DE4041365A1 - Sonotrode mit kavitationsschutzschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Sonotroden werden in sogenannten Desintegratoren verwendet, die sowohl für den medizinischen Bereich für den Aufschluß von Zellen (zum Beispiel Karzinom-Zellen), von Bakterien (zum Beispiel E.Koli-Bakterien) und von Pilzen als auch im industriellen Bereich für die Abwasserhomogeni­ sierung, die Herstellung von Emulsionen, der Pulverdispergierung in Flüssigkeiten oder auch der Dispersion von Agglomaten in der Mikro­ biologie eingesetzt werden. Die Sonotrode ist üblicherweise stabförmig ausgebildet und besteht aus Titanlegierung und wird üblicherweise in ein Gefäß mit dem zu bearbeitenden flüssigen Medium eingetaucht. Die Sonotrode wird durch einen Ultraschallwandler, der mit einem Hochfrequenz­ generator verbunden ist, zu hochfrequenten Schwingungen angeregt. Es hat sich gezeigt, daß die Kavitation insbesondere bei Sonotroden mit hoher Leistung sehr stark ist, so daß das schwingende Ende der Sonotrode auch bei ver­ schleißfestem Material, wie Titan, nach kurzer Betriebsdauer so starke Kavitationsschäden aufweist, daß die Sonotrode ausgewechselt werden muß. Da die Anordnung der Sonotrode jeweils justiert werden muß, ist die Auswechselung sehr zeitaufwendig, so daß größere Mengen des zu behandelnden Mediums nicht oder nur mit großen Kosten zu bearbeiten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonotrode insbesondere für hohe Leistungen zu schaffen, die sehr verschleißarm ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß die Sonotrode an ihrem schwingenden Ende mit einer Kavitationsschutzschicht aus polykristallinem Diamant versehen ist, wird der Kavitationsverschleiß erheblich verringert, so daß die Anwendung in Desintegratoren möglich wird, die mit hoher Leistung in einem konti­ nuierlichen Verfahren zur Bearbeitung der unterschiedlichen Medien einsetzbar sind.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maß­ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Besonders vorteilhaft ist, wenn bei einem in das Ende der Sonotrode eingeschraubten Teller mit der Kavitationsschutzschicht eine organische Folie oder Schicht oder eine duktile Metallfolie zwischen dem Ende und dem Teller vorgesehen wird, da dadurch radial verlaufende Dehnungswellen gedämpft werden, die, bedingt durch die unter­ schiedlichen Materialien, unterschiedlich groß sind, wodurch Reibung zwischen den verschraubten Flächen entsteht, die zu Abrieb und zur Schwingungs­ abkopplung von Sonotrode und angeschraubtem Teller führt. Die axialen Schwingungen werden unvermindert auf den Teller übertragen.

Für kleine Durchmesser ist es vorteilhaft, die Kavitationsschutzschicht in eine im Ende der Sonotrode vorgesehene Sackbohrung einzukleben, wobei eine in die Wandung der Sackbohrung eingebrachte Sicke, die in eine in das Hartmetall eingebrachte Nut eingreift, die Klebung form­ schlüssig unterstützt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode im Teilschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode im Teilschnitt,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonotrode im Teilschnitt, und

Fig. 4 eine Vorrichtung in Blockdarstellung zur Bearbeitung einer Flüssigkeit, zum Beispiel zur Stabilisierung einer Dispersion unter Verwendung eines eine Sonotrode gemäß der Erfindung aufweisenden Desintegrators.

Die in Fig. 1 teilweise dargestellte Sonotrode 1 ist stabförmig ausgebildet und besteht aus Titan bzw. aus einer Titanlegierung. In das Ende der Sonotrode 1 ist eine Sackbohrung 3 mit einem Gewinde eingearbeitet, in das der Gewindestutzen 4 eines Tellers 2 eingeschraubt ist. Dabei wird zwischen Ende der Sonotrode 1 und Teller 2 eine organische Folie oder organische Schicht oder eine Kupferfolie eingebracht, die zur Dämpfung radialer Schwingungen dient. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Ankopplung verschiedener Material­ paarungen, beispielsweise Titan und Stahl, aus dem vorzugsweise der Teller 2 besteht, durch Verschrauben bei großen Amplituden und Leistungs­ dichten, wie sie in Desintegratoren auftreten, Schwierigkeiten auftreten. Bei Anregung der Sonotrode 1 entstehen sowohl axiale Schwingungen als auch radial verlaufende Dehnungswellen, die aufgrund der unterschiedlichen Materialien unter­ schiedlich groß sind. Dadurch entstehen zwischen den verschraubten Flächen Reibungen, die zu Abrieb und zur Schwingungsabkopplung von Sonotrode 1 und angeschraubtem Teller 2 führen. Aufgrund der zwischen Sonotrode 1 und Teller 2 angeordneten Dämpfungsschicht 5 aus organischer Folie bzw. Schicht oder duktiler Metallfolie werden die radialen Wellen gedämpft, während die axialen Schwingungen ohne Beeinträchtigung auf den Teller 2 übertragen werden. Die Dämpfungs­ schicht 5 hat eine Dicke von ca. 50 µm.

Auf den Teller 2 ist mittels Hartlot 6, das eine Schmelztemperatur von 750°C aufweist, unter Zwischenschaltung eines Trägers 7 eine Kavitationsschutzschicht 8 aufgebracht, die aus polykristallinem Diamant, der auf den Träger 7 aufgesintert ist, besteht.

In Fig. 2 ist die Kavitationsschutzschicht 8 aus polykristallinem Diamant mit dem Träger 7 aus Hartmetall direkt mit dem Ende der Sonotrode 1 verlötet, wobei der Lötvorgang unter Vakuum oder Schutzgas über ein mit dem Titan verbundenes Hartlot 9, das eine Schmelztemperatur von <800°C aufweist, und ein auf das Hartmetall aufgebrachtes Hartlot 10, das eine Schmelztemperatur von < 750°C aufweist, durchgeführt wird.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das insbesondere für kleine Durchmesser der Sonotrode 1, vorzugsweise für Durchmesser von 1 mm bis 3 mm, geeignet ist. In das Ende der Sonotrode 1 wird eine Sackbohrung 11 eingebracht und darüber hinaus wird eine sehr kleine Quer­ bohrung 12, beispielsweise mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 0,3 mm vorgesehen, die mit der Sackbohrung 11 in Verbindung steht. In die Sackbohrung 11 wird Kleber, vorzugsweise Epoxyd­ harz eingebracht, und der Träger 7 mit der Kavitationsschutzschicht 8 aus polykristallinem Diamant wird in die mit Epoxydharz gefüllte Bohrung 11 eingepreßt. Der überflüssige Kleber 13 wird dabei in die Querbohrung 12 gedrückt und läuft gegebenenfalls ab. Die stehengebliebene Wandung 14 erhält eine Sicke, die in eine in das Hartmetall 7 eingebrachte Nut formschlüssig eingreift. Da der Rand der Sonotrode 1 physikalisch bedingt kavitationsfrei bleibt, treten an der stehengebliebenen Wandung keine Verschleißerscheinungen auf.

In Fig. 4 ist die erfindungsgemäße Sonotrode 1 als Bestandteil eines Desintegrators 15 darge­ stellt, wobei sie in ein Durchflußgefäß 16 einge­ taucht ist. Das Durchflußgefäß 16 ist über eine Zuflußleitung 17 und ein von einem Mikroprozessor 18 gesteuertes Ventil 19 mit einem Vorratsbehälter 20 verbunden. Eine Abflußleitung 21 führt vom Durchflußgefäß 16 in einen Sammelbehälter 22. Weiterhin ist eine Kühlumlaufleitung 23 mit dem Durchflußgefäß 16 verbunden, die zur Kühlung desselben dient. Ein von einem Hochfrequenz­ generator 24 versorgter Schallwandler 25 erzeugt die Schwingungen, die über ein Stufenhorn 26 auf die Sonotrode 1 übertragen werden, die sie als axiale Schwingungen an das das Durchflußgefäß 16 durchströmende Medium abgibt.

Im Vorratsbehälter 20 ist beispielsweise eine Emulsion enthalten, die stabilisiert werden soll. Der Mikroprozessor 18 steuert über das Ventil 19 die Durchflußmenge, wobei die Emulsion über die Zuflußleitung 17 in das Durchflußgefäß 16 gelangt. In dem Bereich unterhalb der Sonotrode 1 werden aufgrund der Druckwellen die Phasen der Emulsion homogenisiert und nach der Behandlung gelangt die bearbeitete Emulsion über die Abflußleitung in den Sammelbehälter 22. Der Durchfluß kann kontinuierlich oder auch diskontinuierlich von dem Mikroprozessor 18 gesteuert werden, wobei aber eine stetige Bearbeitung durchgeführt wird.

Claims (9)

1. Sonotrode, die stabförmig ausgebildet ist und in ein zu bearbeitendes flüssiges Medium eintaucht, wobei sie an einen mit einem Hochfrequenzgenerator in Verbindung stehenden Schallwandler gekoppelt ist und zumindest teilweise aus einem Titan enthalten­ den Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingende Ende mit einer Kavitations­ schutzschicht (8) aus auf einen Metallträger (7) aufgebrachtem polykristallinem Diamant versehen ist.

2. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Metallträger (7) der Kavitationsschutzschicht (8) mit einem Teller (2) aus Stahl durch Hartlöten verbunden ist, wobei der Teller (2) in das Ende einge­ schraubt ist.

3. Sonotrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ende und dem Teller (2) eine Dämpfungsschicht (5) angeordnet ist.

4. Sonotrode nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dämpfungsschicht (5) als organische Schicht, organische Folie oder duktile Metallfolie ausgebildet ist.

5. Sonotrode nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschicht (5) eine Dicke von 25 bis 75 µm aufweist.

6. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Metallträger (7) der Kavitationsschutzschicht direkt mit dem Titan enthaltenden Ende durch Hartlöten unter Vakuum oder Schutzgas verbunden ist.

7. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ende eine Sackbohrung (11) aufweist, in die die Kavitationsschutz­ schicht (8) mit Metallträger (7) eingeklebt ist, wobei in die Wandung (4) der Sackbohrung eine Sicke eingebracht ist, die in eine Nut der Hartmetallschicht (8) formschlüssig eingreift.

8. Sonotrode nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sackbohrung (11) mit einer Querbohrung (12) in Verbindung steht, die zur Aufnahme und zum Abfließen von Kleber (13) dient.

9. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Durchflußgefäß (16) eines Desintegrators (15) angeordnet ist, durch das kontinuierlich oder schubweise das zu bearbeitende Medium strömt.