DE2326790A1

DE2326790A1 - Ultraschall-reinigungsbad

Info

Publication number: DE2326790A1
Application number: DE19732326790
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Thomann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-05-25
Filing date: 1973-05-25
Publication date: 1974-12-19

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 25 MA11973

Berlin und München 232679Q Wittelsbacherplatz

TPA 73/70:81

Ultraschall-Reinigungsbad

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Reinigungsbad mit einem Becher zur Aufnahme einer Reinigungsflüssigkeit, auf dessen Boden außen ein Piezo-Schwingelement angeordnet ist, mit An* Schlüssen an eine Anregungselektronik, die eine Wechselspannung einer Frequenz im Ultraschallbereich zwischen 20 bis 100 kHz erzeugen kann, die in Resonanz zu mechanischen Eigenschwingungen des Ultraschallbades steht. · -

Derartige Geräte sind bekannt und dienen beispielsweise zur Reinigung chemotechnischer Laborinstrumente. Diese Reinigungsbäder besitzen mehr als cm-dicke Piezo-Schwingelemente, die als Dickenschwinger arbeiten. Sie erreichen zwar eine gute piezoelektrische Kopplung. Wegen ihrer Dicke erfordern sie aber sehr hohe Antriebsspannungen von über 1000 V Wechselspannung. Bei derart hohen Spannungen werden die elektrische Isolation und der Feuchtigkeitsschutz sehr aufwendig lind teuer, denn gemäß den gesetzlichen Vorschriften muß die Bedienungssicherheit noch bei mehrfacher Überspannung gewährleistet sein.

Zur Verringerung der Antriebsspannung wäre ein geschichteter Aufbau des Piezo-Schwingelementes denkbar, jedoch bereitet es erheblich Schwierigkeiten, Verbindung"für die einzelnen Schichten zu finden, die Zug- und Druckschwingungen dämpfungsfrei oder dämpfungsarm übertragen können. Der Wirkungsgrad .nimmt bei einer solchen Konstruktion ab.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschallbad zu bauen, das mit niederen AnregungsSpannungen und guter piezoelektrischer

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Kopplung arbeitet.

Die Lösung liegt in einem Ultraschallbad der eingangs beschriebenen Art, das erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch ein dünnes scheibenförmiges Piezo-Schwingelement, dessen Größe gleich oder annähernd gleich dem Boden des Bechers ist und das Elektroden zum Anschluß einer Anregungselektronik besitzt, die eine Wechselspannung einer solchen Frequenz im Ultraschallbereicherzeugt, bei der der Boden des Ultraschallbades radiale Dehnungsschwingungen ausführt, und dadurch, daß Becherboden und Becherwand innen und außen scharfkantig oder mit einem sehr kleinen Radius ineinander übergehen und eine zur Schwingungsübertragung auf die Reinigungsflüssigkeit bemessene Dicke im Millimeterbereich besitzen.

Dieses erfindungsgemäße Ultraschallbad benötigt nur noch Anregungsspannungen zwischen 100 bis 200 V. Gegenüber Schwingungsfrequenzen, bei denen der Boden des Ultraschallbades Biegeschwingungen ausführen würde, erreicht man eine vorteilhaft verbesserte piezoelektrische Kopplung. Außerdem liegen die Frequenzen der Biegeschwingungen an der Grenze des Hörbereiches, so daß im Betrieb starke Pfeifgerausehe auftreten. Schwingungsfrequenzen, bei denen Dickenschwingung erfolgt, hätten bei dieser geringen Dicke des Piezo-Schwingelementes eine zu geringe Amplitude und eine weitaus zu hohe Frequenz.

Ein weiterer Vorteil ist, daß bei radialen Dehnungsschwingungen des Becherbodens die geometrischen Abmessungen des Bechers des Ultraschallbades verhältnismäßig weit variiert werden können, ohne daß sich die Resonanzfrequenzen stark ändern würden.

Der erfindungsgemäße scharfkantige Übergang der Becherv/and zum Becherboden ist vorteilhaft zur Stabilisierung der radialen Dehnungsschwingungen. Die Dicke der Wand und des Bodens "wird abhängig von der Dichte der vorgesehenen Reinigungsflüssigkeit gewählt. Zusätzlich ist die Dichte des Materials, aus dem der Becher gefertigt ist, zu berücksichtigen. Bei zu geringer

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Dicke der Wand, d.h. des Bodens^ wird zu wenig akustische Energie vom Piezoschwingelement auf die Reinigungsflüssigkeit übertragen, "bei zu großer Dicke erhält men zu hohe Resonanzfrequenzen und zu geringe Amplituden.

Figur 1 zeigt ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Torrichtung. Unter dem Boden des Bechers 1 liegt das Piezo-Schwingelement 2. Seine untere Fläche 20 ist vorzugsweise einbrennversilbert und dient als eine der Elektroden zur Zuführung der Anregungsspannung für das Schwingelement. Als andere Elektrode dient der Becher An den Lötkontakten 3 und 4 sind die Kabel 30 und 40 angelötet. Mit 5 ist die Anregungselektronik bezeichnet, die ihrerseits über die Zuleitung 50 mit elektrischer Energie versorgt wird.

Vorzugsweise ist der Becher aus Aluminium einstückig gezogen.Eine Alternative besteht darin, ihn aus Messing zu fertigen. In diesem Fall kann der Boden eingelötet sein.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die für das Piezo-Schwingelement benötigte Anregungsspannung auf ca. 20 bis 30 Ύ Wechselstrom gesenkt werden. Dazu wird das Schwingelement aus mehreren miteinander verklebten, dünnen Piezoscheiben geschichtet aufgebaut. Dabei haben benachbarte Scheiben zueinander antiparallele Polarisationsrichtungen. Das bringt den Vorteil, daß die Berührungsflächen zwischen 2 Piezoscheiben an den gleichen Pol der Anregungselektronik angeschlossen werden können.

Im Gegensatz zu dem geschichteten Dickenschwinger werden radiale Dehnungsschwingungen ohne wesentliche Dämpfung von Scheibe zu Scheibe über eine Klebverbindung übertragen. Es ist vorteilhaft für eine beim Schv/ingbetrieb bruchsichere Kontaktierung die Einbrennversilberung der Piezoscheiben an der Seite, wo die Kontaktierung erfolgen soll, etwas um die Scheibenkante herumzuziehen. Damit hat man die Möglichkeit, beim zusammengeschichteten Schwingelernent seitlich an dieser Stelle eine Leiterbahn aufzutragen, z.B. mit einem Leitkleber, wobei dann diese Leiterbahn 409851/0057

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mit den Zuleitungskabeln zur Anregungselektronik kontaktiert wird.

Figur 2 zeigt eine Darstellung dieses so geschichteten Schwingelementes: Mit 1 ist wiederum der Becher bezeichnet, das Schwingelement ist.hier beispielsweise vierschichtig aufgebaut aus den Schichten 200. Mit 60 sind die Klebschichten und mit 20 wiederum die einbrennversilberten Flächen der Piezokeramikscheiben bezeichnet. Diese Flächen sind wie oben beschrieben über die Leiterbahnen 31 bzw. 41 elektrisch leitend miteinander verbunden, die Zuleitung der Anregungsspannung erfolgt wiederum über die Lötkontakte 3 und 4 und die Zuleitungen 30 und 40. Die Pfeile in den Schichten 200 geben die Richtung der Polarisation an, ebenso ist die jeweils umgekehrte Richtung möglich.

Ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist mit einem vierschichtigen Schwingelement aufgebaut. Jede piezokeramische Schicht hat eine Dicke von ca. 0,2 mm. Die Betriebsspannung beträgt 24 V. Die Dicke der Wand und des Bodens des Bechers, der aus Aluminium gezogen ist, beträgt ca. 2 mm. Der Durchmesser des Bechers liegt bei 50 mm, die Höhe bei 80 mm.

3 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Ultraschall-Reinigungsbad, mit einem Becher zur Aufnahme einer Reinigungsflüssigkeit, auf dessen Boden außen ein Piezo-Schwingelement angeordnet ist, mit Anschlüssen an eine Anregungselektronik, die einen Wechselstrom einer Frequenz im Ultraschallbereich zwischen 20 bis 100 kHz erzeugen kann, die in Resonanz zu mechanischen Eigenschwingfrequenzen des Ultraschallbades steht, gekennzeichnet durch ein dünnes scheibenförmiges Piezo-Schwingelement, dessen Größe gleich oder annähernd gleich dem Boden des Bechers ist und das Elektroden zum Anschluß einer Anregungselektronik besitzt, die eine Wechselspannung einer solchen Frequenz im Ultraschallbereich erzeugt-, bei der der Boden des Ultraschallbades radiale Dehnungsschwingungei ausführt, und dadurch daß Becherboden und .Becherwand innen und außen scharfkantig oder mit einem sehr kleinen Radius ineinander übergehen und eine zur Schwingungsübertragung auf die Reinigungsflüssigkeit bemessene Dicke im Millimeterbereich besitzen.

Ultraschallbad nach Anspruch 1, gekennzeichnet , durch ein dünnes mehrschichtig aufgebautes Schwingelementjdessen einseine Scheiben abwechselnd entgegengesetzte Polarisationsrichtungen haben, wobei die aufeinanderliegenden Flächen der einzelnen Scheiben an den gleichen Pol der Anregunselektronik angeschlossen sind.

Terfahren zum Betrieb eines Ultraschallbades nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anregungselektronik einen Wechselstrom einer solchen Frequenz erzeugt, bei der der Boden des Ultraschallbades radiale Dehnungsschwingungen ausführt. ,

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L e e r s e i t e