DE60316472T2

DE60316472T2 - Korrosionsbeständiges ultraschallhorn

Info

Publication number: DE60316472T2
Application number: DE60316472T
Authority: DE
Inventors: Rudolf W. Reno GUNNERMAN
Original assignee: Sulphco Inc
Current assignee: Sulphco Inc
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: EP1573909A4; EP1573909A1; AU2003299571A1; ES2294364T3; WO2004062101A1; MXPA04012597A; ATE373891T1; RU2303493C2; NO20045213L; RU2005122956A; AR042468A1; CA2488134A1; CO5631488A2; US6652992B1; EP1573909B1; DE60316472D1; NO20045213D0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet einer Produktionseinrichtung, die bei der Behandlung von Materialien durch Ultraschall in flüssigen Medien eingesetzt wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die Verwendung von Ultraschall bei der Beschleunigung der Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen ist wohlbekannt. Beispiele für Veröffentlichungen, die chemische Anwendungen von Ultraschall beschreiben, sind Suslick, K. S., „Sonochemistry," Science, Bd. 247, S. 1439 (1990), und Mason, T. J., Practical Sonochemistry, A User's Guide to Applications in Chemistry and Chemical Engineering, Ellis Norwood Publishers, West Sussex, England (1991). Von den diversen Beschallungssystemen, die bereits entwickelt wurden, umfassen diejenigen, die als "Sonden"-Typ-Systeme bekannt sind, einen Ultraschall-Transducer, der Ultraschallenergie erzeugt und diese Energie auf ein Ultraschallhorn zur Verstärkung überträgt.
Bei Gebrauch unterliegen Ultraschallhörner dem Verschleiß und der Erosion, insbesondere wenn ihre Verwendung Kontakt mit einem wässrigen flüssigen Reaktionsmedium erfordert. Hat sich Erosion entwickelt, neigen die Hörner dazu, ihre Wirksamkeit zu verlieren, und ihr Wirkungsgrad bei der Verstärkung der Ultraschallenergie fällt ab. Um diesen Verlust zu minimieren, sind Ultraschallhörner typischerweise aus Stahl, Titanlegierungen oder Aluminiumlegierungen hergestellt. Allerdings hat jedes seine Grenzen. Die hohe Dichte von Stahl erfordert relativ hohe Energie, um das Horn anzuregen, und darum eine hohe Eingabequelle für elektrische Energie. Aluminium und Aluminiumlegierungen sind weniger dicht, allerdings empfindlicher gegenüber Belastungsfrakturen durch die Ultraschallschwing ungen. Titanlegierungen sind bevorzugte Baumaterialien, unterliegen allerdings immer noch der Korrosion und einem Wirkungsgradverlust.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wurde nun gefunden, dass die Korrosionsgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des energetischen Wirkungsgradverlustes eines titanbasierten Metall-Ultraschallhorn bei Verwendung in einer wässrigen Umgebung unter Verwendung eines silberbasierten Metalls am exponierten Ende des Horns signifikant verringert werden kann. Dies kann entweder durch Abscheiden eines silberbasierten Metalls auf der Endoberfläche, durch Befestigen einer Kappe aus silberbasiertem Metall an dem Ende oder der Endoberfläche des Horns oder durch Konstruktion eines Stabteils des Horns mit einer Titanschale und einem silberbasierten Metallkern, wobei der Kern an der Endoberfläche exponiert ist, erreicht werden. Das silberbasierte Metall nimmt entweder einen zentralen Teil der Endoberfläche oder der gesamten Endoberfläche ein. Ein Horn mit silberbasiertem Metall an seinem exponierten Ende kann für längere Zeiträume mit im Wesentlichen keinem Abfall in seiner Fähigkeit zur Verstärkung der durch den Transducer erzeugten Ultraschallenergie verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Querschnitt eines ersten Beispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallhorns.
2 ist ein Querschnitt eines zweiten Beispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallhorns.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erfindungsgemäße Ultraschallhörner umfassen einen hohlen Hauptkörper, der in einem Vollstab endet. Der hohle Hauptkörper ist aus dem titanbasierten Metall gebildet, und mindestens ein Teil des Stabes ist ebenfalls aus dem titanbasierten Metall gebildet.
Das titanbasierte Metall kann entweder reines Titan oder jede Legierung sein, in der Titan der Hauptbestandteil ist. Das titanbasierte Metall enthält vorzugsweise mindestens etwa 85 Gew.-% Titan, am stärksten bevorzugt mindestens etwa 99 Gew.-% Titan. Werden Legierungen verwendet, umfassen die Legierungselemente in den meisten Fällen eines oder mehrere von Aluminium, Zinn und Zirkonium und gegebenenfalls, in kleineren Mengen, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff.
Das am exponierten Ende des Stabes oder, bei einigen Ausführungsformen der Erfindung, als der Kern des Stabes verwendete silberbasierte Metall kann entweder reines Silber oder jede Legierung sein, in der Silber der Hauptbestandteil ist. Das silberbasierte Metall enthält vorzugsweise mindestens etwa 85 Gew.-% Silber, am stärksten bevorzugt mindestens etwa 99 Gew.-% Silber. Werden Legierungen verwendet, umfassen die Legierungselemente in den meisten Fällen Kupfer, Zink oder Cadmium oder zwei oder mehrere von diesen in Kombination.
Der Stab besitzt vorzugsweise keine äußere Beschichtung, die entweder die Schale oder das exponierte Ende des Kerns bedeckt, die anders ist als das titanbasierte und das silberbasierte Metall.
Die Dimensionen der Komponenten des Horns, d. h. des hohlen Hauptkörpers und des Stabes, sind nicht kritisch und werden gewählt, um die gewünschte Ultraschallenergieübertragung und -leistung zu erzielen und um das Reaktionsgefäß aufzunehmen, in das die Ultraschallenergie gerichtet wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Stab ein Zylinder von kreisförmigem Querschnitt, und stärker bevorzugt sind sowohl der hohle Hauptkörper als auch der Stabzylinder von kreisförmigem Querschnitt.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung besteht der Stab aus einem Kern des silberbasierten Metalls und einer Schale des titanbasierten Metalls. Bei diesen Ausführungsformen beträgt die Wanddicke der Schale vorzugsweise etwa 0,5 cm bis etwa 1,0 cm, mit einem Außendurchmesser von etwa 1,5 cm bis etwa 2,5 cm. Ein derzeit bevorzugter Stab dieser Konfiguration ist ein Stab mit einer Länge von 2,25 in. (5,7 cm) und einem Außendurchmesser von 0,5 in. (1,3 cm), wobei eine Schale eine Wanddicke von 0,0625 in. (0,16 cm) aufweist. Der hohle Hauptkörper bei dieser Ausführungsform besitzt eine Länge von 3,0 in. (7,6 cm) und einen Außendurchmesser von 1,5 in. (3,8 cm) und eine Wanddicke von 0,5 in. (1,3 cm). Eine Alternative ist eine Kombination aus Hauptkörper und Stab mit einer Länge von 8,0 in. (20,3 cm) und einem Stab-Außendurchmesser von 0,75 in. (1,9 cm).
Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung besteht der Stab aus einem massiven titanbasierten Metall, durch das hindurch ein Loch durch das exponierte Ende gebohrt und mit Gewinde versehen wurde, und eine Schraube des silberbasierten Metalls mit passendem Gewinde wird in das Loch eingeführt, wobei der Kopf der Schraube eine Breite aufweist, die im Wesentlichen der Breite des Stabes entspricht, wodurch das gesamte exponierte Ende abgedeckt wird. Bei diesen Ausführungsformen ist der Durchmesser des Schraubenkopfs von im Allgemeinen der gleichen Größe wie der Durchmesser des Stabes, der, wie vorstehend angegeben, vorzugsweise etwa 1,5 cm bis 2,5 cm beträgt.
Wieder andere Ausführungsformen der Erfindung umfassen Ultraschallhörner, wobei das silberbasierte Metall nur die Endoberfläche des Stababschnittes einnimmt. Das silberbasierte Metall kann bei diesen Ausführungsformen durch jedes herkömmliche Mittel aufgebracht werden, einschließlich Schweißen, Löten oder durch anderweitiges Binden einer silberbasierten Metallscheibe oder Folie, und Beschichten der Endoberfläche mit dem silberbasierten Metall durch Verfahren, wie Elektroplattieren oder chemisches Aufdampfen.
Obgleich die Erfindung einer Vielzahl von Implementierungen und Konfigurationen zugänglich ist, stellt eine ausführliche Untersuchung der speziellen Ausführungsformen dem Leser ein vollständiges Verständnis über die Konzepte der Erfindung und darüber bereit, wie sie angewandt werden können. Solche Ausführungsformen sind in den Figuren gezeigt.
Ein Querschnitt von einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallhorns erscheint in 1. Das Horn 11 ist ein Rotationskörper, und die Zeichnung ist ein Längsquerschnitt längs der Achse des Horns. Das Horn besteht aus einem hohlen Hauptkörper 12, der in einem Stab 13 endet, wobei der Stab einen kleineren Außendurchmesser als der hohle Hauptkörper besitzt. Der Hauptkörper besitzt eine Wand 14 aus massivem Titan, die einen Hohlraum 15 umschließt, der koaxial mit dem Hauptkörper ist. Ein Flansch 16, der das Äußere des Hauptkörpers umkreist, kann als Montierhilfe dienen. Der Stab 13 ist eine mit einem Silberkern 18 gefüllte Titanschale. Das exponierte Ende 19 des Stabes exponiert den Kern 18. Ohne den Silberkern 18 tritt typischerweise am Ende des Stabes Korrosion ein, und der Silberkern setzt diese Korrosion herab.
Ein Querschnitt eines zweiten Beispiels ist in 2 gezeigt. Dieses Horn 21 ist ein Rotationskörper entsprechend demjenigen des in 1 gezeigten Horns, mit den gleichen Dimensionen. Der Stab 22 in diesem Beispiel ist ein Titan-Vollstab, in dessen Ende ein Loch gebohrt und ein Innengewinde angebracht wurde, und eine Silberschraube 23 wurde in das Gewindeloch eingeführt wurde. Der Kopf 24 der Schraube bedeckt das gesamte Ende des Stabes.
Erfindungsgemäße Ultraschallhörner können zur Erzeugung von geräuschartigen Wellen verwendet werden, deren Frequenz oberhalb des Bereiches des normalen menschlichen Gehörs liegt, d. h. oberhalb von 20 kHz (20.000 Zyklen pro s). Ultraschallenergie mit Frequenzen von so hoch wie 10 Gigahertz (10.000.000.000 Zyklen pro s) wurden erzeugt, jedoch werden erfindungsgemäße Ultraschallhörner bevorzugt bei Frequenzen innerhalb des Bereiches von etwa 20 kHz bis etwa 200 kHz und vorzugsweise innerhalb des Bereiches von etwa 20 kHz bis etwa 50 kHz betrieben. Ultraschallwellen können aus mechanischen, elektrischen, elektromagnetischen oder thermischen Energiequellen erzeugt werden. Die Intensität der Schallenergie kann ebenfalls breit variieren. Für die Zwecke der Erfindung werden beste Ergebnisse im Allgemeinen mit einer Intensität erzielt, die von etwa 30 Watt/cm² bis etwa 300 Watt/cm² oder vorzugsweise von etwa 50 Watt/cm² bis etwa 100 Watt/cm² reicht. Die typische elektromagnetische Quelle ist ein magnetostriktiver Transducer, der magnetische Energie durch Anlegen eines starken alternierenden Magnetfeldes an bestimmte Metalle, Legierungen und Ferrite in Ultraschallenergie umwandelt. Die typische elektrische Quelle ist ein piezoelektrischer Transducer, der natürliche oder synthetische Einkristalle (wie Quarz) oder Keramik (wie Bariumtitanat oder Bleizirkonat) einsetzt und eine elektrische Wechselspannung an die sich gegenüber liegenden Flächen des Kristalls oder der Keramik anlegt, um eine alternierende Expansion und Kontraktion von Kristall oder Keramik bei der vorgegebenen Frequenz herbeizuführen.
Erfindungsgemäße Ultraschallhörner besitzen breite Anwendungsmöglichkeiten in solchen Bereichen, wie Reinigung von elektronischen Materialien, Kraftfahrzeug-, Flugzeug- und Präzisionsinstrumentenindustrie, Durchflussmessung für geschlossene Systeme, wie Kühlmittel in Kernkraftwerken oder für den Blutfluss im Gefäßsystem; Materialprüfung, spanende Formgebung, Löten und Schweißen, Elektronik, Landwirtschaft, Ozeanographie und medizinische Bildgebung sowie chemische Reaktionen und chemisches Verarbeiten, insbesondere in wässrigen Medien und noch spezieller in wässrigem flüssigem Medium, einschließlich wässriger Lösungen, Emulsionen und Suspensionen. Verschiedene Verfahren der Herstellung und Anwendung von Ultraschallenergie und kommerzielle Lieferanten von Ultraschallanlagen sind unter den Fachleuten der Ultraschalltechnologie wohl bekannt.
Beschreibungen von wässrigen Reaktionsmedien, in denen die erfindungsgemäßen Ultraschallhörner wirksam verwendet werden können, werden in der U.S.-Patentschrift Nr. 6,402,939 , ausgegeben am 11. Juni 2002 (Yen et al.), in der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 02/074884 A1 , veröffentlicht unter den Patent Cooperation Treaty mit dem internationalen Veröffentlichungsdatum von 26. September 2002, und in den U.S. Patentanmeldungen mit den Nummern 09/812,390, eingereicht am 19. März 2001 (Gunnerman) und 10/279,218, eingereicht am 23. Oktober 2002 (Gunnerman) gefunden.
IN DER BESCHREIBUNG ZITIERTE DRUCKSCHRIFTEN
Die Liste der vom Anmelder zitierten Druckschriften dient nur der Bequemlichkeit des Lesers. Sie bildet nicht Teil des europäischen Patentdokuments. Obwohl große Sorgfalt darauf verwendet wurde, die Druckschriften zusammenzutragen, können Irrtümer und Weglassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA lehnt jede Haftung in dieser Hinsicht ab.
In der Beschreibung zitierte Patentdokumente

• US 6402939 B , Yen
• WO 02074884 A1
• US 09812390 B , Gunnerman
• US 10279218 B , Gunnerman

In der Beschreibung zitierte Nichtpatentliteratur

• Suslick, K. S., Sonochemistry, Science, 1990, Bd. 247, 1439
• Mason, T. J., Practical Sonochemistry, A User's Guide to Applications in Chemistry and Chemical Engineering. Ellis Norwood Publishers, 1991.

Claims

Ultraschallhorn, einen an einem Vollstab angefügten Hohlkörper umfassend, wobei der Vollstab eine Längsachse aufweist und an einer zur Längsachse transversalen Endfläche endet, wobei der Hohlkörper und der Vollstab Außenflächen aus einem titanbasierten Metall aufweisen, mit Ausnahme mindestens eines zentralen Teils der Endfläche, der aus einem silberbasierten Metall besteht, wobei das titanbasierte Metall entweder reines Titan ist oder irgendeine Legierung, in der Titan der Hauptbestandteil ist, und das silberbasierte Metall entweder reines Silber ist oder irgendeine Legierung, in der Silber der Hauptbestandteil ist.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem der Vollstab eine Hülle aus dem titanbasierten Metall und einen Kern aus dem silberbasierten Metall umfasst.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem die Endfläche kreisförmig ist und eine zentrale Scheibe aus dem silberbasiertem Metall umfasst, die von einem Ring aus dem titanbasierten Metall umgeben ist, wobei die zentrale Scheibe mindestens 60% der Endfläche einnimmt.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem die Endfläche kreisförmig ist und eine zentrale Scheibe aus dem silberbasierten Metall umfasst, die von einem Ring aus dem titanbasierten Metall umgeben ist, wobei die zentrale Scheibe mindestens 70% der Endfläche einnimmt.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem die Endfläche ganz aus dem silberbasierten Metall besteht.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem der Vollstab ein Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt ist.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem der Hohlkörper ein erster Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt ist und der Vollstab ein zweiter Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt ist.
Ultraschallhorn nach Anspruch 7, in dem der Vollstab eine Hülle aus dem titanbasierten Metall und einen Kern aus dem silberbasierten Metall umfasst, wobei die Hülle eine Wanddicke von ungefähr 0,5 cm bis ungefähr 1,0 cm und einen Außendurchmesser von ungefähr 1,5 cm bis ungefähr 2,5 cm hat.
Ultraschallhorn nach Anspruch 7, in dem die Endfläche ganz aus dem silberbasierten Metall besteht und der Vollstab einen Durchmesser von ungefähr 1,5 cm bis ungefähr 2,5 cm hat.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem der Vollstab keine Außenbeschichtung hat und außer dem titanbasierten Metall und dem silberbasierten Metall keine anderen Materialien enthält.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem das titanbasierte Metall zu mindestens 85 Gew.-% aus Titan besteht.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem das titanbasierte Metall zu mindestens 85 Gew.-% aus Titan besteht und das silberbasierte Metall zu mindestens 85 Gew.-% aus Silber besteht.
Ultraschallhorn nach Anspruch 1, in dem das titanbasierte Metall zu mindestens 99 Gew.-% aus Titan besteht und das silberbasierte Metall zu mindestens 99 Gew.-% aus Silber besteht.