DE2613614A1 - Ultraschall-schwinger, geeignet zur fluessigkeitszerstaeubung - Google Patents

Description

• Ultraschall-Schlwinger, geeignet zur Flüssigkeitszerstäubung.
• Zusatz zu Patent . ... ... (p 25 37 772.4) Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Schwinger, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 und wie er im Hauptpatent (= Anmeldung) P 25 37 772.4 angegeben ist.
• In der deutschen Patentschrift 2 032 433 ist ein Ultraschall-Schwinger beschrieben, der einen rotationssymmetrischen, kegelstumpfförmigen Schwingungskörper mit am verjüngten Ende des Kegelstumpfes befindlicher Schwingerplatte und an der gegenüberliegenden Seite befindlicher hnregungsplat-te aus Piezokeramik hat. Dieser Ultraschall-Schwinger ist so bemessen, daß er bei Anregung mit einer elektrischen Spannung mit vorgegebener Frequenz Biegeschwingungen des Schwingungskörpers, zusammenommen mit der Anregungsplatte, ausführt. Diese Schwingungsform mit Biege schwingungen hat sich als außerordentlich vorteilhaft beziiglich hoher Schwingintensität, und damit hoher Zerst«uberleistung, und langer Lebensdauer verwiesen.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschall-Schwinger mit wesentlich vergrößerter Schwingungsleistung, insbesondere Zerstäuberleistung, anzugeben.
• Diese Aufgabe wird durch einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Ultraschall-Schwinger gelöst, der erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
• Ein erster wesentlicher Schritt zur Lösung dieser Aufgabe ist durch den in einer nicht"-vorveröffentlichten Patentanmeldung P 25 37 772.4 beschriebenen Ultraschall-Schwinger erreicht worden, der eine Form hat, wie sie aus Fig.1 hervorgeht. Wie ersichtlich, hat dieser Ultrascb.all-Schwinger 1 einen Schwingungskörper 4 in länglicher Form mit wenigstens im wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt eines abgestumpften Keiles, d.h. eines Keiles ohne Spitze. Dieser Querschnitt ist bezüglich seiner Form vergleichbar mit dem Längsschnitt des kegelstumpfförmigen Ultraschall-Schwingers nach der deutschen Patentschrift 2 032 433.
• Anstelle der beim bekann-ten rotationssymmetrischen Ultraschall-Schwinger kreisrunden Schwingerplatte ist beim Ultraschall-Schwingar nach Fig. 1 eine längliche Platte 2 vorgesehen, die vorsugsweise gleichlang wie der Schwingungskörper 4 ist. Mit 3 ist die Platte aus Piezokeramik bezeichnet, die auf beiden Seiten je eine Elektrode 30 und 31 hat, wovon die Elektrode 30 im Falle eines Schwingungskörpers 4 aus elektrisch leitendem Material diese an die Platte 3 angrenzende Oberfläche des Materials sein kann. Vorzugsweise ist die Platte 3 an den Schwingungskörper 4 angeklebt, wozu bei Wegfall der Eleldrode 30 bei elektrisch leitandem Schwingungakörper elektrisch leitfähiger Kleber vorzusehen ist.
• Die Schwingerplatte 2 ist an den Schwingungakörper 4 über den relativ schmalen Steg am oberen verjüngten Ende des Schwzingungs- körpers 4 angekoppelt. Vorzugsweise sind der Schwingungskörper 4 und die Schwingerplatte 2 einstückig miteinander verbunden.
• Insbesondere bestehen sie aus Metall. Für die Anregungsplatte aus Piezokeramik eignket sich insbesondere eine Bleizirkonat-Titanat-Keramik. Hit 130 und 131 sind Anschlußleitungen zum Anschluß einer elektrischen Anregungsspannung an die t'lektrodan 30, 31 der Anregungsplatte 3 bezeichnet.
• Die flanschartigen Ansätze 10 und 11 dienen gemäß einer Ausgestaltung als Halter für den schwingenden Ultraschall- Schwinger. Die Ansätze 10 und 11 greifen am Sch;ingungskörpar 4 im Bereich eines I(notens der Biegeschwingung an. Wie bereits erwähnt, schwingt der in Fig. 1 dargestellte Ultraschall-Schwinger in Biegescllwingu-ngen, die durch die Pfeile 40 und 41 angedeutet sind und die auf die Bewegungen der längsseitigen Ränder (in Fig.1 ist davon der Rand 141 zu sehen) hindeuten. Die Biegeschwingungen des Schwingungskörpers 4, zusammengenommen mit der Platte 3, übertragen eine Schwingungsanregung auf die Schwingerplatte 2, die Schwingbewegungen ausführt, wie sie durch die Doppelpfeile 20 und 21 angedeutet sind.
• Der U1 tra schall-Schwinger gemäß der älteren Patentanmeldung schwingt also ebenso wie der erfindungsgemäße Ultraschall-Schwinger beabsichtigterweise in einem Biegeschwingungs-Modus mit sozusagen zylindrischer Symmetrie bezüglich seiner mit dem Doppelpfeil 1 angedeuteten Längsrichtung. Die Frequenz der zwischen den Anschlußleitungen 130, 132 anzulegenden Anregugs-Wechselspan nung und die Abmessungen, insbesondere die Abmessungen des Querschnittes, sind so bemessen, daß ein beabsichtigter Schwingungsmode einer solchen Biegeschwingung Resonanz hat.
• Wie in der älteren Patentanmeldung P 25 37 772.4 bereits beschrieben, läßt sich mit einem solchen Ultraschall-Schwinger eine hohe Schwingintensität, insbesondere Zerstäubungsintensität erreichen.
• Gerade für die i?lüssigicaitszerstäubung kommt es darauf an, daß möglichst kleine Tröpfchen erzeugt werden, für die hohe Ultraschall-Frequenz zu bevorzugen ist. Hohe Ultraschall-Frequenz läßt sich aber - abgesehen von der Verwendung von Oberschwingungen hoher Ordnung, die infolge ihrer flächenmäßigen Verteilung der Schwingungslcnoten und Schwingungsbäuche weniger geeignet sind - praktisch nur mit kleinen Bemessungan für die die Schwingungsfrequenz bestimmenden Körperabmessungen erreichen. Bei einem länglichen Schwinger der älteren Anmeldung ist dieses Prinzip zwar ebenfalls erfüllt, jedoch ist die fiir die Schwingungs-Resonanzfrequenz nur untergeordnet wesentliche Längsabmessung (in Richtung 1) gegenüber dem vorbekannten Ultraschall-Schwingar entscheidend vergrößert.
• Schon beim Schwinger nach der älteren Anmeldung war durch zusätzliche Maßnahmen versucht und zum teil auch erreicht worden, solche zusätzlichen longitudinalen Schwingungsmoden zu unterdrücken, die zunächst fast zwangsläufig auftreten, aber vor allem in ihrer Wirkung nur schwer erkannt werden. Solche Längsachwingungen r.ehmen im Resonanzfall beträchtliche Anregungsenergie aus der Piezokeramik, die dann der gewollten Schwingungsintensität bzw. Zerstäuberleistung der Pl.atte 2 entzogen ist.
• Gemäß der Lehre der älteren Anmeldung hat man diese unerwünschte Eigenschaft des Ultraschall-Schwingers dadurch zu einem gewissen Grad eingedämmt, daß man seitliche Einschnitte oder wellenförtige Barandung der Platte 2 vorgesehen hat. Es hat sich aber gezeigt, daß wegen der begrenzten Kopplung zwischen dem eigentlichen Schwingungakörper 4, zusammengenommen mit der Platte 3 einerseits und der Schlwingerplatte 2 andererseits, diese Maßnahmen nur einen begrenzten Erfolg erreichen lassen können.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun vorgesehen, daß die Längenabmessung L des Schwingarms 1 in bezug auf die Frequenz der anregenden Wechselspannung 132 bzw. in bezug auf die die Biegefreauenz bestimmenden Abmessungen, insbesondere des Querschnitts des Schwingungzkörpers 4 mit Schwingerplatte 3, so bemessen ist, daß eine durch diese Anregungsfrequenz ermöglichte Longitudinalschwingung in Schwingungskörper 4 keine Resonanz findet, d.h. daß die Länge L verschieden von einem ungeradzahligen Vielfachen (1, 3, 5 ...) von ist L # n.j\-21; n = 4,2,3 ..; worin # die Wellenlänge einer (gedachten) Longitudinalschwingung ist, die mit der für die Biegeschwingung vorgesehenen Anregungsfrequenz im Schwingungskörper angeregt werden könnte. Für # ist die Wellenlänge im i-I2terial dieses @örpers 4 anzusetzen. Die Länganabmessung L ist also gewählt, daß der Körper 4 für eine derartige Longitudinalschwingung bei gegebener Anregungsfrequenz für die gewollte biegeschwingung "außer Resonanz" ist.
• Noch besserer Erfolg wird erzielt, wenn auch wenigstens eine der (Querschnitts- )Stirnflächen 400 des Ultraschall-Schwiingers zur longitudinalen Achse 1 desselben und zur gegenüberliegender Stirnfläche 401 geneigt ist. Insbesondere können beide Stirnflchen 400, 401 zueinander und ZU der longitudinalen Achse 1 geneigt sein, wie dies bei dem speziellen Ausführungsbeispiel nach Fig.2 zu sehen ist. Mit dieser Maßnahme ergibt sich, daß keine einheitliche Bemessung für L vorliegt, vielmehr zonenweise unterschiedliche Werte für L auftreten.

Claims (2)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Ultraschall-Schwinger, geeignet zur Flüssigkeitssertäubung, mit einem Schwingungskörper, der in einer Achsenrichtung eine wemigstens im wesentlichen gleichbleibende Querschnittsform eines abgestumpften Teiles ha-t, mit einer zur Schwillgungen anzuregenden Schwing.erplstte, die sich an dem abgestumpften Ende des Schwingungjskörpers befindet, und mit einer Anregungsplatte aus Piezokeramik, die an der am abgestumpften Ende gegenäberliegenden Grundfläche des Schwingungskörpers angeordnet ist, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß d.ie Länge des Schwingungskörpers mit Schwingerplatte und Anregungsplatte, geressen in der axialen Richtung, verschieden von ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge ir3 Meterial des Schwingungskörpers einer Longitudinalschwingung in dieser axialen Richtung ist, wobei die Tfellenlänge durch die vorgegebene Betriebs-A-nregungsErecuenz oder Vielfache derselben bestimmt ist.
2. 2. Ultraschall-Schwinger nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß die eine der beiden zur axialen wichtung im wesentlichen querstehenden Stirnflächen mit der Querschnittsform eines abgestumpften Kai las zur anderen gegenüberliegenden Stirnfläche geneigt ist.

   v. Ultraschall-Schwinger nach Anspruch 2, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß beide Stirnflächen zueinander und zur axialen Richtung geneigt sind.

   !s. Ultraschall-Schwinger nach Anspruch 2 oder 2, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß die steigung der einen oder der beiden Stirnflächen derart ist, daß die Longitudinalabmessung des Schwingungskörpers im Bereich des abgestumpften Endes des Schwingungskörpers kleiner bemessen ist als die longitudinale Abmessung im Bereich der Grundfläche.