EP0342446A2 - Ultraschall-Vorrichtung - Google Patents

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EP0342446A2
EP0342446A2 EP89108097A EP89108097A EP0342446A2 EP 0342446 A2 EP0342446 A2 EP 0342446A2 EP 89108097 A EP89108097 A EP 89108097A EP 89108097 A EP89108097 A EP 89108097A EP 0342446 A2 EP0342446 A2 EP 0342446A2
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EP
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sound
liquid
retaining ring
ultrasonic
emitting
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Martin Walter
Dieter Weber
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Martin Walter Ultraschalltechnik GmbH
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Martin Walter Ultraschalltechnik GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency

Definitions

  • the invention relates to a device for introducing ultrasonic vibrations into a liquid by means of ultrasonic vibrators, which are arranged on the bottom (of the wall) of a liquid container and, as a lambda / 2 vibrator, consist of two piezoelectric plates oscillating in push-pull, one of which are connected on the one hand with a sound-emitting cone and on the other hand with a counterweight.
  • Devices of this type are required in particular for ultrasonic cleaning, the high tensile and compressive forces occurring in an ultrasound-excited liquid bath, in particular the mechanism of cavitation, effecting very good cleaning of the immersed workpieces.
  • the introduction of the ultrasonic vibrations is effected in known devices of this type in that the ultrasonic vibrators are glued with their sound-emitting cone onto a wall or the bottom of such a liquid container and thereby set this wall or the bottom into vibrations which in turn apply these vibrations the liquid passes on.
  • Such cleaning baths have proven particularly useful for workpieces of complex shapes, but are also used with advantage in precision mechanical units.
  • the workpieces to be cleaned or the workpieces on which the ultrasonic vibrations are supposed to act are only exposed to these ultrasonic vibrations for a short period of time.
  • the cavitation effect can therefore be metered through this period.
  • this does not apply to the wall of the liquid container, which is constantly exposed to cavitation.
  • This leads to "cavitation pitting", which leads to the container wall becoming leaky after some time.
  • the cavitation pitting is of course particularly noticeable on the wall on which the ultrasound transmitter is attached.
  • This wall acts as a sound-transmitting membrane, so it must transmit all the forces that ultimately lead to cavitation.
  • moisture reaches the ultrasound transducers glued to the wall, which loosens these ultrasound transducers and thus destroys the system.
  • a thicker membrane which would delay this cavitation pitting, cannot be used, since with the thickness of the membrane, the sound output or the efficiency of the entire device decreases significantly.
  • the object of the invention is to provide a device which avoids this cavitation pitting on the liquid container walls or the membrane. This is achieved in the manner according to the invention in that the ultrasonic vibrators are held by means of a retaining ring which is connected near the piezoelectric plate to the sound-emitting cone and that they are held by means of this retaining ring are inserted into the liquid container directly or via a sleeve surrounding the counterweight.
  • the ultrasonic transmitters with their sound-emitting cone glued to a wall, the membrane, of the liquid container, but they are inserted into the liquid container so that the sound-emitting cone protrudes directly into the liquid.
  • the cavitation that then naturally occurs will now not remove the membrane or the wall of the liquid container, but the sound-emitting cone.
  • the sound-emitting cone is made of solid metal, so that the abrasion caused by the cavitation on the sound-emitting cone is negligible in practice.
  • This special mounting of the ultrasound transmitter is possible in that an oscillation node is formed in the piezoelectric plates with the oscillation amplitude zero; the maximum vibration amplitude results from the front surface of the sound-emitting cone.
  • the retaining ring is attached to the base of the sound-emitting cone, where it lies against the piezoelectric plate, then this retaining ring is still close to the node, i.e. at a point where the sound-emitting cone is only with ge ringer vibration amplitude vibrates. This retaining ring is thereby also caused to vibrate, but with a very slight amplitude, so that there is hardly any fear of cavitation. However, the desired sound transmission to the liquid is practically not impaired, since this now takes place directly via the sound-emitting cone.
  • the sound-emitting cone is made of corrosion-resistant material.
  • the ultrasonic transducer can be inserted in the manner according to the invention in that the sound-emitting cone, as prescribed by the invention, is inserted near the piezoelectric plate into the container wall, which then serves as a "holder", or is welded to the container wall at this point.
  • a retaining ring that has already been welded to the sound-emitting cone can also be welded into the container wall, as part of this wall.
  • the retaining ring can also be made in one piece with the sound-emitting cone.
  • the counterweight is surrounded by a sleeve which can be closed by a bottom on the underside except for an opening for the transducer feed lines.
  • This provides a device that can be screwed onto the inner wall of the liquid container by a screw connection that seals at the bottom, so that the entire ultrasonic oscillator is sealed in the liquid and can act directly on the liquid.
  • This device also has the advantage that if one of the ultrasonic transducers fails, this transducer can be easily replaced.
  • Encapsulating the entire ultrasonic transducer has yet another advantage. It is now possible to let the sound-emitting cones protrude into the liquid container to different extents, thereby preventing standing waves from forming in the liquid. This is particularly the case if, according to a further feature of the invention, the end faces of the sound-emitting cones are each immersed in the liquid with a difference of lambda / 4. "Dead zones" that are not exposed to sound are definitely avoided in this way.
  • a retaining ring (7) is screwed onto the sound-emitting cone (5), which is used to insert the ultrasonic vibrator into a liquid container.
  • This retaining ring can be welded into the ultrasonic container or otherwise attached to it so that the sound-emitting cone (5) protrudes into the liquid.
  • Fig. 2 shows the same transducer inserted in a sleeve (8).
  • the same fastening of the sound-emitting cone (5) can be found by means of a comprehensive retaining ring (17), which in this illustration is integrally connected to the bushing (8).
  • the bushing (8) encloses the entire remaining part of the ultrasonic vibrator and is closed on the underside by a base (9) with a screw connection (10).
  • the screw connection (10) not only feeds the leads to the ultrasonic vibrator, it also fixes the entire ultrasonic vibrator to the inside of the container with the interposition of a seal.
  • the transducer can also be easily replaced.

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Abstract

Zum Einleiten von Ultraschallschwingungen in eine in einem Behälter untergebrachte Flüssigkeit werden Ultraschallschwinger auf die als Membrane dienende Wandung außen angeklebt. Durch Kavitationslochfraß wird diese Wandung undicht, was zur Zerstörung der gesamten Einrichtung führt. Um dem vorzubeugen wird vorgeschlagen, nahe des Schwingungs-Knotenpunktes am Ultraschallschwinger (1, 2) einen Haltering (7) anzubringen, der das Einfügen in den Behälter erlaubt, so daß der Ultraschallschwinger (1, 2) mit seinem schallabstrahlenden Kegel (5) unmittelbar auf die Flüssigkeit einwirkt, wobei zur vollständigen Beschallung der Flüssigkeit die Stirnflächen der schallabstrahlenden Kegel im Abstand von lambda/4 in die Flüssigkeit eintauchen können.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einleiten von Ultraschallschwingungen in eine Flüssigkeit mit­tels Ultraschallschwingern, die am Boden (der Wan­dung) eines Flüssigkeitsbehälters angeordnet sind und als lambda/2-Schwinger aus zwei im Gegentakt schwin­genden piezoelektrischen Platten bestehen, die einer­ seits mit einem schallabstrahlenden Kegel und anderer­seits mit einem Gegengewicht verbunden sind.
  • Derartige Vorrichtungen werden insbesondere bei der Ultraschallreinigung benötigt, wobei die in einem ultraschallerregten Flüssigkeitsbad auftretenden ho­hen Zug- und Druckkräfte, insbesondere der Mechanis­mus der Kavitation, eine sehr gute Reinigung der ein­getauchten Werkstücke bewirken. Das Einleiten der Ultraschallschwingungen wird bei bekannten Vorrichtun­gen dieser Art dadurch bewirkt, daß die Ultraschall­schwinger mit ihrem schallabstrahlenden Kegel auf eine Wandung beziehungsweise den Boden eines solchen Flüssigkeitsbehälters aufgeklebt werden und dadurch diese Wandung beziehungsweise den Boden in Schwingun­gen versetzen, die (der) wiederum diese Schwingungen an die Flüssigkeit weitergibt. Derartige Reinigungs­bäder haben sich insbesondere für kompliziert ge­formte Werkstücke bewährt, werden jedoch auch mit Vorteil bei feinmechanischen Aggregaten angewendet.
  • Die zu reinigenden Werkstücke beziehungsweise die Werkstücke, auf die die Ultraschallschwingungen ein­wirken sollen, werden hierbei nur eine kurze Zeit­dauer diesen Ultraschallschwingungen ausgesetzt. Die Kavitationswirkung ist daher durch diese Zeitdauer dosierbar. Dies trifft jedoch nicht für die Wandung des Flüssigkeitsbehälters zu, die steter Kavitations­wirkung ausgesetzt ist. Hierdurch kommt es zu einem "Kavitationslochfraß", der dazu führt, daß nach eini­ger Zeit die Behälterwandung undicht wird. Der Kavita­tionslochfraß macht sich selbstverständlich insbeson­dere an der Wandung bemerkbar, an der der Ultraschall­geber aufgesetzt ist. Diese Wandung wirkt als schall­übertragende Membrane, muß also die gesamten Kräfte, die letztendlich auch zu der Kavitation führen, über­tragen. Wird diese Membrane jedoch undicht, gelangt Feuchtigkeit zu den auf die Wandung aufgeklebten Ultraschallgebern, womit ein Lösen dieser Ultraschall­schwinger und damit eine Zerstörung der Anlage verbun­den ist. Eine dickere Membrane, die diesen Kavita­tionslochfraß hinauszögern würde, ist nicht einsetz­bar, da mit der Dicke der Membrane die abgegebene Schalleistung beziehungsweise der Wirkungsgrad der gesamten Einrichtung deutlich zurückgeht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzuge­ben, die diesen Kaviationslochfraß an den Flüssig­keitsbehälter-Wandungen beziehungsweise der Membrane vermeidet. Erreicht wird dies in erfindungsgemäßer Weise dadurch, daß die Ultraschallschwinger mittels eines Halterings gehalten sind, der nahe der piezo­elektrischen Platte mit dem schallabstrahlenden Kegel verbunden ist und daß sie mittels dieses Halterings direkt oder über eine das Gegengewicht umgebenden Büchse in den Flüssigkeitsbehälter eingefügt sind.
  • Nicht mehr also wie bisher werden die Ultraschall­geber mit ihrem schallabstrahlenden Kegel auf eine Wandung, die Membrane, des Flüssigkeitsbehälters auf­geklebt, sondern sie werden so in den Flüssigkeits­behälter eingefügt, daß der schallabstrahlende Kegel direkt in die Flüssigkeit hineinragt. Die sich dann selbstverständlich auch einstellende Kavitation wird nunmehr nicht die Membrane beziehungsweise die Wan­dung des Flüssigkeitsbehälters abtragen, sondern den schallabstrahlenden Kegel. Der schallabstrahlende Kegel besteht jedoch aus massivem Metall, so daß der durch die Kavitation bewirkte Abtrag am schallabstrah­lenden Kegel in der Praxis vernachlässigbar ist. Mög­lich ist diese besondere Halterung des Ultraschall­gebers dadurch, daß sich bei den piezoelektrischen Platten ein Schwingungs-Knotenpunkt bildet mit der Schwingungsamplitude null; die maximale Schwingungs­amplitude ergibt sich an der Stirnfläche des schallab­strahlenden Kegels. Wird der Haltering, wie nach der Erfindung angegeben, am Fußpunkt des schallabstrahlen­den Kegels, dort wo er an der piezoelektrischen Platte anliegt, angebracht, so liegt dieser Haltering noch in der Nähe des Knotenpunktes, also an einer Stelle, wo der schallabstrahlende Kegel nur mit ge­ ringer Schwingungsamplitude schwingt. Dieser Halte­ring wird dadurch zwar auch noch zum Schwingen ange­regt, jedoch mit einer ganz geringfügigen Amplitude, so daß dort auch kaum Kaviationseinwirkungen zu be­fürchten sind. Die erwünschte Schallübertragung an die Flüssigkeit jedoch wird praktisch nicht beein­trächtigt, da diese nun direkt über den schallab­strahlenden Kegel erfolgt.
  • Da auf diesen schallabstrahlenden Kegel nicht nur die Kavitation einwirkt, sondern auch die möglicherweise in der Flüssigkeit vorhandenen korrodierenden Chemika­lien, wird nach der Erfindung weiterhin vorgeschla­gen, daß der schallabstrahlende Kegel aus korrosions­festem Material ist.
  • Eingefügt werden kann der Ultraschallgeber in erfin­dungsgemäßer Weise dadurch, daß der schallabstrah­lende Kegel, wie nach der Erfindung vorgeschrieben, nahe der piezoelektrischen Platte in die Behälterwan­dung, die dann als "Halterung" dient, eingefügt be­ziehungsweise an dieser Stelle mit der Behälterwan­dung verschweißt wird. Selbstverständlich kann auch ein bereits mit dem schallabstrahlenden Kegel ver­schweißter Haltering in die Behälterwandung, als Teil dieser Wandung, eingeschweißt werden. Hierbei kann auch der Haltering einstückig mit dem schallabstrah­lenden Kegel sein.
  • Die weitere Möglichkeit, die allerdings etwas raum­aufwendiger ist, ist durch die Erfindung dadurch gege­ben, daß das Gegengewicht von einer Büchse umgeben ist, die durch einen Boden unterseitig bis auf eine Öffnung für die Schwingerzuleitungen verschlossen werden kann. Dadurch ist eine Vorrichtung gegeben, die durch eine bodenseitig abdichtende Schraubverbin­dung auf die Innenwandung des Flüsigkeitsbehälters aufgeschraubt werden kann, wodurch also der gesamte Ultraschallschwinger sich abgedichtet in der Flüssig­keit befindet und unmittelbar auf die Flüssigkeit ein­wirken kann. Diese Vorrichtung hat zudem noch den Vorteil, daß bei Ausfall eines Ultraschallschwingers ein Austausch dieses Schwingers unschwer möglich ist..
  • Mit der Kapselung des gesamten Ultraschallgebers ist jedoch noch ein weiterer Vorteil verbunden. Es ist jetzt nämlich möglich, die in den Flüssigkeitsbehäl­ter hineinragenden schallabstrahlenden Kegel unter­schiedlich weit in den Flüssigkeitsbehälter hineinra­gen zu lassen, wodurch die Ausbildung stehender Wel­len in der Flüssigkeit vermieden wird. Dies insbeson­dere dann, wenn einem weiteren Erfindungsmerkmal nach die Stirnflächen der schallabstrahlenden Kegel je­weils mit einer Differenz von lambda/4 in die Flüssig­keit eintauchen. "Tote Zonen", die nicht beschallt werden, werden auf diese Art und Weise mit Sicherheit vermieden.
  • Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der er­findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigen:
    • Fig. 1 einen Ultraschallschwinger mit Haltering im Schnitt und
    • Fig. 2 einen Ultraschallschwinger mit Büchse.
  • Der Ultraschallgeber nach Fig. 1 besteht aus den bei­den im Gegentakt schwingenden piezoelektrischen Plat­ten (1, 2), zwischen denen eine Elektrode (3) als Spannungszuführung eingefügt ist. An die beiden piezo­elektrischen Platten (1, 2) schließen sich einerseits ein Gegengewicht (4) und andererseits ein schallab­strahlender Kegel (5) an. Mittels einer Schraube (6) sind alle diese Teile zusammengehalten.
  • Nahe der Auflagefläche des schallabstrahlenden Kegels (5) an die piezoelektrische Platte (2) ist an den schallabstrahlenden Kegel (5) ein Haltering (7) angedreht, der zum Einfügen des Ultraschallschwingers in einen Flüssigkeitsbehälter dient. Dieser Haltering kann in den Ultraschallbehälter eingeschweißt oder sonstwie an ihn angebracht werden so, daß der schall­abstrahlende Kegel (5) in die Flüssigkeit hineinragt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Behälter­wandung mit einer solchen Öffnung zu versehen, die ein Einschweißen entsprechend der Verbindung durch den Haltering (7) erlaubt.
  • Fig. 2 zeigt den gleichen Schwinger, eingefügt in ei­ne Büchse (8). Auch hier findet sich wieder die glei­che Befestigung des schallabstrahlenden Kegels (5) mittels eines umfassenden Halteringes (17), der bei dieser Darstellung einstückig mit der Büchse (8) ver­bunden ist. Die Büchse (8) umschließt den gesamten restlichen Teil des Ultraschallschwingers und ist unterseitig durch einen Boden (9) mit Schraubstut­zen (10) abgeschlossen. Durch den Schraubstutzen (10) werden nicht nur die Zuleitungen zu dem Ultraschall­schwinger hindurchgeführt, sondern es wird damit auch der gesamte Ultraschallschwinger an einer Behälter­innenwandung unter Zwischenlage einer Dichtung be­festigt. Dadurch ist nicht nur der empfindliche Schwingerteil vollkommen gegen Eindringen von Flüssig­keit geschützt, sondern auch ein Auswechseln des Schwingers unschwer möglich.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Einleiten von Ultraschallschwin­gungen in eine Flüssigkeit mittels Ultraschallgebern, die am Boden (der Wandung) eines Flüssigkeitsbehäl­ters angeordnet sind und als lambda/2-Schwinger aus zwei im Gegentakt schwingenden piezoelektrischen Platten bestehen, die einerseits mit einem schallab­strahlenden Kegel und andererseits mit einem Gegen­gewicht verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallgeber mittels eines Halterin­ges (7) gehalten sind, der nahe der piezoelektrischen Platte (2) mit dem schallabstrahlenden Kegel (5) ver­bunden ist und daß sie mittels dieses Halterings (7) direkt oder über eine das Gegengewicht (4) umgebenden Büchse (8) in den Flüssigkeitsbehälter eingefügt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der schallabstrahlenden Kegel (5) aus korrosions­festem Material ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Haltering (7) die Flüssigkeitsbehälter-­Wandung ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Haltering (7) einstückig mit dem schallab­strahlenden Kegel (5) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Büchse (8) einstückig mit dem Haltering (7) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Büchse (8) durch einen Boden (9) unterseitig bis auf eine Öffnung für die Zuleitungen verschlossen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß an der Büchse (8) bodenseitig abdichtende Schraub­verbindungen (10) angebracht sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallgeber so in den Füssigkeitsbehäl­ter eingefügt sind, daß die Stirnflächen der schall­abstrahlenden Kegel (5) mit dem Abstand von lambda/4 in die Flüssigkeit eintauchen.
EP89108097A 1988-05-14 1989-05-05 Ultraschall-Vorrichtung Expired - Lifetime EP0342446B1 (de)

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DE3816567A DE3816567A1 (de) 1988-05-14 1988-05-14 Ultraschall-vorrichtung
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Publication Number Publication Date
EP0342446A2 true EP0342446A2 (de) 1989-11-23
EP0342446A3 EP0342446A3 (en) 1990-08-22
EP0342446B1 EP0342446B1 (de) 1993-09-01

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DE (2) DE3816567A1 (de)
ES (1) ES2045244T3 (de)
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EP0342446B1 (de) 1993-09-01
DE58905416D1 (de) 1993-10-07
ATE93752T1 (de) 1993-09-15
FI892287A0 (fi) 1989-05-11
FI892287A (fi) 1989-11-15
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