DE69320502T2 - Vorrichtung zum Beseitigen von gasförmigen Blasen, die in einer flüssigen Zusammensetzung enthalten sind - Google Patents

Vorrichtung zum Beseitigen von gasförmigen Blasen, die in einer flüssigen Zusammensetzung enthalten sind

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Beseitigung von Gasblasen, die in flüssigen Substanzen enthalten sind, und spezieller eine Vorrichtung, die sich automatisch auf beliebige Veränderungen von Eigenschaften der flüssigen Substanz anpaßt, die zu entgasen ist.
  • Viele Produkte in der Chemieindustrie, der pharmazeutischen Industrie, der Nahrungsmittelindustrie und damit verbundenen Industrien, insbesondere Emulsionen, Suspensionen, Pasten und Flüssigkeiten mit hoher Viskosität oder ähnliches, enthalten gelöste oder in Form von kleinen Blasen auftretende Luft oder Gase, die bei der Herstellung in der Flüssigkeit zwangsläufig eingeschlossen werden, aber im Endprodukt nicht auftreten dürfen. Somit beeinträchtigen die Gasblasen zum Beispiel im Falle von fotografischen Emulsionen die Qualität der Filme oder Fotopapiere, die mit diesen Emulsionen hergestellt sind, da die Blasen oder kleinen Gasblasen den Volumenstrom in den Beschichtungsvorrichtungen stören und damit das Risiko der Bildung von Streifen geben, die fotografische Materialien unbrauchbar machen.
  • Es ist bereits in Erwägung gezogen worden, Blasen in flüssigen Substanzen zu beseitigen. Zum Beispiel beschreibt die FR-A-2 221 165 eine Ultraschallvorrichtung zum Beseitigen von Blasen aus einer flüssigen Substanz und spezieller aus einer fotografischen Substanz. Obwohl auf die Effektivität der Vorrichtung bezüglich verschiedener Parameter der Substanz hingedeutet wurde, ist kein Vorschlag zur Verbesserung dieser Effektivität erwähnt.
  • Die Druckschrift WO-A-92/l 2790 beschreibt eine rohrförmige Ultraschallvorrichtung, die zum Entgasen und/oder Auflösen von Gas in einer flüssigen Substanz verwendet werden könnte. Die natürliche Resonanz des Reaktionsgefäßes wird verwendet, um das Fortschreiten von Ultraschallwellen einer Vielzahl von Ultraschallwandlern zu verbessern. Es ist keine Regelung der für jeden Wandler vorgesehene Energie erwähnt.
  • Die Druckschrift EP-A-246 528 beschreibt die Verwendung eines Ultraschallwandlers zum Schütteln eines flüssigen Mediums mit hochfrequenter Schallenergie. Dieser Ultraschallwandler wird zum Reinigen verwendet. Die verschiedenen beschriebenen Schaltkreise lassen die Regelung der auf den Wandler aufgebrachten Leistung zu, indem die Zeitgröße definiert wird, in der das Stromsignal während jedes Zyklus eingeschaltet ist.
  • Fig. 1, auf die jetzt Bezug genommen wird, stellt schematisch eine herkömmliche abwärtsführende Beschickung mit fotografischer Emulsion dar. Gemäß einer solchen konventionellen Anordnung umfaßt die abwärtsführende Beschickung von Emulsion einen Bottich 1, der in Umrührbewegung gehalten wird, in den die zu verarbeitende Emulsion eingeführt wird. Die Emulsion wird anschließend zu einer vorläufigen Verarbeitungsvorrichtung 2 befördert, in welcher eine erste Verarbeitung mit Hilfe von Ultraschall angewandt wird, um ein elementares Entgasen der Emulsion zu ermöglichen, wobei der Begriff "Entgasen" die Beseitigung von Gasblasen aus der zu verarbeitenden Substanz bedeutet. Die Substanz wird anschließend mit Hilfe einer Pumpe 3 zu einer Vorrichtung 4 zum Beseitigen von Gasblasen gefördert, die anschließend durch die Buchstaben ECR bezeichnet wird, und in der eine Verarbeitung mit Ultraschall auch zu dem Zweck angewandt wird, beliebige Gasblasen in die fotografische Substanz einzubeziehen, die am Ende der vorläufigen Verarbeitung übrigbleiben. Die ECR-Vorrichtung wird später Gegenstand einer ausführlicheren Beschreibung sein. Die ECR wird mit Hilfe einer Spannungsquelle 7 betrieben. Die verarbeitete Lösung wird anschließend zu einer Verwendungsstation 8 wie beispielsweise einer fotografischen Beschichtungsstation transportiert.
  • Normalerweise sind andere Vorrichtungen zum Beispiel des nicht dargestellten Typs mit Teilvakuum stromaufwärts der ECR einbezogen. Gleichfalls kann der Bottich selbst Ultraschallschwingungen ausgesetzt sein, um einige der Gasblasen in dieser Stufe zu beseitigen.
  • Fig. 2, auf die jetzt Bezug genommen wird, stellt ausführlich eine ECR des Typs dar, der normalerweise für diesen Typ einer Anwendung verwendet wird. Diese an sich bekannten Vorrichtungen umfassen prinzipiell eine zum Beispiel aus rostfreiem Stahl hergestellte Verarbeitungskammer 10, die mit einer Einlaßöffnung 11 versehen ist, durch die die Lösung eingeführt wird, und eine Auslaßöffnung 12, durch welche die verarbeitete Lösung entleert wird. Die ECR umfaßt ebenfalls einen in einer Kammer (nicht gezeigt) eingebauten Ultraschallwandler, der Schwingungen durch eine normalerwweise aus Titan hergestellte Membran 14 auf einen Titanstab 13 überträgt, der in der Verarbeitungskammer 10 angeordnet ist.
  • Der Wandler ist tatsächlich aus einer Anordnung von Kristallen und piezoelektrischen Keramiken 16, 17 gebildet, die in einer sogenannten "Langevinschen Triplett"-Anordnung angeordnet und in der Lage sind, sich auszudehnen und zusammezuziehen mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Frequenz, die ihnen durch die Verbindungen 15 zugeführt wird. Die sogenannte "Langevinsche Triplett"- Anordnung besteht aus zwei piezoelektrischen Scheiben, die durch einen Zwischenring getrennt sind. Eine ihrer Vorderseiten jeder der Keramiken 16, 17 ist geerdet, wobei die andere an den Punkt 21 der Spannungsquelle angeschlossen ist. Die beiden Keramiken sind durch einen Aluminiumring 18 isoliert. Der Wandler weist auch ein hinteres Gegengewicht 19 auf, das es ermöglicht daß die meisten der Ultraschallwellen auf den in Kontakt mit der zu verarbeitenden Lösung befindlichen Titanstab 13 zurück reflektiert werden, wobei das Ganze mit Hilfe eines Bolzens 20 vorgespannt ist, der es ermöglicht, den Ruhepunkt der Keramiken zu bewegen und somit die Anwendung stärkerer elektrischer Felder ohne Risiko eines keramischen Bruches unter der Wirkung von übermäßig großen Spannungsbelastungen erlaubt, wobei die Druckfestigleit der Keramik in der Tat größer ist als ihre Zugfestigkeit. Im allgemeinen variiert die Frequenz der Spannungsquelle zwischen 38 und 43 kHz.
  • Eine derartige Ultraschallvorrichtung kann in Wirklichkeit mit einem Schaltkreis des RLC Typs verglichen werden, in welchem der Term R dem elektrischen Widerstand entspricht, der mit einer mechanischen Dämpfung infolge der Membran 14 gegenüber dem Fluid und dem Druck in der Verarbeitungskammer 10 verbunden ist, der Term L der Masse der Schwingungsanordnung und der Term C der Kapazität der Zwischenelektrode, sozusagen zwischen den beiden Keramiken 16, 17 entspricht. Infolgedessen wird eine solche Vorrichtung jederzeit wenn die Frequenz der Spannungsquelle mit der natürlichen Resonanzfrequenz des RLC-Schaltkreises übereinstimmt, in optimaler Weise funktionieren.
  • Ein Nachteil der bestehenden ECR-Vorrichtung liegt in der Tatsache, daß die Einstellung der Frequenz der Spannungsquelle des Ultraschallwandlers durch einen Benutzer manuell durchgeführt wird. Diese Einstellung wird in Wirklichkeit ein für allemal für jede zu verarbeitende Charge durchgeführt und wird folglich oft unangemessen, da sich der Term R insbesondere wegen der Haltbarkeit der Membran 14 oder der Druckänderung in der Verarbeitungskammer 10 verändert. Darüber hinaus wird die Einstellung durch den Benutzer in manchen Fällen durchgeführt, indem die Frequenz nicht kontinuierlich sondern unstetig, sozusagen in Stufen (in der Größenordnung von wenigen Hundert Hertz), verändert wird. Ein solches System ermöglicht deshalb keine präzise Einstellung der Frequenz der Spannungsquelle des Ultraschallwandlers. Die Folge davon ist offensichtlich, daß der Nutzen der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, die am Titanstab 13 bewirkt wird, nicht optimal ist, womit eine in der flüssigen Substanz erzeugte Blasenbeseitigung nicht zufriedenstellend ist.
  • Ein weiteres Problem liegt in der Leistungsanpassung der Spannungsquelle des Wandlers. Es ist tatsächlich wünschenswert, eine Zwischenanpassung der zum Wandler übertragenen Energie entsprechend den Betriebsbedingungen, nämlich Durchsatz, Temperatur oder Viskosität der Substanz ohne einen Eingriff seitens der Bedienperson vorzunehmen. Das ist notwendig, wenn die Vorrichtung nicht immer für die gleichen Substanzen aber für Substanzen verwendet wird, in denen sich bestimmte Parameter, insbesondere die Viskosität, ändern. Vom Standpunkt des Nutzeffektes ist es tatsächlich sehr nachteilig, die Einstellungen jedesmal wiederholen zu müssen, wenn die zu verarbeitende Substanz verändert ist.
  • Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, die in einer wässrigen Substanz vorhandenen Gasblasen mit Hilfe eines Ultraschallwandlers zu beseitigen, dessen Spannungsquelle den Betriebsparametern und ganz besonders den Eigenschaften der zu verarbeitenden Substanz automatisch angepaßt ist.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ohne die in herkömmlichen Einrichtungen bestehenden vorläufigen Verarbeitungsvorrichtungen auskommen zu können.
  • Andere Aufgaben werden in der folgenden Beschreibung eingehender deutlich.
  • Diese Aufgaben werden durch die Herstellung einer Vorrichtung gelöst, die es ermöglicht, die in einer flüssigen Substanz enthaltenen Gasblasen zu beseitigen, die wie im Anspruch 1 vorgesehen umfaßt:
  • - eine Kammer, die mit einer Einlaßöffnung versehen ist, durch welche die von Gasblasen zu befreiende Substanz eingeleitet wird, und eine Auslaßöffnung, durch welche die Substanz nach Beseitigung der Blasen abfließt;
  • - einen Ultraschallwandler, der in der Kammer ein Druckwechselfeld erzeugt; und
  • - eine Spannungsquelle zur Versorgung des Wandlers, wobei Frequenz und Leistung der Spannungsquelle gleichzeitig geregelt werden, um der natürlichen Resonanzfrequenz des Wandlers angepaßt zu werden, und die Frequenzsteuerung erfindungsgemäß auf einer Messung der Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung an den Anschlüssen des Ultraschallwandlers basiert.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Eigenschaft umfaßt die Vorrichtung auch ein Mittel, das es dem Benutzer ermöglicht, eine vorläufige Einstellung der Frequenz durchzuführen, wobei das Mittel dem Benutzer anzeigt, das die Voreinstellung ordnungsgemäß durchgeführt wurde.
  • Wiederum vorteilhaft ist, daß der Ultraschallwandler den Aufbau eines Langevinschen Tripletts aufweist.
  • Während der folgenden Beschreibung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen
  • Fig. 1 schematisch eine herkömmliche abwärtsführende Zuführung für fotografische Emulsion;
  • Fig. 2 die Vorrichtung zum Beseitigen von Gasblasen mit Ultraschall (ECR) als Einzelheit;
  • Fig. 3 eine Kurve, die den Strom an den Anschlüssen der ECR darstellt (die Kurve, die durch die Punkte d geht) und die Phasendifferenz zwischen dem Strom und der Spannung (die durch die Punkte + verlaufende Kurve) als Funktion der Frequenz;
  • Fig. 4 ein in Form von Blöcken zusammengefaßtes Schema eines Ausführungsbeispiels des Schaltkreises zur Regelung der Spannungsquelle für die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Nach der vorliegenden Erfindung besteht die Absicht darin, daß die Frequenz der ECR-Spannungsquelle jederzeit mit der natürlichen Resonanzfrequenz des dem Ultraschallwandler entsprechenden RLC-Schaltkreises übereinstimmen sollte, wobei die Resonanzfrequenz der Frequenz entspricht, für die die Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung an den Anschlüssen der ECR-Vorrichtung Null ist. Aus der in Fig. 3 dargestellten Kurve wird deutlich, daß es zwei Frequenzen gibt, für die die Phasendifferenz Null ist: eine Reihen-Resonanzfrequenz FS, bei welcher der Strom ein Maximum ist; eine Parallel-Resonanzfrequenz Fp, bei welcher der Strom ein Minimum ist. Aus Nutzensgründen wird natürlich der Zweck sein, sich für die Keinen-Resonanzfrequenz, sozusagen unter den Bedingungen zu entscheiden, wo der Innenwiderstand des Systems minimal ist.
  • Die entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendete ECR ist vom gleichen Typ wie die mit Bezug auf die Fig. 2 beschriebene und erfordert infolgedessen keine zusätzliche Beschreibung. Nur die Steuerung der ECR-Spannungsquelle wird Gegenstand einer ausführlichen Beschreibung sein.
  • Die Fig. 4, worauf jetzt Bezg genommen wird, zeigt in Form von Funktionsblöcken ein Ausführungsbeispiel des Schaltkreises zur Regelung von Frequenz und Spannung der Spannungsquelle 20 für die ECR 21. Die Regelung der Frequenz wird erzielt mit Hilfe eines PLL-Kreises, dessen Eingangsstufe 22 ein Schaltkreis ist, in dem die Signale geformt werden, die Spannung und Strom an den Anschlüssen der ECR darstellen. In dieser Stufe werden die Strom- und Spannungssignale als Rechtecksignal geformt. Diese Signale werden anschließend zu einem Phasenkomparator 23 übertragen, der eine Spannung erzeugt, die der Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom an den Anschlüssen der ECR proportional ist. Das vom Phasenkomparator 23 ankommende Signal wird dann mit Hilfe eines Integrationskreises 24 integriert. Wenn das System angefahren ist, gibt der Benutzer eine vorläufige Einstellfrequenz 25 ein. Während dieser vorläufigen Einstellung wird das aus dem Integrationskreis kommende Signal zu einem Fensterkomparator 26 übertragen, der das an ihn geschickte Signal mit zwei vorgegebenen Stufen vergleicht, die der oberen Grenze und der unteren Grenze der gewünschten vorläufigen Einstellung entsprechen. Wenn der Wert des Eingangssignals zwischen diesen beiden Stufen liegt, informiert eine Anzeigevorrichtung, zum Beispiel eine visuelle Anzeige vom Typ der Lumineszenzdiode 27 den Benutzer, daß die vorläufige Einstellung ordnungsgemäß durchgeführt wurde.
  • Diese vorläufige Einstellung wird vorteilhafterweise durch einen automatischen und stetigen Einstellvorgang ersetzt. Zu diesem Zweck wird das Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem Strom und der Spannung an den Anschlüssen gemessen. In Abhängigkeit vom Vorzeichen dieser Phasendifferenz wird eine Zähleinrichtung dazugegeben oder weggenommen. Diese Zähleinrichtung steuert einen DIA-Wandler (DAC), der seinerseits eine Einstellspannung erzeugt. Diese Spannung, die kontinuierlich selbst eingestellt wird, ersetzt die vorläufige Einstellspannung, wird vom Benutzer in das oben erwähnte Ausführungsbeispiel eingegeben, wobei die Zähleinrichtung dazugegeben oder weggenommen wird, bis die Phasendifferenz innerhalb eines vorgegebenen Bereiches sei, der durch die beiden vorbestimmten Stufen definiert ist. Ein solches Korrektursystem des integralen Typs ermöglicht es jederzeit, eine beliebige Verschiebung der Resonanzfrequenz zu korrigieren, was auch immer der Ursprung dieser Verschiebung ist (Tº, Abnutzung des ECR-Horns). Darüber hinaus kann diese Zähleinrichtung zurückgestellt werden, wenn die Amplitudendifferenz zwischen den Strom- und Spannungssignalen größer als ein gegebener Wert ist.
  • Eine Differenz, die größer ist als dieser Wert, würde in der Tat bedeuten, daß diese Regelschleife hinsichtlich einer Frequenz gesperrt ist, für die der Nutzeffekt nicht maximal ist. Als Beispiel könnte eine deutliche Frequenzänderung in der Verarbeitungskammer das Sperren der Regelschleife hinsichtlich der Parallel-Resonanzfrequenz bewirken, für die der Nutzeffekt minimal ist. Das Zurückstellen dieser Zähleinrichtung ermöglicht wiederum, die Regelschleife hinsichtlich der Reihen-Resonanzfrequenz zu sperren, für die der Nutzeffekt maximal ist.
  • Nach dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel variiert die vom Integrierkreis 24 kommende Spannung tatsächlich zwischen 0 Volt für x Grad negativer Phasendifferenz und 15 Volt für x Grad positiver Phasendifferenz. Dieses Signal wird an eine wieder auf 0 Volt ausrichtende Phasenverschiebungseinrichtung 28 übertragen. Das Signal variiert anschließend zwischen - 7,5 V und + 7,5 V. Dieses Signal wird dann zu der vorläufigen Einstellspannung aufaddiert, die durch den Benutzer zugeführt wird, oder mit Hilfe einer Addiervorrichtung 29 zu der durch den D/A- Wandler kontinuierlich selbst eingestellten Spannung. Die resultierende Spannung speist einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 30, der beim Ansprechen eine Frequenz zwischen 38 und 43 kHz erzeugt. Diese Frequenz speist durch eine Ausgangsstufe 31 den Leistungsteil der Spannungsquelle 20.
  • Somit paßt sich die Spannungsquelle nach Durchführung der erforderlichen vorläufigen Einstellung automatisch in der Frequenz gemäß den Betriebsparmatern des Systems an und das in kontinuierlicher Weise.
  • Nach dieser Beschreibung der Frequenzregulierstufe wird jetzt die Leistungsregulierstufe beschrieben. Der Benutzer gibt eine Leistungsfrequenzeingabe 32 ein, und diese Bezugseingabe wird beim Bezugszeichen 33 mit der Leistung verglichen, die tatsächlich durch die Spannungsquelle 20 der ECR zugeführt wird. Die tatsächlich durch die Spannungsquelle gelieferte Leistung wird zum Beispiel mit Hilfe einer Wattmeter-Schaltplatte gemessen. Die sich ergebende Spannung speist einen Leistungs-Variator 34 vom Typ eines Dämpfungsschalters, der selbst die Leistungsstufe der Spannungsquelle 20 speist, um diese Fehlerspannung ständig auszugleichen. Dieser Regelkreis ermöglicht, die Spannungsquelle bezüglich der Leistug anzupassen, was immer die Eigenschaften (Viskosität, Temperatur) der zu verarbeitenden Substanz sind.
  • Eine solche gleichzeitige Regelung sowohl der Frequenz als auch der Leistung macht es möglich, die Verwendung von zusätzlichen, zuvor erwähnten Vorrichtungen zum Beseitigen von Gasblasen zu vermeiden, was somit die Kosten der Ausrüstung und ihrer Wartung beschränkt. Eine derartige Vereinfachung führt ebenfalls zu einer Reduzierung von Druckverlusten.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Beseitigen von Gasblasen aus einer flüssigen Substanz, mit
- einer Kammer (10), die eine Einlaßöffnung (11) aufweist, durch welche die von Gasblasen zu befreiende flüssige Substanz eingeleitet wird, und eine Auslaßöffnung (12), durch welche die Substanz nach Beseitigung der Blasen abfließt;
- einem Ultraschallwandler (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20), der in der Kammer ein Druckwechselfeld erzeugt; und
- einer Spannungsquelle (21) zur Versorgung des Wandlers, die bezüglich Frequenz und Leistung an die natürliche Resonanzfrequenz des Wandlers in der flüssigen Substanz angepaßt ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
- Mittel für die Frequenzsteuerung auf der Grundlage einer Messung der Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung an den Anschlüssen des Ultraschallwandlers vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch eine Einrichtung (25) vorgesehen ist, die es dem Benutzer ermöglicht, eine vorläufige Einstellung der Frequenz vorzunehmen, wobei das Mittel (27) dem Benutzer anzeigt, daß die Voreinstellung ordnungsgemäß durchgeführt wurde.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigemittel eine Leuchtdiode (27) aufweist, die durch einen Fensterkomparator (26) gesteuert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Komponenten:
- ein Mittel zum Messen des Vorzeichens der Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung an den Anschlüssen des Ultraschallwandlers; und
- ein Mittei zum Erhöhen oder Verringern eines Zählerstandes in Abhängigkeit von dem Vorzeichen, bis die Phasendifferenz innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, wobei der Zähler einen DIA-Wandler steuert, der wiederum eine entsprechende Einstellspannung liefert, die zu einer Spannung addiert wird, welche die Phasendifferenz kennzeichnet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Komponente:
- ein Mittel zum Rückstellen des Zählers immer dann, wenn die Amplitudendifferenz zwischen dem Strom- und dem Spannungssignal einen vorgegebenen Wert übersteigt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Versorgungsspannung zwischen 38 und 43 kHz variiert.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (10) aus rostfreiem Stahl besteht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Substanz eine fotografische Emulsion ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler einen Aufbau nach Art des Langevinschen Tripletts aufweist.
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