichrichters 22, dessen Ausgangsgleichspannung nicht geglättet wird.

In den Ausgangs- oder Gleichstromkreis 23 dieses Vollweggleichrichters 22 ist die Primärwicklung 24 eines Transformators 25 geschalten, dessen galvanisch

&iacgr;&ogr; getrennte Sekundärwicklung 26 die Anschlußpunkte X1 und X2 für den Schallwandler 8 liefert. Durch diesen Transformator 25 wird bereits innerhalb der Ansteuerkomponente 4 und damit stromaufwärts des Verbindungskabels 3 eine völlige Potentialtrennung erreicht, so dass selbst bei einem Kontakt eines der Drähte 15 oder des Schallwandlers 8 mit dem Flüssigkeitsbad keine für eine Person gefährlichen Spannungen auftreten können.

Um der Primärwicklung 24 des Transformators 25 eine Spannung und vor allem einen Strom einprägen zu können, ist dieser innerhalb des Gleichstromkreises 23 kein weiteres Schaltkreiselement, insbesondere weder ein Widerstand noch eine Kapazität, parallelgeschalten.

In Serie mit dieser Induktivität 24 ist eine Ansteuerschaltung 27 geschalten. Diese umfaßt einerseits zu dem Koppelelement (Primärwicklung 24 des Transformators 25) komplementäre Elemente eines Serienschwingkreises, nämlich eine Kapazität C_s, 28 und einen Widerstand R₃, 29. Der Widerstand R₃, 29 kann verstellbar ausgebildet sein, insbesondere in Form eines Potentiometers. Die Elemente dieses Serienschwingkreises - Induktivität 24, Kapazität C₃, 28 und Widerstand R₃, 29 - sind zusammen mit einer ebenfalls in Reihe geschaltenen und in Durchflußrichtung (bezogen auf die durch den Vollweggleichrichter 22 in dem Gleichstromzweig 23 vorgegebene Stromrichtung) gepolten Leuchtdiode 30 zwischen der Anode 31 des Vollweggleichrichters 22 und dessen Kathode 32 geschalten. Da auch der Leuchtdiode 30 innerhalb des Gleichstromkreises 23 kein weiteres Schaltkreiselement parallelgeschalten ist, zeigt diese durch ihr

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Leuchten den (mittleren) Stromfluß i durch das primärseitige Kopplungselement 24 an.

Infolge der Kapazität C₃, 28 samt in Serie geschaltener Diode 30 kann sich ohne weitere Maßnahmen keine stabile Schwingung einstellen. Nach einmaliger Aufladung der Kapazität 28 würde der Stromfluß i innerhalb des Gleichstromkreises 23 zu null und es könnte keine Erregung des Schallwandlers 8 erfolgen. Deshalb ist parallel zu der Kapazität C₃, 28 und dem Widerstand 29 ein (elektronischer) Schalter in Form eines (Bipolar-)Transistors 33 geschalten. Im

&iacgr;&ogr; Fall eines Bipolartransistors ist dessen Kollektor-Emitter-Strecke (bei einem Feldeffekttransistor dessen Drain-Source-Strecke) den beiden obigen Elementen parallelgeschalten. Der Bipolartransistor 33 wird in Emitterschaltung betrieben, wobei der Emitter an dem Schaltungsknoten E (kathodenseitiger Anschluß der Kapazität C₃, 28) angeschlossen ist, auf den sowohl die Basis-Emitter-Spannung wie auch die Kollektor-Emitter-Spannung bezogen sind.

Ist der Schalter 33 offen, indem die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 33 hochohmig ist, so lädt sich wie oben erläutert die Kapazität 28 auf. Da deren Anodenspannung u_A über einen Basiswiderstand R_B, 34 zur Basis des Transistors 33 zurückgekoppelt wird, ergibt sich i_B« u_A / R_B.

Wird von dem entsprechend u_A ansteigenden i_B ein Schwellwert überschritten, schaltet der Transistor 33 durch, und seine Kollektor-Emitter-Strecke wird leitend. Nun kann sich der Kondensator C₃, 28 über den Widerstand R₃ entladen, und er tut dies mit einer Zeitkonstante &tgr; = R₃ * C₃. Dadurch sinkt die Kondensatorspannung u_A exponentiell ab, und mit dieser der Basisstrom i_B. Unterschreitet dieser einen Schwellwert, so sperrt der Transistor, und mit abermaligem Aufladen des Kondensators C₃ beginnt dieser Zyklus von neuem.

Während eines solchen Zyklus nimmt der Strom i durch das Kopplungselement 24 bei geschlossenem Schalter bzw. Transistor 33 zu, da nun nahezu die gesamte Ausgangsspannung des Vollweggleichrichters 22 an der Induktivität L_P, 24 abfällt (wobei di/dt - U/L_Pl U = Ausgangsspannung des Gleichrichters 22). Ist der

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Schalter 33 offen (Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 33 hochohmig), so lädt sich der Kondensator auf und u_A steigt. Dadurch sinkt di/dt.

Der Transformator 25 verfügt über eine dritte Wicklung 35, die elektrisch in den Basisstromkreis des Transistors 33 geschalten ist (in Reihe mit dem Basiswiderstand R_B, 34).

Ein bevorzugter Aufbau des Transformators 25 ist in den Fig. 5 und 6 zu sehen. Die drei Wicklungen 24, 26, 35 befinden sich auf dem mittleren Steg eines aus

&iacgr;&ogr; einem Blechpaket gebildeten Eisenkerns 47. Der zur Verfügung stehende Wicklungsraum 48 ist durch eine mittige, von dem mittleren Steg des Kerns 47 etwa lotrecht durchsetzte Scheibe 49 in zwei Kammern unterteilt. In einer Kammer sind die Primärwicklung 24 und darüber die Rückkopplungswicklung 34 angeordnet, während die Sekundärwicklung 26 in der anderen Wicklungskammer untergebracht ist. Dadurch ist zwischen Primärwicklung 24 und Rückkopplungswicklung 35 eine maximal mögliche, magnetische Verkopplung erreicht (nahezu ideales Übertragungsverhalten), indem von diesen beiden Wicklungen 24,35 nahezu dieselben Magnetfeldlinien umgriffen werden, während die Ankopplung der Sekundärwicklung ausschließlich über die den Magnetkern 47 durchsetzenden Magnetfeldlinien erfolgt und daher weniger innig ist.

Die Primärwicklung 24 hat bspw. 50-100, vorzugsweise etwa 60-80 Wicklungen mit einem Leiterdurchmesser von 0,25 mm und einer Induktivität L_P von 5-10, vorzugsweise etwa 7-8 mH. Die Sekundärwicklung 26 hat bspw. 200-600, vorzugsweise etwa 350-450 Wicklungen mit einem Leiterdurchmesser von 0,1 mm und einer Induktivität L_s von 200-600, vorzugsweise etwa 350-450 mH. Die Rückkopplungswicklung 35 hat bspw. 5-20, vorzugsweise etwa 7-12 Wicklungen mit einem Leiterdurchmesser von 0,25 mm und einer Induktivität L_R von 0,1-0,3, vorzugsweise etwa 0,12-0,25 mH.

Zur Montage dieses Transformators 25 auf einer Platine sind an beiden Enden des mittleren Eisenstegs aufgeschobene, die Wicklungskammern begrenzende

Scheiben 50 mit Standfüßen 51 und/oder der Fixierung dienenden Lötfahnen 52 versehen.

Aufgrund magnetischer Induktion wird in der Rückkopplungswicklung 35 eine Spannung induziert, wenn sich der Strom i durch die Primärwicklung 24 ändert. Die Wicklung 35 kann derart gepolt werden, dass die induzierte Spannung in der in Fig. 4 eingezeichneten Basisstromrichtung gepolt ist, wenn di/dt ansteigt. Damit kann eine Beschleunigung des Schaltverhaltens hervorgerufen werden, indem bei Schließen des Schalters 33 kurzzeitig eine Überspannungsspitze an dem &iacgr;&ogr; Basiswiderstand R_B, 34 erzeugt wird, die eine Basisstromspitze i_B zur Folge hat. Umgekehrt kann nach Einleitung der Schalteröffnung durch eine entgegengesetzt gerichtete Spannungsspitze der Basisstrom i_B abrupt zu null gemacht werden. Durch diese Maßnahme ergeben sich steile Schaltflanken zwischen den Ausgangsanschlüssen des Transistors 33 (Kollektor K und Emitter E).

Der daraus folgende Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung u_KE ist in den Fig. 7a und 7b in unterschiedlichen Zeitmaßstäben dargestellt. In Fig. 7b ist ein einzelner Schaltzyklus zu sehen. Man erkennt deutlich die Ladephase 36 des Kondensators C₃, 28, sodann den Einschaltvorgang 37 des Transistors 33 mit dem abrupten Spannungsabfall. Die Spannung an dem Kondensator C₃, 28 sinkt demgegenüber allerdings nur langsam ab, bspw. mit einer Zeitkonstante von etwa 0,5 ms bis 5 ms entsprechend der Zeitkonstante &tgr;. Nach einem etwa der Aufladephase 36 entsprechenden Zeitintervall 38 ist der Basisstrom i_B abgesunken, und infolge eines schnellen Abschaltvorgangs 39 schließt sich wieder eine Aufladephase 36

Die Grundwelle (Periode eines Zyklus 36-39) entspricht etwa einer Frequenz f₀ von 8 kHz.

Insbesondere bei dem Schließen des Schalters 33 ergibt sich eine sehr steile Flanke 37, welche entsprechend einer Fourier-Spektral-Analyse ein energiereiches Oberwellenspektrum zur Folge hat (mit Frequenzen f_k = k * f₀, k = 1,2,3...). Dieses gesamte Oberwellenspektrum gelangt über den Transformator 25

zu dem Schallwandler 8 und wird dort in Schall umgewandelt. Dabei werden zwar infolge der Resonanzkurven des (primärseitigen) Serienschwingkreises 24, 28, 29 (dessen Resonanzfrequenz liegt etwa bei der 1,5-fachen Grundfrequenz: f_resS « 1,5 * f₀) und des (sekundärseitigen) Parallelschwingkreises 8, 26 (dessen (elektrische) Resonanzfrequenz liegt etwa bei der Grundfrequenz: f_resP « f₀) die höheren Oberwellen stärker bedämpft als die Grundwelle; dies wird jedoch zumindest teilweise dadurch kompensiert, dass die (mechanische) Resonanzfrequenz f_{res w} des Schallwandlers 8 weit in den Ultraschallbereich hinein verlagert ist, bspw. bei etwa f_resW « 10 * f₀ - 80 kHz liegt. Indem der Schallwandler

&iacgr;&ogr; eine Güte Q von bspw. etwa 400 hat, wird dennoch auch die im hörbaren Bereich liegende Grundwelle deutlich wahrnehmbar abgestrahlt. Dies stört akustisch nicht, da es sich hierbei um einen reinen, gleichmäßigen und nicht zu lauten Summton handelt. Dennoch ergeben sich stark asymmetische Druckschwingungen in der Flüssigkeit. Diese gewähren den Kavitationsblasen eine relativ lange Bildungszeit etwa in der Größenordnung von 1J2 » 62,5 &mgr;&bgr;. Während der Flanke 37 bilden sich in der Flüssigkeit dagegen lokale Überdruckbereiche, welche ein urplötzliches Zusammenfallen der dahinein gelangenden Kavitationsblasen auslösen, so dass sich energiereiche Schockwellen ergeben.

Wie die Fig. 8a, 8b erkennen lassen, ist der zyklischen Schwingung des zwischen den Anschlüssen X1 und X2 an den Schallwandler 8 abgegebenen Spannungssignals eine periodische Hüllkurve 40 nach Art einer Amplitudenmodulation aufmoduliert. Dies rührt daher, dass die von dem Vollweggleichrichter 22 aus der Netzwechselspannung 6 erzeugte Gleichspannung 31,32 nicht geglättet ist. Demzufolge hat die Hüllkurve eine Schwingungsfrequenz von 100 Hz entsprechend der doppelten Netzwechselspannung 6. Dieser Effekt ist erwünscht, weil infolge der daraus resultierend schwankenden Schallwellenamplitude, welche über das Schaltverhalten des Transistors 33 auch (geringfügig) Einfluß auf die Grundfrequenz f₀ und demzufolge auch deren Oberwellen f_k hat, die Ausbildung von stehenden Wellen in der Flüssigkeit vermieden wird, welche ansonsten schädigende Auswirkungen auf die zu behandelnden Gegenstände als auch auf den verwendeten Behälter haben könnten.

A042/002BDE

Durch in den Wechselstromkreis 41 eingeschaltete Drosseln 42 wie auch durch einen eingangsseitigen Kondensator 43 werden die in dem Gleichstromkreis 23 insbesondere von dem Schalter 33 erzeugten Schwingungen und Oberwellen von der Netzspannung ferngehalten. Ein ebenfalls in den Wechselstromkreis 41 eingeschalteter Vorwiderstand 44 dient als Strombegrenzung für den Fall einer Fehlfunktion. Ein Kondensator 45, ggf. mit Parallelwiderstand 46, kann zur Kompensation der von den Spulen 42 aufgenommenen Blindleistung verwendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Reinigung und/oder Desinfektion von Gegenständen, Wäsche od. dgl. sowie ggf. zur therapeutischen Behandlung von Körperteilen in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere in einem Wasserbad, mit einem in das Flüssigkeitsbad eintauchenden und von einem oszillierenden, elektrischen Signal angeregten Schallwandler (8) zur Auslösung von Kavitation in der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (8) zur direkten oder indirekten Anregung an einem ein elektrisches Signal (u_KE) erzeugenden Oszillator (24, 27) angeschlossen oder angekoppelt ist, der solchermaßen ausgebildet ist, dass das von dem Oszillator (24, 27) erzeugte, elektrische Signal (u_KE) wenigstens eine Grundschwingung f₀ im hörbaren Frequenzbereich (< 16 kHz) und ein energiereiches Oberwellenspektrum (f_k, k = 1, 2, 3. . . (vorzugsweise k ≥ 2, insbesondere k ≥ 10)) im Ultraschallbereich (≥ 16 kHz) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (8) an den Sekundäranschluß (26, X1, X2) eines Übertragungselements (25) angeschlossen ist, dessen Primäranschluß (24) mit dem Oszillator (24, 27) gekoppelt oder Bestandteil desselben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das der Kopplung des Oszillators (24, 27) mit dem Schallwandler (8) dienende (primärseitige) Element (24) frei von galvanischen (resistiven) sowie hochfrequenzmäßigen (kapazitiven) und niederfrequenzmäßigen (induktiven) Bypässen ist, so dass eine maximale Energie des oberwellenbehafteten Signals (u_KE) mit dem angeregten (Parallel-) Schwingkreis (8, 26) gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit dem bypassfreien Kopplungselement (24) eine Leuchtdiode (30) oder ein anderes, vorzugsweise optisches Signalmittel geschalten ist, um die Anregung des Schallwandlers (8) zu signalisieren.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (24, 27) einen (Serien-)Schwingkreis (24, 28, 29) umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oszillatorsignal (u_A) zu einem Schaltelement (33) zurückgekoppelt ist, so dass bei Über- und/oder Unterschreiten einer (internen) Schaltschwelle ein Umschalten erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein (elektronisches) Schaltelement (33) (ausgangsseitig) parallel zu den (allen) nicht der Ankopplung an den Schallwandler (8) dienenden Elementen (28, 29) des Oszillators (24, 27) liegt, um diese kurzzuschließen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein (elektronisches) Schaltelement (33) (ausgangsseitig) in einer Reihe mit dem der Ankopplung an den Schallwandler (8) dienenden Element (24) des Oszillators (24, 27) liegt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das (elektronische) Schaltelement (33) als (Bipolar-)Transistor, vorzugsweise in Emitterschaltung, ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (24, 27) eingangsseitig an den Ausgang (31, 32) eines Vollweggleichrichters (22) angekoppelt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vollweggleichrichter (22) über in Serie geschaltete Glättungsdrosseln (42) und/oder parallelgeschaltete Glättungskondensatoren (43) mit einem Wechselstrom-Versorgungsnetz (6) gekoppelt oder koppelbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (41) des Vollweggleichrichters (22) eine Strombegrenzung vorgesehen ist, insbesondere ein in Serie geschalteter Strombegrenzungswiderstand (44).