DE4138713A1 - Mehrfrequenz-ultraschallschwinger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Mehrfrequenz-Ultraschall­ schwinger zur Abstrahlung von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten, die in Reinigungsanlagen verwendet werden.

Bekannte Ultraschallreinigungsanlagen bestehen aus Hochfrequenzgenerator, Ultraschallwandler und Reini­ gungsgefäß. Es gibt dabei verschiedene Ausführungen der Ultraschallwandler, wie z. B. Tauch-, Rohr- Stab­ schwinger oder fest an der Wandung des Reinigungsge­ fäßes befestigte Schwingelemente.

Die Tauchschwinger und die am Reinigungsgefäß befe­ stigten Schwingelemente strahlen die Schallwellen von ihren Stirnflächen ab.

Im Gegensatz dazu ergeben sich an der Mantelfläche der stab- oder rohrförmigen Schwinger gürtelförmige Zonen, von denen die Abstrahlung infolge der Querkon­ traktionen der Rohre oder Stäbe ausgeht.

Die Abstimmung der bisher verwendeten Hochfrequenzge­ neratoren erfolgte auf die Resonanzfrequenz der als Schwingungserreger wirkenden Ultraschallwandler. Die üblicherweise bei der Ultraschallreinigung verwende­ ten Frequenzen liegen im Bereich zwischen 20 und 100 kHz.

Mit der Verwendung der lediglich einen durch die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers vorgege­ benen Arbeitsfrequenz treten mehrere Nachteile auf.

Es treten stehende Wellen auf, die örtlich unter­ schiedliche Reinigungsintensitäten hervorrufen, die nur durch eine zusätzliche Bewegung des Reinigungs­ gutes im Reinigungsgefäß ausgeglichen werden können.

Um einen optimalen Reinigungseffekt an den verschie­ denen geometrischen Strukturen des zu reinigenden Gutes zu erreichen, ist es für grob gestaltete und stark verschmutzte Gegenstände angebracht, die Reini­ gung bei Frequenzen von 20 bis 25 kHz durchzuführen. Bei feinstrukturierten und empfindlichen Gegenständen ist der Frequenzbereich oberhalb von 35 kHz anzuwen­ den.

Gegenstände weisen häufig verschiedene geometrische Strukturen auf. Sie sind teilweise grob- und teilwei­ se feinstrukturiert (z. B. eingebrachte Bohrungen), so daß eine zweistufige Reinigung erforderlich ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallschwinger zu schaffen, der für meh­ rere Frequenzen eingesetzt werden kann, um für die verschiedenen Gegenstände günstige Reinigungseffekte zu bewirken.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen er­ geben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Dadurch, daß die Länge der einen Biegeresonator bil­ denden Balken, die parallel zueinander zwischen dem bzw. den Schwingungserregern und an diesen bzw. diese gekoppelt sind, dem ganzzahligen Vielfachen der Wel­ lenlänge bei Resonanzfrequenz entspricht, kann unter Vernachlässigung der Frequenzabhängigkeit der Schall­ geschwindigkeit davon ausgegangen werden, daß die erzeugte Biegewelle im Balken das 2-, 3-, 4-, 5-, . . . fache der Grundfrequenz erreicht.

Die Grundfrequenz wird daher so gelegt, daß sich im gewünschten Reinigungsfrequenzbereich mindestens zwei Frequenzen befinden. Eine mehrfache Abdeckung in die­ sem Frequenzbereich ist jedoch möglich und auch anzu­ streben.

Der gleiche Effekt ist auch mit Longitudinalresonato­ ren erreichbar, bei denen die Länge der zwei Einzel­ stäbe so gewählt wird, daß die Gesamtlänge des Longi­ tudinalresonators ein ungerades Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge bei Resonanzfrequenz beträgt.

Hierbei werden die beiden Stäbe in Längsrichtung hin­ tereinander angeordnet und die als Schwingungserreger verwendeten piezokeramischen Elemente bevorzugt paar­ weise an die zueinander weisenden Stirnflächen gekop­ pelt. Die Stäbe können dabei sowohl als Voll- als auch als Hohlprofile in verschiedenen Geometrien be­ nutzt werden.

In bevorzugter Weise werden die äußeren Stirnflächen der Longitudinalresonatoren schallisoliert und/oder kegelförmig ausgebildet.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Biegebalken und der Stäbe der Longitudinalresonatoren ergibt sich gegenüber den einseitig gespeisten Stab- oder Rohr­ schwingern eine optimale Impedanzanpassung für mehre­ re Resonanzfrequenzen. Außerdem wird eine Verstimmung des Schwingsystems verhindert und der nutzbare Fre­ quenzbereich in Richtung der Oberwellen verschoben.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Mehrfre­ quenz-Ultraschallschwingers mit den zwei Biegebalken kann der eine der beiden Balken die Ultraschallener­ gie in die Flüssigkeit abstrahlen, während der andere in einem Gehäuse so angeordnet ist, daß er keine Energie in die Flüssigkeit abgibt.

Es können auch beide Balken die Ultraschallenergie in die Flüssigkeit abstrahlen, wenn die Gehäusegestal­ tung entsprechend angepaßt ist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand zweier Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines in einem Gehäuse befindlichen Mehrfrequenz-Ul­ traschallschwingers mit zwei Biegebal­ ken,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Longitu­ dinalresonators mit zwei Stäben,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch den er­ findungsgemäßen Ultraschallschwinger mit Biegebalken und asymmetrischer Anordnung des Schwingungserregers,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch den er­ findungsgemäßen Ultraschallschwinger mit zwei Stäben und asymmetrischer Anordnung des Schwingungserregers,

Fig. 5 eine Anordnung von mehreren Ultra­ schallschwingern nach Fig. 1, die als feste Einheit in Längsrichtung anein­ andergekoppelt sind,

Fig. 6 eine Anordnung von mehreren Ultra­ schallschwingern nach Fig. 2, die als feste Einheit in Längsrichtung anein­ andergekoppelt sind, und

Fig. 7 die kegelförmige Ausführung der Enden der Stäbe eines Longitudinalresona­ tors.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrfre­ quenz-Ultraschallschwingers, wie in Fig. 1 darge­ stellt, kann in einem Gehäuse 6 untergebracht, in ein nicht dargestelltes Reinigungsgefäß eingebracht wer­ den.

Im Gehäuse 6 sind zwei Balken 1 und 2 mit zwei als Schwingungserreger dienenden Piezokeramik-Wandlern 3 gekoppelt. Die beiden Piezokeramik-Wandler 3 befinden sich in Höhe der Mittelachse der beiden Balken 1 und 2 und sind mit diesen über Koppelscheiben 4 fest ver­ bunden. Es können auch mehrere (2n mit n = 1, 2, 3 . . .) piezokeramische Elemente vorgesehen sein.

In dieser Ausführungsform wird die Ultraschallenergie nur über den Balken 1 in die Flüssigkeit abgestrahlt. Der Balken 2 befindet sich geschützt im Inneren des Gehäuses 6.

Die Piezokeramik-Wandler 3 sind über die Hochfre­ quenzzuführung 5 mit einem nicht dargestellten Hoch­ frequenzgenerator verbunden. Die Grundfrequenz der Balkenanordnung beträgt beispielsweise 4 kHz. Die Länge der beiden Balken 1 und 2 beträgt dabei 390 mm bei einer Dicke von 30 mm, so daß zur Reinigung die Frequenzen 24 kHz und 40 kHz, die im günstigen Be­ reich liegen, genutzt werden können.

In Fig. 2 ist ein Longitudinalresonator, der aus zwei symmetrisch in Längsrichtung hintereinander angeord­ neten Stäben 7 besteht, dargestellt. Zwischen den sich gegenüberliegenden Stirnflächen der beiden Stäbe 7 sind zwei Piezokeramik-Wandler 8 fest an diese ge­ koppelt. Die Piezokeramik-Wandler 8 sind von einem Gehäuse 10 umschlossen, während die Stäbe 7 direkt in die Flüssigkeit getaucht sind.

Für eine gezielte Abstrahlung der Ultraschallenergie in den Gürtelzonen 11, an denen schematisch mit Pfei­ len die Richtung der Ultraschallwellen dargestellt ist, sind die nach außen weisenden Stirnflächen der Stäbe 7 mit einer Schallisolierung 9 versehen, so daß eine Schallabstrahlung an den Stirnflächen vermieden wird.

Die ähnliche Wirkung tritt auch durch die in Fig. 7 dargestellte kegelförmige Ausführung 12 der nach außen gerichteten Stabenden dadurch auf, daß die axiale Komponente der Schallabstrahlung klein wird.

Bei diesem Beispiel nach Fig. 2 haben die Stäbe 7 eine Länge von 250 mm. Die Grundfrequenz dieser Aus­ führung beträgt 4,3 kHz, so daß beispielsweise die Resonanzfrequenzen 22,6, 31,7 oder 40 kHz vom Hoch­ frequenzgenerator über die Hochfrequenzzuführung 23 eingespeist und für die Reinigung genutzt werden kön­ nen.

In den Fig. 3 und 4 sind die piezokeramischen Elemen­ te 3, 8 asymmetrisch angeordnet, und zwar derart, daß für die gewünschten Frequenzen Resonanz erzielt wird. In Fig. 3 sind die piezokeramischen Elemente außer­ halb der Mitte der Biegebalkenlänge an einem Schwin­ gungsbauch vorgesehen. In entsprechender Weise ist gemäß Fig. 4 die jeweilige Länge der Stäbe des Longi­ tudinalresonators unterschiedlich zueinander.

In Fig. 5 und 6 sind mehrere Biegebalkenresonatoren gemäß Fig. 1 bzw. Longitudinalresonatoren gemäß Fig. 2 in Längsrichtung gekoppelt und bilden eine feste Einheit, d. h. es sind zwei lange Balken 13, 14 vor­ gesehen, zwischen denen mehrere Piezokeramikwandler 15 an den durch die Resonanz vorgegebenen Stellen angeordnet sind, bzw. es sind mehrere Stäbe 16, 17 mit durch die Resonanz vorgegebenen Längen vorgese­ hen, zwischen denen mehrere Piezokeramikwandler 18 angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen sind mehrere Ultraschallschwinger nach Fig. 1 bzw. Fig. 2, eine feste Einheit bildend, in Querrichtung angeord­ net.

Claims (11)

1. Mehrfrequenz-Ultraschallschwinger zur Abstrah­ lung von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungserreger (3, 8) zwischen zwei geometrisch gleichen, einen Biegeresonator bil­ denden Balken (1, 2) oder zwei Stäben, die einen Longitudinalresonator (7) bilden, mit diesen gekoppelt ist, wobei die Länge der Balken (1, 2) ein ganzzahliges Vielfaches der Biegewellenlänge bzw. die Länge der Stäbe des Longitudinalresona­ tors (7) ein ungerades Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge bei Resonanzfrequenz beträgt.

2. Mehrfrequenz-Ultraschallschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungs­ erreger aus 1 oder 2n piezokeramischen Elementen (3, 8) besteht, wobei n eine ganze Zahl ist.

3. Mehrfrequenz-Ultraschallschwinger nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe des Longitudinalresonators (7) in Längsrichtung mit ihren sich gegenüberliegenden Stirnflächen symmetrisch zueinander liegen und zwischen diese Stirnflächen die aneinanderstoßenden Piezokera­ mikwandler (8) als Schwingungserreger einge­ spannt sind.

4. Mehrfrequenz-Ultraschallschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (3) in der Mitte der Bie­ gebalkenlänge angeordnet ist.

5. Mehrfrequenz-Ultraschallschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (3) außerhalb der Mitte der Biegebalkenlänge derart angeordnet ist, daß für die gewünschten Frequenzen Resonanz erreicht wird.

6. Mehrfrequenz-Ultraschallschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Stäbe des Longitudinalresonators gleich ist.

7. Mehrfrequenz-Ultraschallschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Stäbe des Longitudinalresonators (7) derart ungleich ist, daß für die gewünschten Frequenzen Resonanz erreicht wird.

8. Mehrfrequenz -Ultraschallschwingeranordnung mit mehreren Mehrfrequenzultraschallschwingern nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die in Längsrich­ tung aneinandergekoppelt sind und eine feste Einheit bilden.

9. Mehrfrequenz-Ultraschallschwingeranordnung mit mehreren Mehrfrequenzultraschallschwingern nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die in Querrichtung fest aneinandergekoppelt sind und eine Einheit bilden.

10. Mehrfrequenz-Ultraschallschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußeren Stirnflächen des Lon­ gitudinalresonators (7) schallisoliert sind.

11. Mehrfrequenz-Ultraschallschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußeren Stirnflächen des Lon­ gitudinalresonators (7) kegelförmig ausgebildet sind.