DE2346649A1

DE2346649A1 - Ultraschallgeber

Info

Publication number: DE2346649A1
Application number: DE19732346649
Authority: DE
Inventors: Eiji Prof Miri; Kozo Okada; Saburo Ueno
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; Nippon Tokushu Togyo KK
Current assignee: Nippon Tokushu Togyo KK; Niterra Co Ltd
Priority date: 1973-09-17
Filing date: 1973-09-17
Publication date: 1975-03-27
Also published as: GB1429828A; US3946829A

Description

28 653 ki/wa

Nippon Tokushu Togyo Kabushiki Kaisha Nagoya, Aichi (Japan)

Ultraschallgeber

Die Erfindung betrifft eine neuartige Einrichtung zum Erzeugen von energiereichen Schwingungen im Schall- oder Ultragschallfrequenzbereich, insbesondere einen Ultraschallgeber zum Umwandeln von elektrischer Energie in energiereiche radiale Ultraschallwellen.

In einem üblichen Ultraschallgeber zum' Abstrahlen von radial einwärtsgerxchteten Ultraschallwellen wird als ring- oder kreisförmiger Ultraschallschwinger ein elektromechaniseher Wandler verwendet, der aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven keramischen Material, wie Bleizirkonattitanat -Pb(Ti-Zr)O., besteht. Derartige Geber sind beispielsweise zum kontinuierlichen Mischen oder Emulgieren von Flüssigkeiten mit Ultraschall, beispielsweise in einem Rohr, verwendet worden. Ein derartiger Ultraschallgeber strahlt zwar starke Ultraschallwellen zu dem Mittelpunkt oder der Mittellinie des ring- oder kreisförmigen Ultraschallschwingers hin ab, doch sind seine Herstellung und seine praktische Verwendung mit verschiedenen Nachteilen verbunden, die nachstehend angegeben sind.

iütn derartiger ring- oder kreisförmiger piezoelektrischer keramischer Schwinger kann nur schwer mit der erforderlichen

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Präzision hergestellt werden. Noch schwieriger ist es, auf der kreisförmigen Innenwandung eine elektrische Isolierung vorzusehen, ohne die piezoelektrischen Eigenschaften des Schwingers zu beeinträchtigen. Aber auch wenn die kreisförmige Innenwandung des aus piezoelektrischem keramischen Ma-* terial bestehenden Schwingers elektrisch gut isoliert ist, besteht die Gefahr, daß sich die isolierende Überzugsschicht im Betrieb ablöst, wenn die Ultraschallschwingungen zur Kavitation in einem Strömungsmittel führen oder Infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Uberzugsschicht und des piezoelektrischen keramischen Schwingers. Infolgedessen kann die Innenwandung des Schwingers an diesen Stellen leicht erodiert oder korrodiert werden. Ein weiterer Nachteil des üblichen Ultraschallgebers besteht in der geringen Schlagfestigkeit des piezoelektrischen keramischen Schwingers. Außerdem kann der übliche Ultraschallgeber keine Ultraschallschwingungen mit der gewünschten großen Energie erzeugen, sondern er wird nur zum Erzeugen eines schwachen Ultraschallfeldes verwendet. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der ring- oder kreisförmige piezoelektrische keramische Ultraschallschwinger nicht unbegrenzt groß hergestellt werden kann.

Alle vorstehend angegebenen Nachteile sind darauf zurückzuführen, daß der ring- oder kreisförmige Ultraschallschwinger direkt von einem keramischen piezoelektrischen Wandler gebildet wird.

In verschiedenen Anwendungsgebieten der Ultraschalltechnik, z.B. zur Beschleunigung von chemischen Vorgängen oder zur Durchführung von Diffundier-, Suspendier-, Zerkleinerungsund Emulgiervorgängen, ist bereits ein Bedürfnis nach einem leistungsstarken Ultraschallgeber zum Ausdruck gebracht worden, der sehr energiereiche Ultraschallwellen radial zu seinem Mittelpunkt oder seiner Mittellinie hin abstrahlen kann,

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wobei in der Literatur ein derartiger Geber mit einer Leistung von "bis zu 500 W" gefordert worden ist.

Die vorliegende Erfindung beruht auf den vorstehenden Überlegungen und besteht in bestimmten Konstruktionsmerkmale^ der Kombination von Elementen und der Anordnung von Teilen. Dabei werden elektromechanische Wandler am Außenumfang eines ring- oder kreis-* oder rohrförmigen Metallkörpers befestigt und zu Hochfrequenzschwingungen angeregt, so daß der Metallkörper radial mit einer akustischen Resonanzfrequenz schwingt und in seinen leeren kreisförmigen Innenraum energiereiche akustische Schwingungen abstrahlt. Dabei wird das Wort "akustisch" vor allem zur Bezeichnung von Ultraschallfrequenzen über 15 0OO Hz verwendet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines neuartigen akustischen Gebers, der geeignet ist, sehr energiereiche akustische Wellen radial einwärts abzustrahlen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Ultraschallgebers, der sich durch eine neuartige Konstruktion auszeichnet und keine Beschädigung durch mechanische Schläge und durch kavitationsbedingte, im Sinne einer Erosion und Korrosion wirkende Einflüsse, wie sie bei der Verwendung des Ultraschalls beispielsweise zum Beschleunigen chemischer Reaktionen oder zum Suspendieren, Zerkleinern oder Diffundieren eines Pulvers in einer Flüssigkeit oder zum Mischen oder Emulgieren von verschiedenen Flüssigkeiten usw., auftreten, nicht beschädigt wird.

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines neuartigen Ultraschallgebers, der für die Ultraschallbehandlung von schwingungsfähigem Gut, wie Strömungsmitellen, feinen Pulvern und dergleichen, im Dauerbetrieb

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mit hoher Durchsatzleistung geeignet ist.

Der erfindungsgemäße Ultraschallgeber dient zum Abstrahlen von radial einwärtsgerichteten Ultraschallwellen und besitzt einen Metallring und mindestens einen elektromechanischen Wandler, der an dem Außenumfang des Ringes befestigt ist und den Ring zu Resonanzschwingungen anregt, so daß der Ring an seinem Innenumfang Ultraschallwellen in seinen leeren Innenraum abgibt. Ein durch den Ring strömendes Strömungsmittel wird energiereichen Ultraschallschwingungen unterworfen.

Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung hervor. Dabei wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In diesen zeigt

Fig. 1 in einer Draufsicht einen Ultraschallgeber gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in einer Vorderansicht^ in der rechten Hälfte teilweise im Vertikalschnitt, einen Ultraschallgeber gemäß der Erfindung und

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 2.

Der in Fig. 1 gezeigte Metallring 1 hat einen vieleckigen Außenumfang mit einer Anaahl von Flächen 2. Zu deren Ausbildung kann man vorzugsweise den Außenumfang eines kreisförmigen Stahlringes beispielsweise mit einem Außendurchmesser von 346 mm, einem Innendurchmesser von 250 mm und einer Breite von 45 mm zu einem regelmäßigen Sechzehneck umformen. Auf jeder Fläche 2 ist ein elektromechanischer, beispielsweise ein elektrostriktiver oder piezoelektrischer Wandler E befestigt, der zu Schwingungen in der Richtung seiner Dicke angeregt wird,

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wenn an den Wandler von einem elektrisch mit ihm verbundenen, nicht gezeigten Spannungsfrequenzoszillator eine Hochfrequenzspannung von beispielsweise 400 kHz angelegt wird. Die elektromechanischen Wandler E geben ihre Schwingungsenergie an den Metallring 1 ab, der dadurch zu Resonanzschwingungen angeregt wird, wenn die Dicke des Ringes l|-V. ist, wobei-^ die Wellenlänge und η beispielsweise 7 ist. Der Ring 1 strahlt dann von seinem Innenumfang resonance Ultraschallschwingungen radial einwärts in seinen leeren kreisförmigen Innenraum ab, die infolge der Resonanz des als Ultraschallschwinger verwendeten Ringes 1 sehr energiereich eind.

In den Fig. 2 und 3 ist eine praktische Ausführungsform des Ultraschallgebers gemäß der Erfindung dargestellt. Mehrere Ultraschallgeber A der vorstehend erläuterten Art sind miteinander durch Rohrstücke 4 verbunden und in deren Längsrichtung in Abständen voneinander angeordnet. Jedes zwischen zwei Gebern 4 angeordnete Rohrstück 4 ist mit seinen Stirnrändern in kreisförmigen Nuten 3 eingebettet, die in den benachbarten Stirnflächen der entsprechenden Metallringe 1 ausgebildet sind. Die Nut muß an dem Schwingungsknoten der Radialschwingung des Ringes 1 angeordnet sein. An dem Schwingungsknoten der Längsschwingung jedes Rohrstücks 4 ist dieses an seinem Außenumfang durch einen kreisförmigen Flansch 5 abgestützt. Die Längsschwingung des Rohrstücks steht mit der radialen Schwingung des Ringes in einer durch die Poisson-Gleichung ausgedrückten Beziehung. ♦

Wenn schwingungsfähiges Gut, beispielsweise eine Suspension, durch die Rohrstücke 4 und die Ringe 1 des in Fig. 2 gezeigten Ultraschallgebers tritt, wird das schwingungsfähige Gut während eines längeren Zeitraums einer Ultraschallschwingungsenergie ausgesetzt, die zu einer stärkeren Kavitation führt, so daß der erfindungsgemäße Ultraschallgeber bei hohen

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Durchsatzleistungen im technischen Dauerbetrieb vorzunehmenden Ultraschallbehandlungen zu besonderen Vorteilen führt. Dies ist für den Fachmann ohne weiteres verständlich.

Zum Einspannen des Gebers B kann man Flansche 5 von großem Durchmesser verwenden und fest mit einer schwingungsdämpfenden Einrichtung verschrauben.

Zur Steuerung der Bewegung des ultraschallschwingungsfähigen Gutes durch den leeren Innenraum des erfindungsgemäßen Ultraschallgebers A oder B kann man verschiedene Einrichtungen verwenden, beispielsweise Pumpen, Förderrohre, Mengenregler, usw.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen hat der Außenumfang des Ringes 1 die Form eines regelmäßigen Vielecks, doch wäre es theoretisch auch denkbar, einen Ring mit einem kreisförmigen Außenumfang zu verwenden, weil die Schwingungsverluste um so kleiner und der Wirkungsgrad der übertragung der zur Erzeugung von radialen Ultraschallwellen führenden Energie um so höher ist, je mehr der Außenumfang der Kreisform angenähert wird. Andererseits ist es aber schwierig, einen Wandler auf einer gekrümmten Fläche am Außenumfang eines kreisförmigen Ringes zu befestigen.

Angesichts der vorstehenden Angaben sind im Rahmen des Erfindungsgedankens zahlreiche weitere Abänderungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich.

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Claims

Patentansprüche ι

(j^) Ultraschallgeber zum Abstrahlen von radial einwärtsgerichteten Ultraschallwellen, mit einem Metallring und mindestens einem elektromechanischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler auf dem Außenumfang des Ringes befestigt ist und den Ring zu Resonanzschwingungen anregt, die in den leeren Innenraum des Ringes abgestrahlt werden.
2. Ultraschallgeber zum Abstrahlen von radial einwärtsgerichteter Ultraschallenergie, init mindestens einem Metallring, mehreren elektromechanischen Wandlern und mindestens einem Rohrstück, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler auf dem Außenumfang des Ringes oder der Ringe befestigt sind und den Ring oder die Ringe zu Resonanzschwingungen anregt, so daß der oder jeder Ring von seinem Innenumfang Ultraschallwellen in den leeren Innenraum des Ringes abgibt, und daß das Rohrstück oder die Rohrstücke mit mindestens je einem Ring an einem Schwingungsknoten der radialen Schwingung des Ringes verbunden ist oder sind, so daß ultraschallschwingungsfähiges Gut durch das Rohrstück oder die Rohrstücke und den Ring oder die Ringe hindurch in deren Längs- bzw. Axialrichtung bewegt werden kann.
3. Ultraschallgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des oder jedes Ringes die Form eines regelmäßigen Vielecks besitzt und jeder Wandler auf einer Fläche befestigt ist, die einer Seite des Vielecks entspricht.
4. Ultraschallgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Außenumfang des oder jedes Rohrstücks an Schwingungsknoten seiner Längs- oder Axialschwingung Flansche befestigt sind.

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