DE3904658A1 - Ultraschall-reinigungsvorrichtung - Google Patents
Ultraschall-reinigungsvorrichtungInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B08—CLEANING
- B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
- B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
- B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
- B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
- B08B3/12—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration by sonic or ultrasonic vibrations
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Behälter
zur Aufnahme eines Flüssigkeitsbades, mit einem außerhalb
des Behälters und angrenzend an dessen Außenseite angeordneten
Wandler, mit dessen Hilfe Wellen mit Schwingungsenergie
erzeugbar und durch die Behälterwand hindurch in das
Flüssigkeitsbad einleitbar sind.
Die Erfindung befaßt sich speziell mit einer
Reinigungsvorrichtung, insbesondere mit einer Vorrichtung,
bei der in einem Flüssigkeitsbad befindliche Teile durch die
Schwingungsenergie von Wellen gereinigt werden, welche
bewirken, daß die Flüssigkeit auf die zu reinigenden Teile
einwirkt, um Verkrustungen und Oberflächenverschmutzungen zu
lockern. Die Frequenz der Schwingungsenergie der Wellen
liegt dabei üblicherweise im Ultraschallbereich, obwohl die
Frequenz in einigen wenigen Fällen auch im niedrigeren
Schallbereich bzw. im hörfrequenten Bereich liegen kann. Der
Einfachheit halber wird die Erfindung nachstehend in Verbindung
mit einem Ultraschall-Reinigungssystem beschrieben,
wobei jedoch zu beachten ist, daß der in den Ansprüchen
verwendete Begriff "Schall-Reinigungsvorrichtung" sowohl
Systeme umfassen soll, die im hörfrequenten Bereich
arbeiten, als auch solche, die mit Ultraschall arbeiten.
Bei konventionellen Ultraschall-Reinigungsvorrichtungen
befindet sich das Flüssigkeitsbad für die zu reinigenden
Teile in einem Tank oder dergleichen. Ferner sind ein oder
mehrere elektroakustische Wandler an einer flachen
Schwingungsübertragungsplatte montiert, die an der Unterseite
des Bodens des Tanks oder dergleichen befestigt ist.
Wenn der mindestens eine Wandler elektrisch von einem
Ultraschall-Frequenzgenerator erregt wird, dann werden
Vibrationen bzw. Schwingungen erzeugt, die vom Boden des
Tanks zur Oberfläche des Flüssigkeitsbades wandern. Beim
Erreichen der Oberfläche werden die energiehaltigen Wellen
in gewissem Umfang in das Flüssigkeitsbad zurückreflektiert.
Unter der Voraussetzung, daß der mindestens eine Wandler
Wellen mit im wesentlichen einer einzigen und konstanten
Frequenz erzeugt und ferner unter der Voraussetzung, daß der
Wandler am Boden des Behälters angeordnet ist, wird dann in
dem Flüssigkeitsbad ein im wesentlichen gleichförmiges
Muster von stehenden Wellen erzeugt. Wenn sich der Flüssigkeitsstand
in dem Behälter ändert, ändern sich die
Reflexionen an der Flüssigkeitsoberfläche in ihrer Intensität,
wobei jedoch immer noch ein im wesentlichen gleichförmiges
Muster stehender Wellen erhalten bleibt, was bedeutet,
daß sämtliche stehenden Wellen ihre Maxima und Minima
innerhalb des Flüssigkeitsbades in derselben Höhe bzw. auf
demselben Pegel haben. Maxima und Minima bzw. Nullstellen
des Wellenmusters ergeben sich also auf gewissen Pegeln im
Flüssigkeitsbad und bleiben während des gesamten Reinigungszyklus
auf diesen Pegeln, wobei die Spitzenamplituden der
stehenden Wellen im wesentlichen konstant bleiben, solange
die Tiefe des Flüssigkeitsbades konstant ist. Dies führt
längs der Höhe eines zu reinigenden Teils in dem Flüssigkeitsbad
zu einer ungleichmäßigen Reinigungswirkung. Außerdem
ändert sich die Gleichmäßigkeit des Wirkungsgrades der
Reinigungswirkung, wenn sich der Flüssigkeitspegel ändert,
da sich die Intensität der in das Flüssigkeitsbad zurückreflektierten
Wellen in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand
über einen Bereich von einer Viertel Wellenlänge ändert.
Änderungen des Flüssigkeitspegels ändern die mechanische
(und damit die gesamte) Resonanzfrequenz des Systems, und
dies führt zu beträchtlichen Änderungen der Ausgangsleistung
des Ultraschallgenerators und der Eingangsleistung des
Wandlers, selbst wennn keine Änderungen in der
Ausgangsspannung des Frequenzgenerators auftreten. Die
Probleme, die durch stehende Wellen bei einer einzigen
ausgewählten Frequenz entstehen, sind im Zusammenhang mit
Ultraschallreinigungsvorrichtungen bekannt. Es wurden
bereits verschiedene Lösungen für diese Probleme angegeben,
beispielsweise in den US-PS 32 54 284, 33 71 233,
41 20 699 und 45 54 477. Mit Ausnahme der Lösung gemäß der
US-PS 41 20 699 verlangen die vorbekannten Lösungen entweder
das Anregen des Flüssigkeitsbades mit mehreren Frequenzen
oder das zeitabhängige Pendeln der Erregerfrequenz über
einen vorgegebenen Bereich, um auf diese Weise Vibrationen
bzw. Wellen mit unterschiedlicher Wellenlänge in dem
Flüssigkeitsbad zu erhalten. Speziell sind gemäß der
US-PS 41 20 699 rings um einen Tank mehrere Wandler derart
angeordnet, daß sie einander in gewissem Maße gegenüberliegen,
so daß die von verschiedenen Punkten ausgehenden
Vibrationen bzw. Wellen zu einem Interferenzmuster führen,
wodurch übermäßige, nachteilige Wirkungen von stehenden
Wellen mit einer einzigen Frequenz aufgehoben bzw.
abgeschwächt werden. Andererseits sind Frequenzgeneratoren
und Wandler, die mit mehreren Frequenzen arbeiten oder deren
Frequenz ein gewisses Frequenzband überstreicht, deutlich
komplizierter und teurer als Geräte mit einer einzigen
Frequenz; auch einander gegenüberliegend angeordnete Wandler
führen in der Praxis zu vergleichsweise teuren Lösungen.
Ausgehend vom Stand der Technik und der vorstehend aufgezeigten
Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine verbesserte Ultraschall-Reinigungsvorrichtung
anzugeben, welche sehr einfach aufgebaut ist und im wesentlichen
bei einer einzigen Frequenz arbeitet, bei der jedoch
dennoch die bisherigen Probleme mit stehenden Wellen im
Flüssigkeitsbad wirksam vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs
angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
zwischen dem Wandler und dem Flüssigkeitsbad Einrichtungen
mit über ihre Ausdehnung unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften vorgesehen sind, mit deren Hilfe erreichbar
ist, daß die Wellen, welche zunächst mit gleicher Phasenlage
erzeugt werden, mit unterschiedlichen Phasenwinkeln in die
Badflüssigkeit eingeleitet werden.
Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, daß die Maxima und Minima bzw. Nullstellen in
dem Gesamtmuster von stehenden Wellen im Flüssigkeitsbad eng
benachbart und homogen verteilt sind, so daß bei der
Reinigung keine Streifenbildung an den gereinigten Teilen
auftritt. Außerdem hat die erfindungsgemäße Lösung den
Vorteil, daß der Umfang der Energiereflexion von der
Oberfläche des Flüssigkeitsbades, wenn überhaupt, nur
geringfügig in Abhängigkeit von der Tiefe des Flüssigkeitsbades
schwankt. Dies hat die vorteilhafte Folge, daß
der Wirkungsgrad bei der Umsetzung der in den Wandler eingespeisten
elektrischen Energie in Schwingungsenergie auf
einen im wesentlichen gleichbleibenden Niveau gehalten wird,
wenn sich die Badtiefe ändert, so daß Änderungen der Badtiefe
nicht zu deutlichen Änderungen der Reinigungswirkung
an den Werkstücken führen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht
darin, daß die Gesamtausgangsleistung der Wandlereinrichtungen
erhöht werden kann, so daß die durchschnittliche
Energieeinspeisung bei Schwankungen der Badtiefe höher ist
als bei vorbekannten Vorrichtungen vergleichbaren Aufbaus.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn erfindungsgemäß eine
differentielle Phasenverschiebung für die Energiewellen
erfolgt, die von ein oder mehreren Ultraschallwandlern in
das Flüssigkeitsbad eingeleitet werden, so daß die Maxima
und Minima bzw. Nullstellen der stehenden Wellen in dem
Flüssigkeitsbad gegeneinander gestaffelt sind, so daß sich
auf keinem Flüssigkeitspegel permanent ein Maximum oder
Minimum der stehenden Wellen ergibt.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erfindungsgemäß
erwiesen, wenn die Ultraschallschwingungen von dem
mindestens einen Wandler derart über eine Schwingungsübertragungsplatte
in das Flüssigkeitsbad eingeleitet
werden, daß die Wellen, welche zunächst an der Oberfläche
des Wandlers in Phase sind, bezüglich ihrer Phasenlage
aufgefächert werden, ehe sie in das Flüssigkeitsbad
eintreten. Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß
die Schwingungsübertragungsplatte keilförmig ausgebildet ist
und eine sich allmählich ändernde Dicke hat, so daß die
Ultraschallwellen nach dem Durchwandern des Materials der
Platte eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen, wenn sie
das Flüssigkeitsbad in dem Behälter erreichen, und dann
durch dieses hindurchwandern.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden
nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vorbekannten,
mit einer einzigen Frequenz arbeitenden
Ultraschall-Reinigungsvorrichtung, deren
Verbesserung Ziel der vorliegenden Erfindung
ist, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Ausführungsform einer verbesserten erfindungsgemäßen
Ultraschall-Reinigungsvorrichtung.
Im einzelnen zeigt Fig. 1, die dem besseren Verständnis der
vorliegenden Erfindung dienen soll, eine schematische
Darstellung einer typischen vorbekannten Ultraschall-
Reinigungsvorrichtung der generellen, gemäß der Erfindung zu
verbessernden Bauart. Im einzelnen besitzt die bekannte
Ultraschall-Reinigungsvorrichtung einen Behälter 10 in Form
eines nach oben offenen Tanks bzw. einer Wanne aus Metall,
wie z. B. rostfreiem Stahl. Die Wanne ist teilweise mit
Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt, die die
gewünschten Detergentien, Additive und dergleichen enthält,
wobei die Oberfläche dieses Bades mit S bezeichnet ist.
Die zu reinigenden Teile werden in die Wanne 10 gelegt und
in dem Flüssigkeitsbad versenkt. Der Einfachheit halber ist
in Fig. 1 ein einziges derartiges Teil 11 mit einer Höhe H
gezeigt, welches auf dem Boden 12 der Wanne bzw. des
Behälters 10 steht.
Zur Reinigung des Teils 11 werden in dem Bad Vibrationen
bzw. Schwingungen in Form von Druckwellen erzeugt. Dies hat
zur Folge, daß das Wasser gegen die Oberflächen des Teils 11
schlägt und mit oder ohne Kavitationseffekte Schmutz oder
Fremdkörper lockert und entfernt. Die Frequenz der in die
Badflüssigkeit eingeleiteten Schwingungen kann im hörfrequenten
Bereich liegen. Eine wirksamere Reinigung wird
jedoch dann erreicht, wenn in die Badflüssigkeit Ultraschallwellen,
also Wellen außerhalb mit einer Frequenz des
Hörfrequenzbereichs, eingeleitet werden.
Zur Erzeugung der Ultraschallwellen sind unter dem Boden 12
des Behälters 10 Ultraschallwandlereinrichtungen vorgesehen.
Im vorliegenden Fall umfassen die Wandlereinrichtungen einen
Spannungs/Ultraschall-Wandler 14 konventioneller und
bekannter Bauart. Der Wandler 14 umfaßt einen piezoelektrischen
Kristall 14 A mit einem dominierenden Schwingungsmodus
mit einer einzigen Frequenz; es könnten aber auch
magnetostriktive Elemente als Wandlerelemente verwendet
werden. Der Wandler 14 wird aus einem elektronischen
Frequenzgenerator bzw. einem Oszillator 18 gespeist, durch
den an den piezoelektrischen Kristall 14 A eine Wechselspannung
(im wesentlichen sinusförmig) mit einer einzigen,
im wesentlichen konstanten Frequenz angelegt wird. Das
gesamte System ist somit im Prinzip ein mit einer einzigen
Frequenz arbeitendes System, wobei diese Frequenz im
wesentlichen konstant ist und wobei Schwingungen mit einer
einzigen Frequenz von dem Wandler in das Flüssigkeitsbad
eingeleitet werden. Während der Einfachheit halber in Fig. 1
nur ein einziger Wandler 14 gezeigt ist, können unter dem
Behälter oder an ein oder mehreren Seiten desselben auch
zwei oder mehr Wandler angeordnet werden.
Der Wandler 14 ist an der Unterseite einer horizontalen
Basis bzw. Vibrationsübertragungsplatte 16 befestigt, welche
ihrerseits an der horizontalen Unterseite des Bodens 12 des
Behälters 10 befestigt ist. Üblicherweise besteht die Platte
16 aus Metall, wie z. B. Aluminium, und besitzt eine gleichmäßige
Dicke im Bereich von etwa 20 mm. Das obere, energieabstrahlende
Ende des Kristalls 14 A des Wandlers 14 steht in
engem, flächenhaften Kontakt mit der Unterseite der Platte
16, während die Oberseite der Platte 16 in flächenhaftem
Kontakt mit der Unterseite des Bodens 12 verklebt bzw.
verbunden ist.
Der Wandler 14 wird noch durch einen keramischen Isolator
14 B unterhalb des Kristalls 14 A ergänzt sowie durch ein
Basiselement 14 C unterhalb des Isolators 14 B. Eine Schraube
15 sichert den Wandler 14 an der Platte 16.
Stehende Wellen 20 und 22 symbolisieren in Fig. 1 die
zusammengesetzte Vibrationswellenenergie, die von dem
Wandler 14 erzeugt und in das Flüssigkeitsbad eingeleitet
wird. Wie aus Fig. 1 deutlich wird, sind die beiden
stehenden Wellen 20 und 22 in Phase miteinander. In der
Realität erzeugt der Wandler 14 tatsächlich eine unendliche
Anzahl von stehenden Wellen, die in der Zeichnung samt und
sonders durch die beiden Wellen 20 und 22 dargestellt sind.
Da alle diese stehenden Wellen durch wandernde Vibrationswellen
erzeugt werden, die alle dieselbe Frequenz haben und
alle dieselben Entfernungen durch das Metall der Platte 16,
den Behälterboden 12 und die Badflüssigkeit zurücklegen,
sind alle diese stehenden Wellen in Phase miteinander.
Ein zwangsläufiger Nachteil der konventionellen, mit einer
einzigen Ultraschallfrequenz arbeitenden Reinigungssysteme
ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß bei einem solchen
System stehende Wellen erzeugt werden, deren Maxima und
Minima bzw. Nullstellen durch gleiche Abstände getrennt
sind, die jeweils einer Viertel Wellenlänge entsprechen, und
zwar in senkrechter Richtung durch das Flüssigkeitsbad. Im
Bereich der Maxima ist der Energiepegel hoch und im Bereich
der Minima bzw. der Nullstellen NULL, so daß die Reinigungswirkung
an dem zu reinigenden Teil 11 ungleichmäßig ist.
Tatsächlich kann man bei Teilen, die in einem konventionellen
Ultraschallreiniger gereinigt wurden, eine
streifenförmige Verteilung von sehr sauberen Bereichen und
schlecht gereinigten Bereichen beobachten. Bei
konventionellen, mit einer einzigen Frequenz arbeitenden
Reinigungssystemen treten die Maxima und die Nullstellen
praktisch aller stehenden Wellen in einer gewissen Tiefe
innerhalb des Behälters 10 auf und bleiben während des
gesamten Reinigungszyklus in dieser Tiefe bzw. auf diesem
Niveau. Dies ist in Fig. 1 angedeutet, wo erkennbar wird,
daß die Nullstellen N bzw. die Pegel minimaler Energie der
beiden stehenden Wellen 20 und 22 auf demselben Flüssigkeitsniveau
auftreten, nämlich in der Höhe L-1. In entsprechender
Weise liegen die Pegel der Maxima bzw. der
Spitzenwerte der beiden stehenden Wellen ebenfalls auf
demselben Flüssigkeitsniveau auf, wie dies für die Spitzenwerte
P auf dem Flüssigkeitspegel L-2 gezeigt ist. In einer
gewissen Tiefe in dem Flüssigkeitsbad, in der sich ein
Bereich eines zu reinigenden Teils 11 befindet, ist folglich
die Reinigungswirkung entweder hoch oder niedrig, und zwar
in Abhängigkeit davon, ob in dieser bestimmten Tiefe die
stehenden Wellen ein Maximum oder ein Minimum haben. Diese
Änderung der für die Reinigung verfügbaren Energiedichte
führt über die Höhe H des zu reinigenden Teils 11, welches
sich in dem Flüssigkeitsbad befindet, zu einer ungleichmäßigen
Reinigungswirkung.
Ein weiterer Nachteil der konventionellen, mit einer
einzigen Frequenz arbeitenden Ultraschall-Reinigungssysteme
ergibt sich dadurch, daß die Ultraschallwellen an der
Grenzfläche von Flüssigkeitsbad und Atmosphäre, d. h. an der
Oberfläche S der Flüssigkeit, reflektiert werden. Bei einer
guten Reflexion wird die Energie in das Bad zurückgeführt,
anstatt aus diesem auszutreten, wodurch ein besserer
Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in
nutzbare Schwingungsenergie in dem Bad erreicht wird. Wenn
die Ultraschallwellen, und folglich auch die sich daraus
ergebenden, stehenden Wellen in Phase sind, schwankt die in
das Flüssigkeitsbad reflektierte Energiemenge aber in weiten
Grenzen in Abhängigkeit von der Tiefe des Flüssigkeitsbades.
Nimmt man beispielsweise an, daß sich die Flüssigkeitsoberfläche
S auf dem in Fig. 1 eingezeichneten Pegel L-4
befindet, und nimmt man ferner an, daß die maximale
Energiemenge dann reflektiert wird, wenn die Maxima der
stehenden Wellen an der Oberfläche S liegen, und daß die
minimale Energie reflektiert wird, wenn die Nullstellen der
stehenden Welle auf der Höhe der Oberfläche S liegen, dann
ergibt sich bei der in Fig. 1 gezeigten Situation eine
maximale Energiereflexion, wenn die Oberfläche S auf dem
Pegel L-4 liegt. Wenn die Oberfläche S der Badflüssigkeit
jedoch auf dem ebenfalls eingezeichneten Pegel L-3 liegt,
dann liegen die Nullstellen aller stehenden Wellen an dieser
Oberfläche S, was zur Folge hat, daß nur eine minimale
Energiemenge in die Badflüssigkeit reflektiert wird. Derart
starke Unterschiede zwischen der maximalen und minimalen
Menge der an der Oberfläche reflektierten Energie führen
dazu, daß die letztlich von dem Frequenzgenerator 18
gelieferte Energie mit sehr unterschiedlichem Wirkungsgrad
in brauchbare (Reinigungs-)Energie in dem Flüssigkeitsbad
umgesetzt wird. Es können sich daher in Abhängigkeit vom
Flüssigkeitsstand signifikante Schwankungen in der
Reinigungswirkung ergeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend
beschriebenen Nachteile und Probleme auf vergleichsweise
einfache, billige und problemlose Weise dadurch vermieden,
daß zwischen dem Wandler 14 und dem Flüssigkeitsbad Einrichtungen
26 in spezieller Weise angeordnet werden, um zu
bewirken, daß phasengleiche Ultraschallwellen, die zunächst
von dem Wandler erzeugt werden, beim Eintreten in das Bad
und beim Durchlaufen desselben eine unterschiedliche Phasenlage
besitzen. Aufgrund dieser Phasenauffächerung wird die
Streifenbildung aufgrund hoher und niedriger Energiepegel in
unterschiedlichen festen Tiefen des Flüssigkeitsbades
aufgehoben. Da dann tatsächlich eine unendliche Menge von
stehenden Wellen in der Flüssigkeit existiert, wobei all
diese stehenden Wellen relativ zueinander leicht
phasenverschoben sind, werden die Maximal und die Nullstellen
der Energiedichte gewissermaßen homogen in vertikaler
Richtung auf die Flüssigkeit aufgeteilt. Zusätzlich wird
aufgrund der unterschiedlichen Phasenlagen, d. h. der
unterschiedlichen Amplituden, mit der die stehenden Wellen
die Oberfläche S erreichen, das starke Schwanken der
Intensität der reflektierten Energie bei unterschiedlichen
Flüssigkeitstiefen verringert. Die durchschnittliche Wirksamkeit
der Reflexionen bleibt damit bei Änderungen des
Flüssigkeitspegels im wesentlichen gleich.
Bei dem speziell dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen
die genannten Einrichtungen 26 eine Ultraschallübertragungsplatte
speziellen Charakters, die zwischen dem Wandler
14 und dem Boden 12 des Behälters 10 angeordnet ist. Im
einzelnen ist die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung
gemäß Fig. 2 mit der vorbekannten Reinigungsvorrichtung
gemäß Fig. 1 identisch, mit Ausnahme der Unterschiede
zwischen der Ultraschallübertragungsplatte 16 in Fig. 1 und
der Ultraschallübertragungsplatte 26 in Fig. 2. Folglich
sind in Fig. 2 die entsprechenden Teile mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. 1.
Im einzelnen besteht die Ultraschallübertragungsplatte 26
aus einem geeigneten Material, wie z. B. Aluminium, und
besitzt eine flache Oberseite, die in einer horizontalen
Ebene liegt und in flächenhaftem Kontakt mit der horizontalen
Unterseite des Bodens 12 des Behälters 10 steht. Die
Platte 26 ist dabei üblicherweise in engem Kontakt mit dem
Boden 12 verbunden, insbesondere verklebt.
Gemäß der Erfindung besitzen die verschiedenen Teile der
Platte 26 eine unterschiedliche Dicke. Beim bevorzugten
Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, daß man die
Platte 26 im wesentlichen keilförmig ausbildet, derart, daß
ihre Unterseite 27 gegenüber der horizontalen Ebene, in der
ihre Oberseite liegt, unter einem Winkel A geneigt ist. Der
Wandler 14 ist an der Unterseite 27 so angebracht, daß seine
Mittelachse senkrecht zu der die Unterseite 27 der Platte 26
enthaltenden Ebene orientiert ist, wobei seine vibrierende
bzw. schwingungsabstrahlende Oberseite in engem, flächenhaftem
Kontakt mit der Unterseite 27 der Platte 26 steht.
Schwingungsenergie (in Form von Schallwellen) breitet sich
in Wasser mit einer Geschwindigkeit von etwa 1460 m/s aus
und in Aluminium mit der wesentlich höheren Geschwindigkeit
von etwa 5100 m/s. Vernachlässigt man die Einflüsse des
Bodens 12 des Behälters 10, dann ist der Winkel der Phasenverschiebung
Φ zwischen einer sinusförmigen Schwingung an
der Oberseite des Wandlers und der daraus resultierenden
sinusförmigen Schwingung in einem Abstand d vom Boden des
Flüssigkeitsbades gleich der Summe (1) des Winkels der
Phasenverschiebung zwischen Ober- und Unterseite der
Aluminiumplatte 16 bzw. 26 und (2) des Winkels der
Phasenverschiebung, die innerhalb des Flüssigkeitsbades
aufgrund des Fortschreitens der Welle über die Strecke d
auftritt. Dieser Zusammenhang läßt sich durch folgende
Formel ausdrücken:
wobei f = Schwingungsfrequenz, t = Dicke des Aluminiums, v =
Laufgeschwindigkeit in Aluminium, d = durchlaufene Strecke
im Flüssigkeitsbad vom Boden des Behälters 10 bis zu einem
vertikal im Abstand d von dem Boden befindlichen Niveau und
V = Laufgeschwindigkeit in Wasser.
Aufgrund der vorstehenden Erläuterungen wird deutlich, daß
die gesamte Phasenverschiebung Φ zwischen der sinusförmigen
Schwingung am Wandler und der sinusförmigen Schwingung an
irgendeinem Punkt, der sich im Abstand d vom Boden des
Behälters 10 befindet, direkt eine Funktion sowohl der Dicke
t des Aluminiums als auch der Strecke d ist. Bei dem vorbekannten
System gemäß Fig. 1, bei dem die Platte 16 eine
gleichmäßige Dicke t hat, ist die Phasenverschiebung aller
Wellen, die am Boden des Behälters in das Flüssigkeitsbad
eintreten, identisch, so daß folglich alle Wellen, während
sie durch das Flüssigkeitsbad nach oben wandern, dabei in
gleichem Maße in der Phase verschoben werden. Aufgrund
dieses Phänomens liegen die entsprechenden Nullstellen N
aller stehenden Wellen, die in der Zeichnung durch die
beiden Wellen 20 und 22 angedeutet sind, bei dem bekannten
System auf denselben Flüssigkeitspegeln, beispielsweise dem
Pegel L-1, während die entsprechenden Maxima P ebenfalls
alle auf denselben Flüssigkeitspegeln auftreten, beispielsweise
auf dem Pegel L-2, wobei Maxima und Minima jeweils
einen Abstand von einer Viertel Wellenlänge haben. Diese
Symmetrie des Musters von stehenden Wellen führt längs der
Höhe H des zu reinigenden Teils 11 zu gewissen Bereichen, an
denen nur eine minimale Reinigungsenergie zur Verfügung
steht, während in anderen Bereichen die maximale Reinigungsenergie
verfügbar ist. Aufgrund der Gleichförmigkeit
des Musters der stehenden Wellen ergibt sich eine streifenförmig
ungleichmäßige Reinigungswirkung auf den verschiedenen
Niveaus des Flüssigkeitsbades über die Höhe H des
Teils 11.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Reinigungssystem
ändert sich dagegen die Dicke t der keilförmigen
Ultraschallübertragungsplatte 26 linear - es erfolgt eine
Zunahme von links nach rechts in Fig. 2 längs des energieabstrahlenden
Endes des Wandlers 14. Folglich ergeben sich
infinitesimal geringe Änderungen des Winkels der Phasenverschiebung
zwischen benachbarten Wellen, welche unterschiedlich
dicke Teile der Aluminiumplatte 26 passieren und am
Boden des Behälters 10 in das Flüssigkeitsbad eintreten. Die
Wellen, welche zunächst dieselbe Phasenlage haben, wenn sie
an der Unterseite 27 der Platte 26 in diese eintreten, haben
also an der Oberseite der Platte und beim Eintritt in das
Flüssigkeitsbad eine unterschiedliche Phasenlage. Das
Ergebnis dieser Phasenverschiebung ist in Fig. 2 anhand der
beiden stehenden Wellen 20 und 22 gezeigt. Dabei ergibt sich
die stehende Welle 20 aufgrund von Schwingungen, welche
durch den dünnen Teil der Platte 26 hindurch übertragen
werden, während sich die stehende Welle 22 aufgrund von
Schwingungen ergibt, welche durch den dickeren Teil der
Platte 26 hindurch übertragen werden. Die stehende Welle 20
steht dabei für dasjenige Ende des Bandes von Phasenverschiebungen
mit der minimalen Phasenverschiebung, während
die stehende Welle 22 für das andere Ende des Bandes von
Phasenverschiebungen steht. Man sieht, daß die beiden
stehenden Wellen 20, 22 nicht phasengleich sind; es besteht
im Gegenteil eine Phasenverschiebung zwischen den beiden
Wellen. Vorzugsweise wird auf die nachstehend noch zu
beschreibende Weise eine Phasenverschiebung von 90° bzw.
einer Viertel Wellenlänge zwischen den beiden Wellen 20 und
22 herbeigeführt.
Aus Fig. 2 wird ferner deutlich, daß auf dem Niveau L-1 die
stehende Welle 20 einen Maximalwert P hat, während die
stehende Welle 22 eine Nullstelle besitzt. In entsprechender
Weise hat die Welle 20 auf dem Niveau L-2 eine Nullstelle N,
während die Welle 22 dort ein Maximum P hat. Wenn man die
Tatsache beachtet, daß die gezeigten stehenden Wellen 20 und
22 für zahlreiche Wellen stehen, die innerhalb eines vorgegebenen
Bandes eine spezielle unterschiedliche Phasenlage
haben, versteht es sich, daß auf jedem der Pegel L-1 und L-2
(tatsächlich gilt dies für beide Pegel bzw. für Niveaus) die
Intensität der Vibrationsenergie, d. h. die Reinigungskraft
durch die Summe der Amplituden einer ganzen Serie von
stehenden Wellen mit unterschiedlichen individuellen,
relativen Phasenlagen bestimmt wird. In einer gegebenen Höhe
des Teils 11 haben folglich einige der dort vorhandenen
stehenden Wellen ein Maximum, während andere ein Minimum
haben, wobei die übrigen Wellen dort einen unterschiedlichen
Bruchteil ihres Maximalwerts besitzen. Folglich wird in
vertikaler Richtung des zu reinigenden Teils 11 jeder
Bereich derselben intensiven Reinigungswirkung unterworfen,
so daß die obenerwähnte Streifenbildung vermieden wird. Das
Teil 11 wird also über seine gesamte Höhe H gleichmäßig
gereinigt, da kein Punkt in der Flüssigkeit für alle
stehenden Wellen ein Maximum oder Minimum bildet, wie dies
bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 der Fall ist.
Wie oben ausgeführt, wird vorzugsweise für eine Phasendifferenz
von 90° zwischen der maximalen und der minimalen
Phasenverschiebung gesorgt. Diese Auffächerung der Phasenverschiebungen
wird dadurch erreicht, daß man die Dicke t
der Ultraschallübertragungsplatte 26 entsprechend dem
Plattenmaterial und der Frequenz f des Wandlers 14 zu- bzw.
abnehmen läßt. Nimmt man beispielsweise an, daß die Platte
26 aus Aluminium besteht, und daß der Wandler 14 mit einer
Frequenz von 40 kHz erregt wird, dann beträgt die Wellenlänge
L der durch die Platte 26 hindurchwandernden Ultraschallwellen
etwa 12,76 cm und läßt sich gemäß der folgenden
Formel berechnen:
Eine Phasenverschiebung von 90° tritt bei der sinusförmigen
Schwingung auf, wenn sie über eine Strecke wandert, die
gleich einer Viertel Wellenlänge ist, d. h. über eine Strecke
von 15,76 cm/4 oder etwa 3,19 cm. Wenn also die keilförmige
Platte beispielsweise an ihrem linken Rand 6,35 mm dick ist
und an ihrem rechten Rand etwa 3,83 cm, dann ergibt sich
eine Auffächerung des Phasenwinkels über etwa 90°. Dabei
versteht es sich, daß auch eine Phasenauffächerung von mehr
oder weniger als 90° gewählt werden kann. Eine Auffächerung
um 90° führt jedoch zum theoretischen Maximum der Phasenauffächerung
und eine Auffächerung um mehr als 90° führt
nicht zu einem theoretischen Vorteil, da
| sin R | = | sin (180°-Φ) | .
Da sich für die stehenden Wellen in der Reinigungsflüssigkeit
des Reinigungssystems gemäß Fig. 2 ein
Phasenspektrum über einen Winkel von 90° ergibt, führen
Änderungen im Pegel der Oberfläche S zu einer geringeren
Gesamtänderung in der Menge der an der Oberfläche S in das
Bad zurückreflektierten Energie. Wenn beispielsweise die
Oberfläche S in Fig. 2 auf dem Pegel L-4 liegt, dann hat die
stehende Welle 20 dort einen Maximalwert P, während die
stehende Welle 22 gerade den Minimalwert N hat. Wenn die
Oberfläche S auf dem Pegel L-3 liegt, dann haben die
stehenden Wellen 20 und 22 an der Oberfläche S den Wert NULL
bzw. ihren Maximalwert. Alle anderen stehenden Wellen des
sich über eine Bandbreite der Phasenverschiebung von 90°
erstreckenden Spektrums erreichen die Oberfläche S mit einer
zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert liegenden
Amplitude und werden dementsprechend mehr oder weniger stark
reflektiert. Wenn sich die Höhe des Wasserspiegels ändert,
bewegt sich die Oberfläche S näher an die Maximalwerte
einiger stehender Wellen heran, jedoch weiter von den
Maximalwerten anderer stehender Wellen weg, mit dem
Ergebnis, daß der Mittelwert der insgesamt reflektierten
Energie im wesentlichen gleich bleibt. Folglich sind
Schwankungen der ersten Reflexion an der Flüssigkeitsoberfläche
in Abhängigkeit von der Wassertiefe weniger
ausgeprägt als bei dem vorbekannten System gemäß Fig. 1, wo
sich die Gesamtmenge der reflektierten Energie von einem
Maximalwert auf einen Minimalwert ändern kann, wenn die Höhe
des Wasserpegels sich um etwa 9 mm ändert, was bei der
Betriebsfrequenz von 40 kHz etwa einer Viertel Wellenlänge
entspricht. Insgesamt ergibt sich somit bei dem System gemäß
Fig. 2 eine geringere Schwankung der Größe der reflektierten
Energie, und die Impedanzanpassung für den Frequenzgenerator
bleibt gleichmäßiger, so daß die Belastung des Generators
konstanter bleibt, wobei das Integral der Schwingungsenergie
über alle Punkte im Flüssigkeitsbad im wesentlichen dasselbe
bleibt, so daß die Reinigungswirkung und die Gleichmäßigkeit
der Reinigung weniger stark beeinflußt werden, wenn sich die
Badtiefe ändert. Vergleichsversuche mit Systemen des in Fig. 1
und 2 gezeigten Typs zeigten, daß die Ausgangsleistung
(bzw. die Belastung) des Frequenzgenerators 18 bei dem
System gemäß Fig. 1 von einem Minimalwert von 95 W bis zu
einem Maximalwert von 173 W reichte, während die
Ausgangsleistung des Frequenzgenerators 18 bei dem System
gemäß Fig. 2 von einem Minimalwert von 200 W bis zu einem
Maximalwert von 242 W reichte, und zwar in Abhängigkeit von
Änderungen der Wassertiefe. Insgesamt ergab sich bei dem
System gemäß Fig. 2 bezüglich des Wirkungsgrades eine
Verbesserung von 11%, bezüglich des Integrals über die
Leistung eine Verbesserung von 65% und bezüglich des
Leistungsfaktors eine Verbesserung von 86%, während
bezüglich des Verhältnisses von minimaler zu maximaler
Ausgangsleistung eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit um
einen Faktor 4 erreicht wurde.
Während die Erfindung vorstehend speziell in Verbindung mit
einer keilförmigen Ultraschallübertragungsplatte 26
erläutert wurde, deren Dicke sich über ihre Länge linear
ändert, erkennt der Fachmann, daß andere Möglichkeiten
bestehen, um zwischen dem Wandler 14 und dem Flüssigkeitsbad
eine Auffächerung der anfänglich phasengleichen Schwingungen
zu erreichen, die von dem Wandler erzeugt werden. Beispielsweise
kann die Platte 26 andere Formen erhalten. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, eine Platte mit äußerlich gleichmäßigen
Abmessungen herzustellen (d. h. eine Platte, die
ebenso aussieht wie die Platte 16 in Fig. 1), die jedoch aus
einem nicht-homogenen Material besteht, welches hinsichtlich
der Ausbreitungsgeschwindigkeiten abgestuft ist. Tatsächlich
kann die Platte insgesamt weggelassen werden, wobei dann der
Boden 12 des Behälters 10 so geformt bzw. ausgebildet wird,
wie dies erforderlich ist, um die erforderliche
Phasenauffächerung zu erreichen. Wenn mehrere Wandler
eingesetzt werden, kann dabei auch mit einer abgestuften
Plattenform gearbeitet werden, um von Wandler zu Wandler
eine Phasenverschiebung zu erreichen, während die Wandler im
übrigen senkrecht am Boden des Behälters montiert werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß gemäß
der Erfindung eine neue und verbesserte Ultraschall-
Reinigungsvorrichtung geschaffen wird, in der mit einer
mechanisch einfach konstruierten Platte 26 eine Phasenverschiebung
der eingestrahlten Vibrationsenergie erreicht
wird. Folglich können der Wandler 14 und der Ultraschallgenerator
18 konventionelle, mit einer einzigen Frequenz
arbeitende Standardbauteile sein, wobei dennoch die Probleme
vermieden werden, die sich aufgrund eines gleichmäßigen
Musters stehender Wellen bisher ergeben haben.
Claims (6)
1. Vorrichtung mit einem Behälter zur Aufnahme eines
Flüssigkeitsbades, mit einem außerhalb des Behälters
und angrenzend an dessen Außenseite angeordneten Wandler,
mit dessen Hilfe Wellen mit Schwingungsenergie
erzeugbar und durch die Behälterwand hindurch in das
Flüssigkeitsbad einleitbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Wandler (14) und dem Flüssigkeitsbad Einrichtungen
(26) mit über ihre Ausdehnung unterschiedlichen
physikalischen Eigenschaften vorgesehen sind,
mit deren Hilfe erreichbar ist, daß die Wellen (20,
22), welche zunächst mit gleicher Phasenlage erzeugt
werden, mit unterschiedlichen Phasenwinkeln in die Badflüssigkeit
eingeleitet werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtungen zur Phasenauffächerung eine
Vibrationsübertragungsplatte (26) zwischen dem Behälter
(10) und dem Wandler (14) umfassen, wobei unterschiedliche
Teile der Platte (26) eine unterschiedliche Dicke
haben.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß sie als Schall-Reinigungsvorrichtung ausgebildet
ist, bei der die an den Wandler (14) angrenzende Seite
der Platte (26) in einer Ebene liegt, welche relativ zu
der Ebene der Außenseite des Behälters (10) geneigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß sie als Reinigungsvorrichtung ausgebildet ist, bei
der die an den Behälter (10) angrenzende Seite der
Platte (26) in einer im wesentlichen horizontalen Ebene
angeordnet ist, und daß die andere Seite (27) der
Platte (26) in einer Ebene angeordnet ist, welche
gegenüber dieser horizontalen Ebene schräg geneigt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Platte (26) im wesentlichen keilförmig
ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß sie als Reinigungsvorrichtung
ausgebildet ist, bei der die von dem Wandler (14)
erzeugten Energiewellen sämtlich im wesentlichen eine
einzige konstante Frequenz haben.
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