DE2613614B2

DE2613614B2 - Ultraschall-Schwinger, geeignet zur Flüssigkeitszerstäubung

Info

Publication number: DE2613614B2
Application number: DE19762613614
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Drews
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-25
Filing date: 1976-03-30
Publication date: 1978-09-14
Also published as: DE2613614C3; JPS5226194A; DE2613614A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Schwinger, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 und wie er in der Hauptanmeldung P 25 37 772.4 angegeben ist.

Aus der deutschen Patentschrift 20 32 433 ist ein Ultraschall-Schwinger bekannt, der einen rotationssymmetrischen, kegelstumpfförmigen Schwingungsübertrager mit am verjüngten Ende des Kegelstumpfes befindlicher Schwingerplatte und an der gegenüberliegenden Seite befindlicher Anregungsplatte aus Piezokeramik hat. Dieser Ultraschall-Schwinger ist so bemessen, daß er bei Anregung mit einer elektrischen Spannung mit vorgegebener Frequenz Biegeschwingungen des Schwingungsübertragers, zusammengenommen mit der Anregungsplütte, ausführt. Diese Schwingungsform mit Biegeschwingungen hat sich als außerordentlich vorteilhaft bezüglich hoher Schwingintensität, und damit hoher Zerstäuberleistung, und langer Lebensdauer erwiesen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Ultraschall-Schwinger nach der Hauptanmeldung eine Unterdrückung unerwünschter zusätzlicher longitudinaler Schwingungsmoden zu erreichen.

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 der nicht vorveröffentlichten

κι Hauptanmeldung P 25 37 772.4 beschriebenen Ultraschall-Schwinger erreicht worden, der eine Form hat, wie sie aus F i g. 1 hervorgeht Wie ersichtlich, hat dieser Ultraschall-Schwinger 1 einen Schwingungsübertrager 4 in länglicher Form mit wenigstens im wesentlichen

r> 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 20 32 433.

;ii Anstelle der beim bekannten rotationssymmetrischen Ultraschall-Schwinger kreisrunden Schwingerplatte ist beim Ultraschall-Schwinger nach Fig. I eine längliche Platte 2 vorgesehen, die vorzugsweise gleich lang wie der Schwingungsübertrager 4 ist. Mit 3 ist die Platte aus

j¹) Piezokeramik bezeichnet, die auf beiden Seiten je eine Elektrode 30 und 31 hat, wovon die Elektrode 30 im Falle eines Schwingungsübertragers 4 aus elektrisch leitendem Material die an die Platte 3 angrenzende Oberfläche des Materials sein kann. Vorzugsweise ist

»ι die Platte 3 an den Schwingungsübertrager angeklebt, wozu bei Wegfall der Elektrode 30 bei elektrisch leitendem Schwingungsübertrager elektrisch leitfähiger Kleber vorzusehen ist.

Die Schwingerplatte 2 ist an den Schwingungsüber-

Γ) trager 4 über den relativ schmalen Steg am oberen verjüngten Ende des Schwingungsübertragers 4 angekoppelt. Vorzugsweise sind der Schwingungsübertrager 4 und die Schwingerplatte 2 einstückig miteinander verbunden. Insbesondere bestehen sie aus Metall. Für

κι die Anregungsplatte aus Piezokeramik eignet sich insbesondere eine Bleizirkonat-Titanat-Keramik. Mit 130 und 131 sind Anschlußleitungen zum Anschluß einer elektrischen Anregungsspannung 132 an die Elektroden 30,31 der Anregungsplatte 3 bezeichnet.

•Γι Die flanschartigen Ansätze 10 und 11 dienen als Halter für den Ultraschall-Schwinger. Die Ansätze 10 und 11 greifen am Schwingungsübertrager 4 im Bereich eines Knotens der Biegeschwingung an. Wie bereits erwähnt, schwingt der in F i g. 1 dargestellte Ultraschall-

Ki Schwinger in Biegeschwingungen, die durch die Pfeile 40 und 41 angedeutet sind und die auf die Bewegungen der längsseitigen Ränder (in F i g. 1 ist davon der Rand 141 zu sehen) hindeuten. Die Biegeschwingungen des Schwingungsübertragers 4, zusammengenommen mit

v-, der Platte 3, übertragen eine Schwingungsanregung auf die Schwingerplatte 2, die Schwingbewegungen ausführt, wie sie durch die Doppelpfeile 20 und 21 angedeutet sind.
Mit 12 ist eine in der Hauptanmeldung beschriebene

ho Bohrung für Flüssigkeitszufuhr bezeichnet. Die zugehörigen Ausgangsöffnungen sind mit 50 bis 53 bezeichnet.

Der Ultraschall-Schwinger gemäß der Hauptanmeldung schwingt also ebenso wie der erfindungsgemäße Ultraschall-Schwinger beabsichtigterweise in einem

h^r> Biegeschwingungs-Modus mit sozusagen zylindrischer Symmetrie bezüglich seiner mit dem Doppelpfeil / angedeuteten Längsachse. Die Frequenz der zwischen den Anschlußleitungen 130, 131 anzulegenden Anre-

gungs-Wechselspannung und die Abmessungen, insbesondere die Abmessungen des Querschnittes, sind so bemessen, daß ein beabsichtigter Schwingungsmode einer solchen Biegeschwingung Resonanz hat.

Wie in der Hauptanmeldung P 25 37 772.4 bereits beschrieben, läßt sich mit einem solchen Ultraschall-Schwinger eine hohe Schwingintensität, insbesondere Zerstäubungsintensität erreichen. Gerade für die Flüssigkeitszerstäubung 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 Schwingungsknoton und Schwingungsbäuche weniger geeignet sind — praktisch nur mit kleinen Bemessungen für die die Schwingungsfrequenz bestimmenden Körperabmessungen erreichen. Bei einem länglichen Schwinger gemäß der Hauptanmeldung ist dieses Prinzip zwar ebenfalls erfüllt, jedoch ist die für die Schwingungs-Resonanzfrequenz nur untergeordnet wesentliche Längsabmessung (in Richtung 1) gegenüber dem vorbekannten Ultraschall-Schwinger entscheidend vergrößert.

Schon beim Schwinger nach der Hauptanmeldung war durch zusätzliche Maßnahmen versucht und zum Teil weitgehend auch erreicht worden, solche zusätzlichen longitudinalen Schwingungsmoden zu unterdrükken, die zunächst fast zwangsläufig auftreten, aber vor allem in ihrer Wirkung nur schwer erkannt werden. Solche Längsschwingungen nehmen im Resonanzfall beträchtliche Anregungsenergie aus der Piezokeramik, die dann der gewollten Schwingungsintensität bzw. Zerstäuberleistung der Platte 2 entzogen ist.

Gemäß der Lehre der Hauptanmeldung hat man diese unerwünschte Eigenschaft des Ultraschall-Schwingers dadurch zu einem gewissen Grad eingedämmt, daß man seitliche Einschnitte oder wellenförmige Berandung der Platte 2 vorgesehen hat. Es hat sich aber gezeigt, daß wegen der begrenzten Kopplung zwischen dem eigentlichen Schwingungsübertrager 4, zusammengenommen mit der Platte 3 einerseits und der Schwingerplatte 2 andererseits, diese Maßnahmen nur einen begrenzten Erfolg erreichen lassen können.

Mit einem wie erfindungsgemäß verbesserten Ultraschall-Schwinger läßt sich eine noch wesentlich

-, vergrößerte Schwingungsleistung, insbesondere Zerstäuberleistung, erreichen.

Bei der vorliegenden Erfindung ist nun vorgesehen, daß die Längsabmessung L des Schwingers 1 in bezug auf die Frequenz der anregenden Wechselspannung 132

id bzw. in bezug auf die die Biegefrequenz bestimmenden Abmessungen, insbesondere des Querschnitts des Schwingungsübertragers 4 mit Schwingerpiatte J, so bemessen ist, daß eine durch diese Anregungsfrequenz ermöglichte Longitudinalschwingung im Schwingungs- -, übertrager 4 keine Resonanz findet, d. h., daß die Länge L verschieden von einem ungeradzahligen Vielfachen

(l,3,5...)vonA,ist

n=l, 2, 3...; worin λ die Wellenlänge einer (gedachten) Longitudinalschwingung ist, die mit der für

.·-, die Biegeschwingung vorgesehenen Anregungsfrequenz im Schwingungsübertrager angeregt werden könnte. Für λ ist die Wellenlänge im Material dieses Übertragers 4 anzusetzen. Die Längenabmessung L ist also gewählt, daß der Übertrager 4 für eine derartige

in Longitudinalschwingung bei gegebener Anregungsfrequenz für die gewollte Biegeschwingung »außer Resonanz« ist.

Noch besserer Erfolg wird erzieh, wenn auch wenigstens eine der (Querschnitts-)Slirnflächen 400 des

ι, Ultraschall-Schwingers zur Längsachse /desselben und zur gegenüberliegenden Stirnfläche 401 geneigt ist. Insbesondere können beide Stirnflächen 400, 401 zueinander und zu der Längsachse / geneigt sein, wie dies bei dem speziellen Ausführungsbeispiel nach F i g. 2

κι zu sehen ist. Mit dieser Maßnahme ergibt sich, daß keine einheitliche Bemessung für L vorliegt, vielmehr zonenweise unterschiedliche Werte für L auftreten.

Hier/u I UIaIl Zuichiniimcn

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Schwinger, geeignet zur Flüssigkeitszerstäubung, mit einem Schwingungsübertrager, der in einer Achsenrichtung eine wenigstens im wesentlichen gleich bleibende Querschnittsform eines abgestumpften Keiles hat, mit einer zu Schwingungen anzuregenden Schwingerplatte, die sich an dem abgestumpften Ende des Schwingungskörpers befindet, und mit einer Anregungsplatte aus Piezokeramik, die an der am abgestumpften Ende gegenüberliegenden Grundfläche des Schwingungsübertragers angeordnet ist, nach Hauptanmeldung P 25 37 772.4, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge (L) des Schwingungsübertragers (4) mit Schwingerplatte (2) und Anregungsplatte (3), gemessen in der Längsachse, verschieden von ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge im Material des Schwingungsübertragers einer Longitudinalschwingung in dieser Achse ist, wobei die Wellenlänge durch die vorgegebene Betriebs-Anregungsfrequenz oder Vielfache derselben bestimmt ist.

2. Ultraschall-Schwinger nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die eine (400) der beiden zur Längsachse im wesentlichen querstehenden Stirnflächen (400, 401) mit der Querschnittsform eines abgestumpften Keiles zur anderen gegenüberliegenden Stirnfläche (401) geneigt ist.

3. Ultraschall-Schwinger nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß beide Stirnflächen (400, 401) zueinander und zur Längsachse geneigt sind.

4. Ultraschall-Schwinger nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Neigung der einen oder der beiden Stirnflächen (400,401) derart ist, daß die Längsabmessung des Schwingungsübertragers im Bereich des abgestumpften Endes des Schwingungsübertragers kleiner bemessen ist als die Längsabmessung im Bereich der Grundfläche.