DE2605898A1

DE2605898A1 - Anordnung elektroakustischer schwingungsgeber fuer mit schall oder ultraschall arbeitende einrichtungen

Info

Publication number: DE2605898A1
Application number: DE19762605898
Authority: DE
Inventors: Andrew Dipl Ing Shoh
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 1975-02-14
Filing date: 1976-02-13
Publication date: 1976-08-26
Also published as: FR2300626A1

Description

Branson ultrasonics Corporation

51 Locust Avenue Anwaltsakte M-3801

New Canaan, CT 06840, USA 10. Februar 197 6

Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber für mit Schall oder Ultraschall arbeitende Einrichtungen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von auf einer Platte montierten elektroakustischen Schwingungsgebern für ein Schall- oder Ultraschallarbeitsgerät wie eine Ultraschallreinigungsanlage. Die Platte ist entweder die Fläche eines Flüssigkeitsbehälters oder die Wand einer wasserdichten kastenartigen Konstruktion für eine Ultraschallreinigungsanlage wie sie beispielsweise in dem ;an N.G. Branson erteilten US Patent 3 318 578 vom 9. Mai 1967 beschrieben worden ist.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung von auf einer !Platte montierten elektroakustischen Schwingungsgebern zur Übertragung von Schall- oder Ultraschallbewegungen auf eine Flüssigkeit. Die nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen

60983S/0765 ^,^ _INSPECTED -2-

bewirken eine gleichmäßige, phasengleiche kolbenartige Bewegung der gesamten Plattenfläche, wodurch auf dieser kaum ein Kavitationsfraß erzeugt wird.

Die Technik der Reinigung von Gegenständen unter Verwendung einer akustisch mit Kavitationen versehenen Reinigungslösung ist allgemein bekannt. Die Anordnung umfaßt im allgemeinen einen Flüssigkeitsbehälter oder Tank aus rostfreiem Stahlblech, auf welchem eine Anzahl von elektroakustischen Schwingungsgebern montiert ist, die bei Erregung durch hochfrequente elektrische Energie diese in mechanische Schwingungen im Schall- oder Ultraschallfrequenzbereich, normalerweise im Bereich zwischen 16 und 50 kHz, umsetzen. Die Schwingungsgeber sind meist auf der Bodenplatte oder einer bzw. mehreren Seitenwänden des Tanks montiert, und bei einer anderen Ausführung sind sie in einem eigenen wasserdichten Behälter angeordnet, der im Tank versenkt ist. Bei den am häufigsten verwendeten Schwingungsgebern dient eine oder mehrere piezoelektrische Scheiben zur Umwandlung der elektrischen Energie in _;mechanische Schwingungen (siehe beispielsweise US Patent 3 066 232 von N.G. Branson vom 27. November 1962), die als elektrostriktive Wandler bekannt sind. Auch magnetostriktive Wandler, welche die 'magnetostriktiven Eigenschaften bestimmter Werkstoffe ausnützen, können verwendet werden. Beide Ausführungen von Schwingungsgebern sind allgemein eingeführt und dem Fachmann bekannt, siehe ."Untrasonics in Industry"("Ultraschalltechnik in der Industrie") j von E.B. Steinberg, Proceedings of the IEEE, Band 53, Nr. 10,

j Oktober 1965, S. 1298 - 1299.

6 09835/0765 "³"

ί - 3 -

Bei früheren Reinigungsanlagen werden Schwingungsgeber mit einer Frontfläche von im allgemeinen kreisförmigem Querschnitt zur Befestigung auf einer Platte verwendet. Bei gruppenweiser Anordnung und Befestigung auf der Platte dieser Wandler bilden sich Zwischenräume. In den so gebildeten Zwischenräumen schwingt die Platte nicht mit der gleichen Phase und Amplitude wie die benachbarten Schwingungsgeber, d.h., die in den Zwischenräumen liegenden glatten Flächen werden nicht gleichzeitig mit der mit den benachbarten Schwingungsgebern verbundenen Plattenfläche aus ihrer Anfangsstellung ausgelenkt. Damit wird eine ungleichmäßige Bewegung auf der Plattenoberfläche erzeugt. Dieser Erscheinung bewirkt eine Oberflächenkavxtatxon der Montageplatte und der sich daraus ergebende Oberflächenfraß der Platte in diesen Bezirken verringert die Gebrauchslebensdauer der Reinigungsanlage in hohem Maße. Die phasenversetzte Bewegung ist eindeutig das Ergebnis des sich verändernden Abstandes zwischen benachbarten Schwingungsr gebern. Der Abstand zwischen benachbarten Schwingungsgebern ; schwankt zwischen im wesentlichen Null und einem durch den Radius

: der Frontfläche bestimmten Maximalwert und selbst größeren Abständen, welche von der speziellen geometrischen Auslegung und der Entfernung zwischen den Schwingungsgebern abhängen. Wird der Abstand zwischen benachbarten Schwingungsgebern vergrößert, so vollzieht die Platte eine Biegeschwingung und erzeugt damit eine Stehwellenform. Einige dieser erzeugten Schwingungswellen sind

. gegen die durch die benachbarten Schwingungsgeber erzeugten ; , Wellen phasenversetzt.

6Q9835/076 5

Erfindungsgemäß sind die mit einer polygonalen Frontfläche versehenen Schwingungsgeber so angeordnet, daß keine Verbreitung der phasenversetzten Welle erfolgen kann. Insbesondere sind die mit der Platte verbundenen Schwingungsgeber auf einer entsprechenden geraden Kante gegenüberliegend angeordnet, um zwischen gegenüberstehenden Schwingungsgebern einen gleichmäßigen Abstand oder Zwischenraum zu schaffen. Der Abstand zwischen den Schwingungsgebern ist der Frequenz der anstehenden Ultraschallschwingungen umgekehrt und der Plattendicke direkt proportional. Der Abstand ändert sich zwischen praktisch Null, wenn die Schwingungsgeber einander berühren, und einem maximalen Zwischenraum von etwa einem halben Zoll (13 mm). Beträgt beispielsweise die Frequenz der aufgebrachten Ultraschallschwingung 25 kHz und die Plattendicke 1/16'' (1,6 mm), dann ist ein Zwischenraum von 1/8"' (3 mm) vorgesehen. Diese Anordnung ist äußerst vorteilhaft bei Verwendung von elektroakustischen Schwingungsgebern sowohl mit sechseckigen als auch mit rechteckigen, quadratischen oder dreieckigen Frontflächen· Bei kleinem gewählten Abstand ist praktisch kein Zwischenraum mehr zwischen den Schwingungsgebern vorhanden, wodurch sich eine gleichmäßige Bewegung der Platte ergibt, wenn alle Schwingungsgeber phasengleich beaufschlagt werden. Wenn der Abstand vergrößert wird, beginnen die zwischen zwei benachbarten Schwingungsgebern liegenden Plattenflächen die Wegamplitude der aufgebrachten Schwingung zu verstärken. Wenn diese phasengleiche Verstärkerwirkung gesteuert wird, wird die Rührbewegung der mit der Platte in Berührung stehenden Flüssigkeit verstärkt. Bei einer weiteren Vergrößerung des Abstandes beginnt die Platte in der Gegend des Zwischenraumes Ei-csschwingungen zu

60983 fi/n7fiFi -5-

zeigen, die gegenüber der durch die Schwingungsgeber eingeprägten Bewegung phasenversetzt ist. Bei einer phasenversetzten Schwingung ergibt sich eine erhöhte Erosion der Plattenoberfläche, die zu einer verminderten Leistung der Anlage führt. Daher ist die Erfindung äußerst vorteilhaft, wenn der gewählte Abstand eine phasengleiche Schwingung der Platte in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Schwingungsgebern erzeugt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Anordnung von auf einer Platte befestigten elektroakustischen Schwingungsgebern zu schaffen, um eine gleichmäßige Schwingungsbewegung zu erzeugen und den Oberflächenfraß sowie den Verschleiß dieser Platte zu verhindern. Ferner ist erfindungsgemäß eine Anordnung von elektroakustischen Schwingungsgebern vorgesehen, welche im wesentlichen Zwischenräume zwischen nebeneinanderliegenden Schwingungsgebern beseitigt. Weiter soll mit der Erfindung eine Anordnung von elektroakustischen Schwingungsgebern geschaffen werden, bei welcher der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Schwingungsgebern gleichmäßig ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Anordnung von elektroakustischen Schwingungsgebern vorgesehen, welche die Gebrauchslebensdauer einer mit Schall- oder Ultraschall arbeitenden Anlage verlängert.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

609835/0765 ~ ⁶ "

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines normalen elektroakustischen Schwingungsgebers zum Einsatz in den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung;

Figur 2 einen Grundriß einer früheren Anordnung?

Figur 3 einen Grundriß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Figur 4 einen Grundriß eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Figur 5 einen Grundriß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Figur 1 ist ein normales Ausführungsbeispiel eines erfindungs- ; gemäßen Schwingungsgebers gezeigt. Der Schwingungsgeber 10 umfaßt ein Vorderteil 12 mit einer Frontfläche 14, normalerweise massives Aluminium, sowie einem Hinterteil 16, normalerweise Stahl. Zwei durch eine ringförmige Elektrodenscheibe 22 getrennte ringförmige piezoelektrische Elemente 18 und 20 bewirken bei Erregung mit Wechselstrom einer bestimmten Frequenz, daß der Schwin-, gungsgeber als Halbwellenresonator in seiner axialen Richtung in Resonanz schwingt. Die piezoelektrischen Elemente 18 und 20 i des Schwingungsgebers 10 werden durch eine mittig angeordnete ; Schraube 17 unter Druck gehalten. Der Schwingungsgeber ist im

•wesentlichen nach dem Buch von Frederick, Julian: "Ultrasonic j

!Engineering" (Ultraschalltechnik), John Wiley & Sons, Inc.,

60983 R/0765 ^⁷"

■New York, N.Y., 1965, S. 69 - 72 gebaut. Früher war das Vorderteil 'meist als Zylinder oder Stumpfkegel ausgelegt, dessen größere 'Fläche mit einer Fläche des Flüssigkeitsbehälters verklebt oder verkittet war und auf welche die hochfrequente Schwingungsenergie übertragen wurde. Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist die Forderfläche 14 gerade Kanten auf, die sich durch entsprechende Bearbeitung des Stumpfkegels zur Herstellung der geraden Vorderkanten 13 ergeben. Das Vorderteil 12 kann auch aus Stangenmaterial mit ebenen Seitenflächen, beispielsweise aus dreieckigen, quadratischen,rechteckigen oder sechseckigen Metallstangen gefertigt sein.

Figur 2 ist ein Grundriß einer normalen früheren Anordnung von elektroakustischen Schwingungsgebern 1OA mit einer kreisförmigen Froriflache 14A, die mit einem Epoxydkleber oder einem anderen geeigneten, in der Technik bekannten Verbindungsmittel auf einer Platte 24A befestigt ist. Bei Aufbringung der Schwingungsgeber auf der Platte 24A fließt Epoxydharz um die Kanten 13A der Schwingungsgeber herum und füllt einen Teil der Zwischenräume 26 mit Epoxydharz aus. Die Platte 24A umfaßt normalerweise die Bodenfläche oder eine Wand eines Flüssigkeitstanks wie er bei Schall- oder Ultraschallreinigungsanlagen eingesetzt ist, doch _; kann die Platte 24A auch eine Wand einer kastenartigen wasserdichten Konstruktion sein, die in eine Flüssigkeit eingetaucht \ wird, wobei auf das vorstehend erwähnte Patent von Branson verwiesen wird. Bei der gezeigten früheren Anordnung ist die Front- : :fläche 14A des Schwingungsgebers kreisförmig ausgebildet, wie 'beispielsweise in der US-Patentschrift 3 066 232 gezeigt ist.

ß 0 9 Ü 3 '., / 0 7 G 5 -8-

Die nebeneinanderliegenden Schwingungsgeber formen die Zwischenräume 26. Der Abstand zwischen benachbarten Schwingungsgebern ist nicht gleichmäßig und ändert sich zwischen praktisch Null an den Stellen 28 und einer großen öffnung im Mittelbezirk. Die maximale Größe des Zwischenraums hängt vom Durchmesser der Vorderfläche 14A sowie der geometrischen Form der Schwingungsgeber ab, d.h., daß bei einer Anordnung von drei Schwingungsgebern ein kleinerer Zwischenraum entstehen würde. Bei Beaufschlagung der Schwingungsgeber 1OA ergibt der ungleichförmige Zwischenraum eine ungleichmäßige Bewegung der Platte 24.

Normalerweise werden die Schwingungsgeber phasengleich erregt, d.h., daß sich jeder Schwingungsgeber mit Ultraschallgeschwindigkeit synchron zu den anderen ausdehnt und zusammenzieht. Bei phasengleicher Erregung der Schwingungsgeber 1OA vollzieht die Platte 24A im Bereich des Zwischenraumes 2 6 eine phasenversetzte Schwingung und erzeugt damit ein störendes Interferenzbild auf der Oberfläche der Platte 24A. Dieses ungleichmäßige Schwingungsbild bewirkt einen übermäßigen Oberflächenfraß der Platte 24A in dem der Flüssigkeit ausgesetzten Bezirk 26, wobei sich diese Erosion allmählich durch die Platte 24A hindurchfrißt und damit einerseits die Gebrauchslebensdauer verkürzt und andererseits die Gesamtleistung der Ultraschallanlage herabsetzt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Schwingungsgeber 10 mit sechseckigen Frontflächen 14 (Figur 1) an einer Platte 24B in einer Weise befestigt, daß sich zwischen

60983B/076 Π

— Ο!benachbarten Schwingungsgebern gleichmäßige Spalte 30 ergeben.

■Figur 3 zeigt einen Teil einer typischen geometrischen Anordnung.

'Die Frontfläche 14 des Schwingungsgebers 10 umfaßt gerade Kanten 13, die bei einer Anordnung neben einem anderen Schwingungsgeber 10 mit einer entsprechenden geraden Kante 13 einen gleichförmigen Spalt 30 vom vorgegebenen Abstand zwischen zwei benachbarten Schwingungsgebern schaffen. Die Schwingungsgeber 10 sind an der Platte 24B mit Epoxydharz oder einem anderen bekannten Verbindungsmittel befestigt. Bei Aufbringung der Schwingungsgeber 10 auf die Platte 24B fließt das Epoxydharz in den Spalt 30.

Bei einer bestimmten Anordnung nähern sich die Spalte 30 einem Nullabstand, d.h. je zwei nebeneinanderliegende Frortflachen 14 der Schwinungsgeber berühren sich im wesentlichen und lassen nur so viel Raum über, daß verdrängtes Epoxydharz hineinfließen kann. Bei einer konphasen Erregung der Schwingungsgeberanordnung schwingt die Platte 24B in einer gleichmäßigen Bewegung über ihre gesamte Fläche, wodurch Kavitationsfraß auf der Platte gemindert und die Gebrauchslebensdauer einer die Platte 24B enthaltenden Einrichtung verlängert wird.

Ferner läßt sich auch eine Anordnung von Schwingungsgebern 10 schaffen, bei welcher ein bestimmter Spalt 3 0 zwischen benachbarten Schwingungsgebern vorgesehen ist, um die Platte 24B pha-,sengleich mit der anliegenden Energie, jedoch mit vergrößerter Amplitude schwingen zu lassen. Die vergrößerte Amplitude ergibt j eine stärkere Rührbewegung der mit der Platte 24B in Berührung !stehenden Flüssigkeit.

60983 5/0765

-10-

- ίο -

Obwohl die Zeichnung eine bestimmte Anordnung von sieben Schwingungsgebern 10 zeigt, kann eine beliebige Anzahl von Schwingungsgebern mit sechseckigen Frontflächen 14 der Anordnung in einer Stellung zugefügt werden, welche mit dem vorstehend beschriebenen Erfindungsgedanken vereinbar ist.

Figur 4 zeigt eine mit einer Platte 24C verklebte Anordnung von Schwingungsgebern 10C. Die einzelnen Frontflächen 14C der Schwingungsgeber sind rechteckig und besitzen die geraden Kanten 13C. Die Schwingungsgeber sind so angeordnet, daß sich zwischen den entsprechenden Kanten gleichförmige Spalte 32 bilden. Arbeits- und Wirkungsweise dieser Schwingungsgeberanordnung sind im wesentlichen gleich denen, die vorstehend anhand der Figur 3 beschrieben worden sind.

Bei einem anderen in Figur 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Schwingungsgeber mit dreieckiger Frontfläche 14D und einer geradei Kante 13D auf einer Platte 24D nebeneinanderliegend befestigt, um einen gleichförmigen Spalt 34 von vorgegebenem Abstand zu bilden.

Obwohl die vorstehende Beschreibung Schwingungsgeber mit sechseckigen, rechteckigen und dreieckigen Frontflächen betrifft, sind auch Schwingungsgeber mit Frontflächen von anderen geometri-,sehen Formen mit einer geraden Kante in einer anderen Anordnung

■zu verwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. ;

609835/0765

-11-

Claims

Branson Ultrasonics Corporation

Locust Avenue Anwaltsakte M-3801

New Canaan, CT 06840,USA 10. Februar 1976

: Patentansprüche

ί 1.j Anordnung elektroakustascher Schwingungsgeber für eine mit Ultraschall arbeitende Anlage, gekennzeichnet durch eine Platte (24B,C,D), von welcher eine Seite zur Berührung durch eine Flüssigkeit bestimmt ist, ferner durch eine Anzahl von einzelnen elektroakustischen Schwingungsgebern (10), die jeweils ein Vorderteil (12)mit einer Frontfläche (14) umfassen, welche mindestens eine gerade Kante (13) aufweist und schließlich durch Verbindungsmittel, welche die Vorderteile (12) nebeneinander auf den entsprechenden geraden Kanten (13) auf der anderen Seite der Platte (24B,C,D) be- '■

j festigen, um im wesentlichen Zwischenräume (26) zwischen be-

i

nachbarten Teilen (12) zu beseitigen und damit eine im wesent- ι liehen gleichmäßige periodische Bewegung der Platte (24B,C,D) zu bewirken, wenn die so angeordneten Schwingungsgeber (10)

609 8 3 Fi /076 R _₁₂-

phasengleich mit elektrischer Wechselspannung erregt werden.
2. Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel Epoxydharz umfassen.
3. Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontfläche (14) ein Sechseck ist.
4. Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontfläche (14) ein Dreieck ist.
5. Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontfläche (14) ein Rechteck ist.
6. Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber für eine mit Ultraschall arbeitende Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallplatte (24B,C,D) vorgesehen ist, von welcher eine Seite für die Berührung durch eine Flüssigkeit bestimmt ist, daß die Längsachse einer Anzahl von elektroakustischen Schwingungsgebern (10) so bemessen ist, daß sie als HaIbwellenresonatoren bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz '

} schwingen, uityfeine Schwingungsleistung in Abhängigkeit von

609835/076 5 -¹³"

der anliegenden elektrischen Spannung dieser Frequenz zu gewinnen, sodann dadurch, daß jeder Schwingungsgeber (10) ein Vorderteil (12) mit einer Frontfläche (14) besitzt, an welcher mindestens eine gerade Kante (13) ausgeformt ist und schließlich dadurch, daß Verbindungsmittel die Vorderteile (12) nebeneinander längs den entsprechenden geraden Kanten (13) auf der anderen Seite der Platte (24B,C, D) befestigen, um einen im wesentlichen gleichen Abstand (30,32,34) zwischen den Vorderteilen (12) zu schaffen.
7. Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel Epoxydharz umfassen.
8. Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontfläche (14) ein Sechseck ist.
9. Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontfläche (14) ein Dreieck ist.
10. Anordnung elektroakustischer Schwingungsgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontfläche (14) ein Rechteck ist.

609835/0765

Leers