DE8518975U1

DE8518975U1 - Vorrichtung zur Optimierung des Zerstäubungsverhaltens eines piezoelektrischen Ultraschall-Koppelschwingers

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Publication number: DE8518975U1
Application number: DE8518975U
Authority: DE
Original assignee: Gaessler Herbert Dipl-Ing 7909 Dornstadt De
Current assignee: Gaessler Herbert Dipl-Ing 7909 Dornstadt De
Priority date: 1985-06-29
Filing date: 1985-06-29
Publication date: 1988-12-15
Also published as: DE3523389A1

Description

Hefbert Gassier

Rotweg 4

7909 Dornstadt-Bollingen

Vorrichtung zur Optimierung des Zerstäubüiigsvefhäifcens eines piezoelektrischen Ultraschall-Koppelschwingers

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Optimierung des Zerstäubungsverhaltens eines piezoelektrischen Ultraschäll-Koppelschwingers zur Flüssigkeitszerstäubung, der aus einem durch Piezoscheiben anregbaren Schwingergründkörper und einem mit dem Schwingergrundkörper verbundenen Zerstäuberteller besteht.

Bei den bekannten Ultraschall-Koppelschwingern nach Lierke und Pohlmann wird die Betriebsresonanzfrequenz des Wandlers durch das Zusammenwirken zweier Grundfrequenzen des schwingungsfähigen Systems gebildet. Die Lamda/2-Longitudinal—Resonanzfrequenz des Schwingergrundkörpers ohne Zerstäubungsteller wirkt über die anregenden Piezoscheiben als Erregerfrequenz und der Teller mit seiner Lamda/ 4—Biegeresonanzfrequenz wird in einer erzwungenen Schwingung betrieben (siehe Erläuterungsskizze). Diese zwei Fre-

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qUenzen sind beim fertigen Koppelschwinger nicht einzeln meßbar, sie sind zu einer einzigen, zwischen diesen Frequenzen liegenden Gesamtresonanzfrequenz verschmolzen, welche als Betriebsresonanzfrequenz des Wandlers vorhanden ist. Eine optimale Tellerschwingungsamplitude, welche zur Zerstäubung notwendig ist, scheint bei oberflächlicher Betrachtung dann erreicht zu sein, wenn die Grundlongitudinalresonanz mit der Tellerresonanz übereinstimmt. Dies führt aber nachweislich zu einem totalen Verschwinden der gewünschten Wandlerresonanz. Der Grund hierfür ist, daß eine beliebige Näherung der Grundlongitudinalfrequenz an die Tellerresonanz nicht möglich ist, weil der Teller wegen des Zerstäubungsverhaltens und der Schnelleverteilung auf dem Teller in der Nähe der Lamda/4-Biegeresonanz betrieben werden muß. Physikalisch bedeutet dies, daß die Lamda/2-Grundlongitudinalfrequenz des Schwingergrundkörpers ein Schnellemaximum am Schwingerende bedingt, also an der Stelle, an der der Teller angebracht ist, während der Teller in Lamda/4-Resonanz ein Schnelleminimum in der Tellermitte, also an der gleichen Stelle, erfordern würde. Diese beiden Forderungen widersprechen sich grundsätzlich, insbesondere auch deshalb, weil zwischen diesen beiden schwingungsfähigen Systemen eine feste Kopplung besteht-Die Tellerbiegeresonanz bedämpft die Grundlongitudinalresonanz so, daß im Extremfall einer kritischen Abstimmung

des Wandlers die erwünschte Wandlerresonanz, gebildet aus deft beiden oben genannten Grundfesonahzen _t total verschwindet bzw. sich sprunghaft verschiebt.

Andererseits ist aber insbesondere für die Zerstäubung von hochviskosen Flüssigkeiten, oder für die Zerstäubung von Flüssigkeiten über weite Temperaturbereiche insbesondere bei sehr tiefen Temperaturen, eine große Amplitude des Zerstäubungstellers nötig. Da der Teller in einer erzwungenen Schwingung betrieben wird, ist bei größerem Unterschied zwischen Erregerfrequenz (Wandlerresonanzfrequenz) und Resonatorfrequenz (Tellerresonanzfrequenz) zur Erzeugung einer genügend großen Telleramplitude eine große Erregeramplitude, d. h. bei diesem Schwingertypus eine große Schnelletransformation durch große Ouerschnittsänderungen des Wandlers bzw. ein großer Leistungsaufwand zur Erzeugung der großen Schnelleamplituden nötig. Es ist bisher nur schlecht gelungen, auf diese Art ein Optimum an Zerstäubungsverhalten zu erzeugen.

Möglichst große Telleramplituden sind andererseits auch über eine definierte Annäherung der Wandlerresonanz an die Tellerresonanz, möglich. Da die beiden an der Wandlerresonanz beteiligten "Grundresonanzfrequenzen" von verschiedenen Faktoren der Schwingergeometrie sowie von der

Massenverteilung im Schwinger und selbstverständlich auch von den Schallgeschwindigkeiten der verwendeten Materia— lien abhängen, dazuhin für die Schnellamplituden die Ladungskonstante der Piezoscheiben zusätzlich verantwortlich ist, ist eine sorgfältige Diraensionierung des Wandlers nötig, um nicht, wie oben beschrieben, durch überkritische Abstimmung den Wandler unbrauchbar zu machen.

Von den mechanischen Abmessungen her oder von den Material— konstanten der verwendeten Metalle gibt es keine Schwierigkeiten, die Toleranzen sind sehr eng. Aus produktionstechnischen Gründen sind aber die verwendeten Piezoscheiben bezüglich einiger wesentlicher Parameter, vor allen Dingen der Schallgeschwindigkeit und der piezoelektrischen Ladungskonstanten, relativ großen Toleranzen unterworfen, zudem ändern sich diese Parameter mit der Zeit. Da aber gerade die Schallgeschwindigkeit der Scheiben im Verhältnis der Dicke der Scheiben zur Gesamtlänge des Wandlers in die Grundlongitudinalresonanzfrequenz und damit in die Wandlerresonanz eingeht und sich dadurch auf die Telleramplituden auswirkt, ist eine Abstimmung des Wandlers notwendig, wenn man obigen Effekt der Erhöhung der Telleramplituden durch gezielte Annäherung der Wandlerresonanz an die Tellerreso/ianz, ohne ein Versagen des Wandlers zu provozieren, auszutzen will. Die Tellerresönanzfrequenz

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läßt sich nach der Herstellung nur noch durch spanabhebende Bearbeitung in einer Richtung ändern, eine solche "Abstimmung" scheidet, da sie irreversibel und einseitig ist, von vorneherein aus.

Eine Selektion der Piezoscheiben nach Schallgeschwindigkeit und Ladungskonstante und eine Anpassung der geometrischen Abmessungen (Drehmaße) der Wandler bei der Fertigung an diese Scheiben ist aus Kostengründen für große Stückzahlen undenkbar, weil sie eine ständige Umstellung der Drehmaschine erforderlich machen würde. I

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Funktion des Ultraschall-Koppelschwingers der eingangs erwähnten Art zu verbessern und vor allem zu verhindern, daß aufgrund einer überkritischen Abstimmung, die insbesondere durch die unvermeidlichen Toleranzen der Piezoscheiben bezüglich Schallgeschwindigkeit und Ladungskonstante eintreten kann, die gewünschte Eigenfrequenz des Wandlers ganz verschwindet.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahme gemäß Anspruch 1 gelöst. Durch die reversiblen Veränderungen der Länge, der Masse oder der Masseverteilung des Schwingergrundkörpers wifd auch die Grundlongitudinalfrequenz des Schwingergrund-

körpers und damit verbunden auch die Schwingamplitude des Zerstäubertellers verändert. Auf diese Weise erhält man einen abstimrabaren Wandler, mit dem der nachteilige Einfluß der unvermeidbaren Toleranzen der Piezoscheiben &ldquor; insbesondere hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit und der Ladungskonstante, auf die Zerstäubungseigenschaften ausgeglichen werden kann. Insbesondere bei der Zerstäubung hochviskoser Flüssigkeiten oder bei tiefen Betriebstemperaturen wird mit der erfindungsgemäßen Abstimmung des Schwingergrundkörpers eine Optimierung des Zerstäubungsverhaltens des Wandlers erzielt.

Vorteilhafte Aus Gestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, die mehrere Ausführungsbeispiele darstellt, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des piezoelektrischen Ultraschall-Koppelschwingers mit einer Zwischenscheibe zur Längenänderung,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Ultraschäll-Koppelschwingers nach Fig. 1,

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Fig. 3 eine scheraatische Seitenansicht einer weiteren Ausfiihrungsform des Ultraschall-Koppelschwingers mit einer verschiebbaren Masse zur Änderung der Masseverteilung,

Fig. 4 eine andere Ausf iihrungsf orm des Ultra— schall-Koppelschwingers nach Fig. 3 vnd

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des Ultra— schall-Koppelschwingers nach Fig. 3

\ Die schematische Zeichnung zeigt in vereinfachter Dar-

K stellung den prinzipiellen Aufbau eines Ultraschall-Kop-

pelschwingers, der aus einem Schwingergrundkörper 1 und einem Zerstäuberteller 2 besteht. Der Zerstäuberteller ist an der Stirnseite eines Schafts 3 angeordnet, der mit dem Schwingergrundkörper 1 verbunden ist. Im Schwingergrundkörper 1 sind zwei Piezoscheiben 4 angeordnet, die den Schwingergrundkörper 1 und den Zerstäuberteller 2 bei Zuführung elektrischer Energie in Sihwingungen versetzen, wobei die Schwingungen des Zerstäubertellers 2 vom Schwingergrundkörper 1 angeregt werden. Durch einen Kanal 5 im Schaft 3 wird dem Zerstäuberteller 2 die zu zerstäubende Flüssigkeit zugeführt.

Bei der Ausführung nach Fig _&eacgr; 1 ist im Schwingergrund-

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körper 1 zusätzlich zu den Piezöscheiben 4 eine weitere Zwischenscheibe 6 angeordnet, durch die die Länge des Schwingergrundkörpers 1 und damit seine Grundlongitudinalfrequenz veränderbar ist. Diese Veränderung der Grundlongitudinalfrequenz ist erforderlich, um das durch unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten oder Ladungskonstanten der Piezöscheiben 4 geänderte Schwingungsverhalten, das sich auf die Funktion des Zerstäubertellers 2 nachteilig auswirken kann, wieder auszugleichen. Die mit unterschiedlichen elektromechanischen Eigenschaften anfallenden Piezöscheiben 4 werden bezüglich der Schallgeschwindigkeit und der Ladungskonstanten selektiert und in Gruppen mit gleicher oder geringfügig abweichender Qualität zusammengefaßt. Um eine bestimmte, optimale Schwingungsamplitude des Zerstäubertellers 2 zu erhalten, werden die Zwischenscheiben 6 in ihrer Dicke passend zu den selektierten Piezöscheiben 4 ausgewählt und in den Schwingergrundkörper 1 eingebaut. Es können auch mehrere Zwischenscheiben gleicher oder unterschiedlicher Dicke für den Einbau verwendet werden. In gleicher Weise kann auch die zwischen den Piezöscheiben 4 liegende Zwischenelektrode 7 mit unterschiedlicher Dicke für den Einbau vorgesehen werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der den Zerstäuberteller 2 tragende Schaft 3 in einer Gewindebohrung 8

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eine Änderung der Masseverteilung und damit auch eine Änderung der Grundlongitudinalfrequenz des Schwingergrundkörpers 1 erreicht. Es können mehrere Massen 10 unterschiedlicher Größe zur Auswahl für den Einbau vorgesehen werden.

Eine ähnliche Ausführung ist in Fig. 4 dargestellt. Am Schwingergrundkörper 1 ist ein sich in Längsrichtung erstreckender Gewindebolzen 12 mit aufgeschraubter Masse 10 und Klemmschraube 11 befestigt. Durch Ein- und Ausschrauben der Masse 10 kann die Masseverteilung des Schwingergrundkörpers 1 verändert werden.

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des Schwingergrundkörpers 1 angeordnet» Da sich die Gewindebohfung 8 in der Längsrichtung des Schwingergrund-' körpers 1 erstreckt, kann dessen Länge und damit seine Grundlongitudinalfrequenz durch Ein- und Ausschrauben des Schaftes 3 verändert werden. Mit Hilfe einer Kontermutter 9 ist der Schaft 3 in der gewünschten Position fixierbar.

Die Fig. 3 zeigt den Ultraschall-Koppelschwinger mit einer I Masse 10, die auf dem Schaft 3 in Längsrichtung des Schwingergrundkörpers 1 verschiebbar ist. Mit einer Klemmschraube 11 kann die Masse 10 in der gewünschten Position fixiert werden. Durch die Verschiebung der Masse 10 wird

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Die Fig* 5 zeigt den Ultfaschall-Koppelschwinger mit einer Abstimmschraube 13 ^ die in einer Gewindebolirung 14 des Schwinger grundköf per s 1 angeordnet ist. Durch Exil- und Ausschrauben der Abstimmschraube 13 wird eine Feinabstimmung des Schwingungsverhaltens erreicht.

Eine weitere Möglichkeit zur Optimierung des Zerstäubungsverhaltens besteht darin, daß die Piezoscheiben 4 relativ zur Wandlerlänge möglichst dünn gewählt werden^ damit die Toleranzen der Piezoscheiben bezüglich der Schallgeschwindigkeit möglichst wenig Einfluß auf die Wandlerresonanz und damit auf die Telleramplitude haben.

Die Wirkungsweise des Ultraschall-Koppelschwingers gemäß der Erfindung ist wie folgt.

Der Ultraschall-Koppelschwinger zur Flüssigkeitszerstäubung ist ein schwingungsfähiges Gebilde mit einer mechanischen Eigenfrequenz. Diese Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz setzt sich aus zwei Grundfrequenzen zusammen, der Grundlongitudinalfrequenz des Schwingergrundkörpers 1 ohne Zerstäuberteller 2 (Länge des Körpers ungefähr gleich halber Wellenlänge) und der Biegeresonanzfrequenz des Zerstäubertellers 2 (Tellerradius ungefähr gleich ein Viertel der Wellenlänge). Zur Zerstäubung benötigt man eine

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ausreichende Schwingamplitude des ZefStäubertellers« Die Amplitude des Zerstäubertellers hängt von der Amplitude der Grundlongitudinalschwingung (hier als Erregerfrequenz wirkend), dem Abstand der Tillerresonanzfrequenz zur Eigenfrequenz des Wandlers (Resonanzerscheinung) , der

I Schnelletransformation im Wandler und sonstigen mechani"·

Lehen Eigenschaften des Zerstäubertellers 2 ab. Eine zu starke Näherung der Zerstäuber-Eigenfrequenz an die Tellerresonanz ist aus physikalischen Gründen nicht möglich, weil die Grundlongitudinalschwingung am Schwingerende ein Schnßlleraaximüm, der Teller aber an der gleichen

I Stelle ein Schnelleminimura hat. Eine zu starke Näherung

1 der beiden Frequenzen läßt die Eigenfrequenz des Wandlers

I verschwinden.

I Die unvermeidlichen Toleranzen der die Schwingung an-

&idiagr; regenden Piezoscheiben 4 bezüglich der Schallgeschwindigkeit und der piezoelektrischen Ladungskonstanten wirken sich auf die Eigenfrequenz des Wandlers direkt aus. Es treten damit bei der Fertigung der Wandler je nach Streu- % ung der Piezoscheiben 4 starke Unterschiede in der Zer-

f stäubungsqualität der Wandler auf, unter Umständen sind

I die Wandler sogar unbrauchbar. Abhilfe kann nur durch ge-

§ zielte Kompensation der Scheibentoleranzen über einen ab-

I stimmbaren Wandler erfolgen.

Nach der mechanischen, spanabhebenden Fertigung des Schwingergrundkörpers 1 ist die Resonanz des Zerstäubertellers 2 bereits festgelegt, kann also nicht mehr beeinflußt werden (außer durch weitere spanabhebende Bearbeitung). Die Grundlongitudinalfrequenz des Schwingergrundkörpers 1 kann aber mit Hilfe einer Längenänderung oder einer Änderung der Massenverteilung beeinflußt werden. Wenn man nun die Eigenfrequenz des Wandlers gezielt der Tellerresonanz nähern kann, können die Einflüsse der Piezoscheiben 4 kompensiert werden und es kann dadurch die gewünschte Telleramplitude eingestellt werden.

Die vom Hersteller gelieferten Piezoscheiben 4 müssen, da sie sich in ihrer Schallgeschwindigkeit und ihren Ladungskonstanten unterscheiden, entweder vermessen werden oder vom Hersteller hinsichtlich dieser Parameter spezifiziert sein. Nach diesen gemessenen oder angegebenen Größen von Schallgeschwindigkeit und Ladungskonstante werden die am Schwinger vorzunehmenden Änderungen festgelegt. Danach kann die Endfertigung der Schwinger beginnen.

Selbstverständlich ist mit den Abstimmethoden nach Fig. 2, 3, 4 und 5 auch eine Abstimmung nach endgültiger Fertigstellung des Schwingers möglich.

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Eine vorherige Festlegung der Änderungen wird aber rationeller sein, da die Piezoscheiben aus einer Herstellercharge nur sehr wenig streuen, d. h., die Änderungen am
Schwinger für eine Anzahl von Scheiben aus einer Her—
Stellercharge immer die gleichen sind, solange bestimmte
mechanische Toleranzen des Schwingers eingehalten werden. i,

Mit diesen Abstimmethoden lassen sich selbstverständlich

auch Schwinger für sehr spezielle Aufgaben herstellen. i

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Claims

ft · * • - - r • · Herbert Gassier Rotweg 4 Dornstadt-Bollingen Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Abstimmung und Optimierung eines piezoelektrischen Ultraschall-Koppelschwinf'ers zur Flüssigkeitszerstäubung, der aus einem durch Piezoscheiben anregbaren Schwingergrundkörper und einem mit dem Schwingergrundkörper verbundenen Zerstäuberteller besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen, die Masse oder die Masseverteilung des Schwingergrundkörpers (1) durch die Anordnung verstellbarer und/oder austauschbarer Teile (5, 7, 10, 13) am Schwingergrundkörper (1) nach seiner Fertigung reversibel veränderbar sind.

2i Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Schv/ingergrundkörpers (1) veränderbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Piezoscheiben (4) eine oder mehrere Zwischenscheiben (6) in den Schwingergrund-

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körper (1) einbaubar sind.

4&ldquor; Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zwischenscheiben (6) oder Zwischenelektroden (7) unterschiedlicher Dicke zur Auswahl vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenscheiben (6) oder die Zwischenelektrode (7) in ihrer Dicke passend zu den nach Gruppen bezüglich der Schallgeschwindigkeit und der Ladungskonstanten selektierten Piezoscheiben (4) ausgewählt werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, daaurcn gekennzeichnet, daß der Schaft (3) des Zerstäubertellers (2) in einer Gewindebohrung (8) des Schwingergrundkörpers (1) längsverstellbar und feststellbar angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schaft (3) des Zerstäubertellers (2) eine Masse (10) längsverschiebbar und feststellbar angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Masse (10) auf einem Gewindebolzen (12) des Schwingergründkörpers (1) längsvefschiebbar und feststellbar angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Gewindebohrung (14) des Schwingergrundkörpers (1) parallel zu seiner Längsachse eine Abstimmschraube (13) angeordnet ist.

10. Vorrichtung zur Optimierung de." Zerstäubungsverhaltens eines piezoelektrischen Ultraschall-Koppelschwingers zur Flüssigkeitszerstäubung, der aus einem durch Piezoscheiben anregbaren Schwingergrundkörper und einem mit dem Schwingergrundkörper verbundenen Zerstäuberteller besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Piezoscheiben (4) relativ zur Länge des Ultraschall-Koppelschwingers möglichst gering ist.