DE2120654A1

DE2120654A1 - Elektromechanischer Wandler

Info

Publication number: DE2120654A1
Application number: DE19712120654
Authority: DE
Inventors: Gerald Jacques Adolphe Victoria Hochmann (Australien)
Original assignee: KG LUKE ENGINEERING PROPRIETAR
Current assignee: KG LUKE ENGINEERING PROPRIETAR
Priority date: 1970-04-27
Filing date: 1971-04-27
Publication date: 1971-11-18
Also published as: CA951012A; GB1323196A; FR2090782A5

Description

Die Erfindung bzieht sich generell auf elektromechanische Wandler. Sie- ist insbesondere jedoch nicht ausschließlich auf Ultraschallwandler für Industrieprozesse verwendbar, bei denen Ultraschallenergie in ein Fluidum eingeleitet wird, wie es etwa bei Ultraschall-Reinigung, bei der Homogenisierung von Fluiden und bei der Zerlegung von Suspensionen, etwa Bakterienkulturen,.der Fall ist.

Ultraschallwandler des elektromechanischen Typs wandeln hochfrequente elektrische Schwingungen unter Verwendung von piezoelektrischen oder magnetostriktiven Effekten in Ultraschall-Vibrationen um. Ein derartiger Wandler, der gewöhnlich dazu verwendet wird, Vibrationen in Ultraschall-Reinigungsbehälter einzuleiten, weist eine zusammengesetzte Bauart auf und umfaßt ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Antriebselement, das zwischen zwei nicht piezoelektrischen oder elektrostriktiven Körpern sandwichartig angeordnet ist. Die beiden Körper können an dem Antriebselement befestigt sein, und einer der beiden Körper wird bei der Installation an die in Vibrationen zu versetzende Last, beispielsweise einen Ultraschall-Reinigungsbehälter, angeklebt oder in sonstiger Weise befestigt. Dem Antriebselement und den Verbindungen zwischen diesem Element und den beiden Körpern kann durch eine Vorspanneinrichtung, etwa ein oder mehrere hoch dehnbare Bolzen, die sich derart fest ziehen lassen, daß die beiden Körper gegeneinander gezogen werden, eine Druck-

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Vorspannung zugeführt v/erden.Wie. sich zeigt, läßt sich eine größere Wirkung erzielen, wenn der an der Last zu befestigende Körper geringere Dichte aufweist als der andere Körper. Beispielsweise kann der eine aus Aluminium und der andere aus Stahl bestehen. DUr⁴Ch die vorliegende Erfindung läßt sich die Leistung eines solchen Wandlers weiter verbessern, indem der Körper mit der geringeren Dichte in neuartiger Form, gebaut wird. Wie aps den nachstehend erörterten .Ergebnissen tatsächlich durchgeführter Versuche klar wird, vermittelt die erfindungsgemäße Formgebung des Körpers mit der geringeren Dichte nicht nur eine höhere erzielbare Wirksamkeit oder Ausgangsleistung sondern auch eine höchst erwünschte Gleichmäßigkeit der Ausgangsleistung über einen breiten Frequenzbereich.

Erfindungsgemäß ist ein elektromechanischer Wandler des zusammengesetzten Typs, bei dem ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Antriebselement sandwichartig zwischen zwei Körpern unterschiedlicher Dichte angeordnet ist, dadurch] gekennzeichnet, daß bei dem Körper mit der geringeren Dichte die dem Antriebselement zugewandte Seite einen kleineren Durchmesser aufweist als die von dem Antriebselement entfernte Seite und der Durchmesser dieses Körpers zwischen den beiden Seiten allmählich derart zunimmt, daß eine Rotationsfläche entsteht, deren sämtliche Punkte auf oder außerhalb des Durchmessers der dem Antriebselement zugewandten Seite liegen und die im Axialschnitt gekrümmt ist.

Bei einer Ausführ ungsform der Erfindung nimmt das Maß, in dem der Durchmesser der Rotationsfläche größer wird, in Richtung auf die von dem Antriebselement entfernte Seite des Körpers mit der geringeren Dichte zu. Die Rotationsfläche kann beispielsweise eine Krümmung haben, die im Axialschnitt des Körpers generell hyperbolisch oder exponentiell nach außen konkav ist.

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Der Körper mit der geringeren Dichte umfaßt vorzugsweise auf seiner von dem Antriebselement entfernten Seite einen zylindrischen Abschnitt_f wobei der Übergang zwischen der besagten Rotationsfläche und der zylindrischen Fläche jenes Abschnitts scharf definiert ist.

In alternativer Ausführungsform der Erfindung nimmt das Maß, in dem der Durchmesser der besagten Rotationsfläche größer wird, in Richtung auf die von dem Antriebselement entfernte Seite des Körpers mit der geringeren Dichte ab.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausfürhungsbeispiele anhand der Zeichnungen; in den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 bis 4 bekannte Typen von Ultraschallwandlern;

Fig. 5 und 6 zwei erfindungsgemäß gebaute alternative Ultraschallwandler;

Fig. 7 ein Diagramm der relativen Wirksamkeit der vier bekannten Wandler über einem breiten Frequenzbereich; '

Fig. 8 die Wirksamkeit des Wandlers nach Fig. 5

beim Betrieb an zwei verschiedenen Lasten;

Fig. 9 die Ergebnisse weiterer mit dem Wandler

nach Fig. 5 durchgeführter Versuche; und

Fig. 10 und 11 die Ergebnisse von mit dem Wandler nach Fig. 6 durchgeführten Versuchen.

Die vier Wandler nach Fig. 1 bis 4 sind mit A, B, G bzw. D bezeichnet. Sie stellen bekannte Formen zusammengesetzter Wandler dar. Jeder Wandler hat ein Antriebs element 11, das aus zwei polarisierten piezoelektrischen keramischen Plättchen (Blei-zirkonat-titanat) besteht, die zwischen einem verhältnismäßig dichten Stahlkörper 12 und einem Körper 13 aus einer weniger dichten Aluminiumlegierung sandwichartig angeordnet sind. Das Antriebselement 11 ist an den Körper 12 und 13 angeklebt oder in sonstiger Weise

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befestigt, und eine Druck-Vorspannung ist mittels einer Vorspanneinrichtung 14 aufgebracht. Bei den Wandlern nach den Figuren 1, 3 und 4 besteht die Vorspanneinrichtung aus einem einzelnen, mittig an dem Wandler angebrachten hoch dehnbaren Bolzen, "während die in Fig. 2 gezeigte Anordnung eine Vielzahl von am Umfang verteilten Vor-'spannbolzen aufweist. In jedem Fall werden elektrische Schwingungen zwischen einer dünnen Platte 16 und den beiden polarisierten piezoelektrischen keramischen Plättchen zugeführt.

Der Wandler E nach Fig. 5 ist ebenfalls vom zusammengesetzten Typ. Er umfaßt ein Antriebselement 15 in Form eines Paares von polarisierten piezoelektrischen keramischen Plättchen 17, die auf beiden Seiten einer dünnen Platte 18 und sandwichartig zwischen einem Stahlkörper 19 und einem Körper 21 aus Aluminiumlegierung angeordnet sind. Das AtriebsäLement 15 kann an den Körpern 19, 21 angeklebt oder in sonstiger Weise befestigt sein, und eine Druck-Vorspannung wird mittels einer hoch dehnbaren Kopfschraube 22 aufgebracht, die durch den Körper 19 und eine zentrale Öffnung in dem Antriebselement 15 verläuft und in eine -Gewindebohrung in dem Körper 21 eingeschraubt ist.

Der Körper 21 des Wandlers E ist erfindungsgemäß geformt. Fig. 5 ist maßstäblich gezeichnet; durch Ausmessen läßt sich entnehmen, daß die dem Antriebselement zugewandte Seite 23 einen Durchmesser von 38 mm hat, während die von dem Äritriebselemeht abgewandte Seite 24 einen Durchmesser von 58 mm aufweist. Der Durchmesser des Körpers erweitert sich allmählich von dem Ende 23 auf das Ende 24 zu, so daß eine Rotationsfläche 26 definiert ist, deren sämtliche Punkte auf oder außerhalb des Durchmessers des Endes 23 liegen müssen* Wie ersichtlich, nimmt das Maß, in dem der Durehmesser wächst, in Richtung auf das Ende 24 derart zu^ daß die Fläche 26 im Axialschnitt durch den Körper eine nach außen konkave Krümmung aufweist.

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In dem vorliegenden speziellen Fall ist die Krümmung im wesentlichen hyperbolisch.

Der Körper 21 umfaßt einen kurzen zylindrischen Abschnitt auf der von dem Antriebselement 15 entfernten Seite 24, und der Übergang zwischen der Mantelfläche 26 und der Mantelfläche des Abschnitts 27 ist bei 28 scharf definiert; d.h. die beiden Flächen treffen sich an einer scharfen Kante bzw. einem Grat. In der dargestellten Ausführungsform, beträgt die Gesamtlänge des Körpers 21 gleich 36 mm, während der zylindrische Abschnitt 27 nur 2 mm lang ist. Die Länge des Abschnitts 27 ist nicht besonders kritisch; um jedoch beste Ergebnisse zu erzielen, ist es wichtig, daß der Schnitt dieses Abschnitts mit der nach außen gekrümmten Rotationsfläche 26 möglichst scharf ist.

Fig. 7 zeigt die relative Wirksamkeit der vier Wandler nach dem Stand der Technik hinsichtlich der Übertragung von Ultraschall-Vibrationen auf Flüssigkeit in einem Behälter. Normalerweise ist dabei eine Anzahl von Wandlern an der Unterseite des Behälterbodens befestigt. Für den vorliegenden Zweck war jedoch nur ein Wandler an dem Behälter angebracht, und der Behälter war mit eier Lösung von "Tepor" in Wasser im Verhältnis 1 : 40 auf eine Höhe von 21,7 cm gefüllt. Die Wirksamkeit der ein- ■ zelnen Wandler wurde als elektrische Ausgangsleistung einer in die Flüssigkeit eingetauchten piezoelektrischen Sonde gemessen. Die so erhaltene elektrische Ausgangsleistung ist über der Frequenz des elektrischen Eingangssignals aufgetragen.

Fig. 8 zeigt mit dem Wandler nach Fig. 5 erhaltene Vergleichsergebnisse. Wie ersichtlich, hat der Wandler E nicht nur eine erheblich höhere.relative Wirksamkeit, sondern vermittelt auch einen viel "flacheren" Kuryenverlauf. Das bedeutet, daß der Wandler bei einer gleichmäßig hohen Leistungsspitze über einen breiten Frequenz-

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bereich arbeitet. Da Wandler nach dem Stand der Technik ihre beste Leistung bei einer oder zwei eingestellten Frequenzen angeben, ist es bisher erforderlich gewesen, die an einem bestimmten Behälter anzubringenden Wandler sorgfältig anzupassen.und auf den Eingangsgenerator sorgfältig abzustimmen. Wegen der flacheren Charakteristik des erfindungsgemäßen Wandlers erübrigt sich ein derartiges kritisches Abstimmen. Wie leicht einzusehen, ist diese Verbesserung in der Leistung tatsächlich höchst wertvoll. Die Gründe für die verbesserte Leistung sind nicht vollständig geklärt. Versuche, eine Erklärung durch mathematische Analyse zu schaffen, sind gescheitert; in der Tat scheint die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Wandlers allen Vorhersagen, die auf den derzeit anerkannten Prinzipien der Theorie der Ultraschallwellen.-Übertragung beruhen, ziemlich entgegenzulaufen.

Ein weiteres Problem, das man bei Wandlern nach dem Stand der Technik antrifft, besteht darin, daß der Flüssigkeitsstand in dem Behälter höchst kritisch ist und daß die Ultraschall-Wirksamkeit stark herabgesetzt ist, wenn der Flüssigkeitspegel nicht genau eingestellt wird. —--Di-e--beiden in dem Diagramm der Fig. 8 dargestellten Kurven zeigen eine sehr verminderte Änderung der Wirksamkeit bei Schwankungen des Flüssigkeitspegels. Die in dem Diagramm der Fig. 9 eingetragenen Ergebnisse zeigen, daß der -Wandler E eine verhältnismäßig "flache" Charakteristik über einen weiten Frequenzbereich bei Verwendung mit den verschiedensten Lösungsmitteln (mit der einzigen Ausnahme von Methylenchlorid) vermittelt.

Fig. 6 zeigt einen alternativen Wandler F, der ebenfalls erfindungsgemäß gebaut ist. Der Wandler F ist dem Wandler E der Fig. 5 sehr ähnlich, und die entsprechenden Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Wandlern besteht in Wirklichkeit in der Form der Rotationsfläche des Aluminiumkörpers 21. Bei dem Wandler F nimmt das —:-H ::,ν-"·£ί,?ν 109847/1 _2Λ 3 ORIGINAL WSPECTED

Maß, in dem der Durchmesser der Fläche 26 steigt, in Richtung auf das Ende .24 ab, so daß die Fläche 26 im Axialschnitt des Körpers 21 eine nach außen konvexe Krümmung aufweist. Fig. 10 und 11 zeigen die Leistung des Wandlers F unter den gleichen Versuchsbedingungen, wie sie bei den obigen Wandlern vorlagen. Wie ersichtlich, vermittelt auch dieser Wandler eine Leistung, die derjenigen der bekannten Konstruktionen überlegen ist.

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Claims

Ansprüche

/Ι.;Elektromechanischer Wandler des zusammengesetzten Typs , bei dem ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Antriebselement zwischen zwei Körpern unterschiedlicher Dichte sandwichartig angeordnet ist, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß bei dem Körper (21) mit der geringeren Dichte die dem Antriebselement (15) zugewandte Seite einen kleineren Durchmesser hat als die von dem Antriebselement entfernte- Seite und daß der Durchmesser des Körpers derart zunimmt, daß eine Rotationsfläche (26) entsteht, deren sämtliche Punkte auf oder außerhalb des Durchmessers der dem Antriebselement zugewandten Seite liegen und die im Axialschnitt gekrümmt ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichne ty daß das Maß, in dem der Durchmesser der Rotationsfläche (26) steigt, in Richtung

auf die von dem Antriebselement (15) entfernte Seite des Körpers (21) mit der geringeren Dichte zunimmt .
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsfläche (26) im Axialschnitt des Körpers (21) eine generell hyperbolische, nach außen konkave Krümmung hat*

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4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3_f dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (21) mit der geringeren Dichte auf der von dem Antriebselement (15) entfernten Seite einen zylindrischen Abschnitt (27) aufweist und der Übergang (28) zwischen der Rotationsfläche (26) und der zylindrischen. Fläche dieses Abschnitts scharf definiert ist.
5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß, in dem der Durchmesser der Rotationsfläche (26) steigt, in Richtung auf die von dem Antriebselement (15) entfernte Seite des Körpers (21) mit der geringeren Dichte abnimmt und die Rotationsfläche im Axialschnitt nach außen konvex ist.

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