DE2537772A1

DE2537772A1 - Ultraschallschwinger

Info

Publication number: DE2537772A1
Application number: DE19752537772
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Drews; Max Dr Guntersdorfer; Peter Kleinschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-25
Filing date: 1975-08-25
Publication date: 1977-03-03
Also published as: DE2537772C3; DE2537772B2

Description

Ultraschallschwinger Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Ultraschallschwinger zur Flüssigkeitszerstäubung, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
In der deutschen Auslegeschrift 2 032 433 (VPA 70/7034) sind bereits derartige Ultraschallschwinger beschrieben, die rotationssymmetrisch sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallschwinger mit wesentlich vergrößerter Zerstäuberleistung anzugeben. Diese Aufgabewird durch einen Ultraschallschwinger der eingangs bezeichneten Art gelöst, welcher erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Anspruches 1 ausgebildet ist.
Wenn bei der Flüssigkeitszerstäubung kleine Tröpfchen erzeugt werden sollen, muß die Zerstäubung bei einer hohen Ultraschallfrequenz erfolgen. Dabei ergibt sich das Problem, daß Ultraschallschwinger, die für derartig hohe Frequenzen ausgelegt sind, kleine Abmessungen und dementsprechend kleine Zerstäuberflächen aufweisen, so daß die Zerstäuberleistung beschränkt ist.
Um eine hohe Zerstäuberleistung zu erreichen, kann man z.B.
mehrere Ultraschallschwinger, wie sie in der oben genannten Druckschrift beschrieben sind, gleichzeitig betreiben. Jedoch braucht in diesem Fall jeder Ultraschallschwinger eine eigene Anregungselektronik, weil es außerordentlich schwierig ist, alle Ultraschallschwinger über längere Zeit auf einer gemeinsamen Resonanzfrequenz zu halten. Auch wenn der für einen einzelnen Ultraschallschwinger notwendige elektronische Aufwand sehr gering ist, so ist der gesamte elektronische Aufwand für ein Zerstäubersystem mit vielen Ultraschallschwingern verhältnismäßig hoch.
Da der erfindungsgemäße Schwinger nur eine einzige Anregungselektronik benötigt, läßt sich aufgrund der Erfindung vorteilhafterweise eine große Kosteneinsparung bei der Herstellung eines Zerstäubersystems erzielen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beschrieben.
Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.
Der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger besitzt einen prismatischen, kompakten Schwingungsübertrager 1, der aus Metall besteht. Mit diesem Übertrager ist eine Zerstäuberplatte 2 einstückig verbunden. An der Grundfläche des Schallübertragers ist eine rechteckige Platte aus Piezokeramik 3 aufgeklebt. Diese Platte weit auf beiden Seiten eine Kontaktelektrode 30, 31 auf, vorzugsweise eine Einbrenn-Silberkontaktierung. Zwischen der Kontaktelektrode 30, die auf der dem Übertrager zugewandten Seite der piezokeramischen Platte liegt, kann eine Isolierung angebracht werden, z.B. aus einem elektrisch isolierenden Kleber, mit dem die Platte an dem Ubertrager angeklebt ist. Die Piezokeramik ist in Dickenrichtung der Platte polarisiert. Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Kontaktierungen der Platte werden in dem Übertrager Biegeschwingungen erzeugt, die mit den Pfeilen 40, 41 angedeutet sind. Diese Schwingungen werden von dem Ubertrager auf die Zerstäuberplatte mit erhöhter Amplitude übertragen, dies ist mit den Pfeilen 20, 21 angedeutet. Am Übertrager ist im Bereich einer Schwingungsknotenlinie eine. Halteplatte 10 angeordnet, die mit dem Übertrager vorzugsweise stückig verbunden ist. Diese Halteplatte kann z.B. als Deckel eines Behälters dienen, in welchem die Anregeelektronik angeordnet ist. Die Zuführung der Flüssigkeit kann z.B. über eine Bohrung 11 erfolgen, die in der Ebene der Halteplatte und in Längsrichtung des Schallübertragers angeordnet ist. Von dieser Bohrung führen Querbohrungen 50 bis 53 zur Zerstäuberplatte.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, längs der Mittellinie der Zerstäuberplatte eine Zuführung 60 mit Austrittsöffnungen, die in Richtung auf die Zerstäuberplatte zeigen, anzuordnen.
Beim Schwingbetrieb kann es dazu kommen, daß die Zerstäuberplatte neben Biegeschwingungen auch Längsschwingungen ausführt. In der Figur 2 ist eine Zerstäuberplatte in Draufsicht dargestellt, die z.B. Längsschwingungen fünfter Ordnung und Biegeschwingungen erster Ordnung ausführt. Die Figur zeigt die sogenannten Cladni-Figuren, die Bereiche 100 bis 109 stellen die Schwingungsbäuche dar, d.h. Bereiche mit großer Amplitude, im Bereich 111 ist die Amplitude nahezu 0.
Die Ordnung der Biegeschwingung und die Ordnung der Längsschwingung, die sich beim Schwingbetrieb überlagern, sind abhängig von der jeweiligen Frequenz der Wechselspannung, die der Keramikplatte zugeführt wird, und von der Breite, Dicke und Länge der Zerstäuberplatte. Die Zerstäuberleistung eines wie in Figur 1 dargestellten Schwingers läßt sich erhöhen, wenn die Längsschwingungen des Ultraschallschwingers unterdrückt werden: in diesem Fall dient die der Keramikplatte zugeführte elektrische Energie, abgesehen von Verlusten innerhalb der Keramik, allein zur Aufrechterhaltung der Biegeschwingungen der Zerstäuberplatte.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen nun Beispiele dafür, wie diese Längsschwingungen unterdrückt werden können.
Gemäß Figur 3, die einen Ultraschallschwinger in Seitenansicht zeigt, sind im Schallübertrager unterhalb der Schwingungsknotenlinien Bohrungen 121 bis 124 angebracht. Zusätzlich ist die Zerstäuberplatte 200, wie die Figur 4 in einer Draufsicht zeigt, im Bereich dieser Schwingungsknotenlinien seitlich eingesägt.
Damit ist die Zerstäuberplatte in mehrere kleine Zerstäuberplatten unterteilt, diese kleine Zerstäuberplatten führen praktisch nur noch Biegeschwingungen aus.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der Entkoppelung der Längs-und Biegeschwingungen zeigen die Figuren 5 und 6. Der Schwingungs-Ubertrager weist wiederum in der Nähe der Zerstäuberplatte im Bereich der Knotenlinien Bohrungen 121 bis 124 auf. Die Zerstäuberplatte 201 besitzt wellenförmige Ränder, wobei die Zerstäuberplatte an den Knotenlinien jeweils Einschnürungen aufweist.
Dies geht aus der Figur 6, die eine Draufsicht auf die Zerstäuberplatte zeigt, hervor. Die Seitenansicht, Figur 5, zeigt, daß die Zerstäuberplatte an den Knotenlinien besonders dünn ausgeführt ist, d.h. die Zerstäuberplatte hat eine periodisch veränderte Dicke.
Eine weitere Möglichkeit der Entkoppelung besteht darin, die Zerstäuberplatte ellipsenförmig auszubilden, und die Platte aus Piezokeramik im Wobbelbetrieb anzusteuern, d.h. die an die Platte angelegte Wechselspannung wird in ihrer Frequenz laufend verändert.
4 Patentansprüche 6 Figuren

Claims

Patentansprüche 5 Ultraschallschwinger zur Flüssigkeitszerstäubung mit einer Zerstäuberplatte, einem Schwingungsübertrager und einer Platte aus Piezokeramik, wobei diese Platte an der Grundfläche des Übertragers angeordnet ist, und wobei sich der Übertrager von der Grundfläche zur Zerstäuberplatte hin verjüngt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Übertrager (1) eine Keilform besitzt, wobei die Zerstäuberplatte (2, 200, 201) an der Spitze des Ubertragers gegenüber der Platte (3) aus Piezokeramik angeordnet is-t.
2. Ultraschallschwinger nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Zerstäuberplatte ellipsenförmig ist.
3. Ultraschallschwinger nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Zerstäuberplatte (200) rechteckig ist und in vorzugebenden Abständen seitliche Einschnitte besitzt, und daß der Schwingungsübertrager unterhalb dieser Einschnitte parallel zur Zerstäuberplatte senkrecht zur Längsrichtung des Übertragers Durchbohrungen (121 bis 124) besitzt.
4. Ultraschallschwinger nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Zerstäuberplatte (201) einen wellenförmigen Rand aufweist und in vorzugebenden Abständen in ihrer Breite eingeschnürt ist, daß die Dicke der Zerstäuberplatte an den Einschnürungen einen Minimalwert und zwischen den Einschnürungen einen Maximalwert aufweist, und daß der Schallübertrager unterhalb der Einschnürungen der Zerstäuberplatte parallel zur Zerstäuberplatte senkrecht zur Längsrichtung des Übertragers Durchbohrungen (121 bis 124) besitzt. Leerseite