DE3904658A1 - Ultraschall-reinigungsvorrichtung - Google Patents

Ultraschall-reinigungsvorrichtung

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DE3904658A1
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liquid bath
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DE3904658A
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Laszlo J Javorik
Peter J Puskas
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Ultrasonic Power Corp
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08CLEANING
    • B08BCLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/10Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity, by vibration
    • B08B3/12Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity, 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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