EP0962261A1 - Vorrichtung zum Behandeln von Fluiden und/oder Feststoffen - Google Patents

Vorrichtung zum Behandeln von Fluiden und/oder Feststoffen Download PDF

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EP0962261A1
EP0962261A1 EP98108519A EP98108519A EP0962261A1 EP 0962261 A1 EP0962261 A1 EP 0962261A1 EP 98108519 A EP98108519 A EP 98108519A EP 98108519 A EP98108519 A EP 98108519A EP 0962261 A1 EP0962261 A1 EP 0962261A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sonotrode
torsional
structures
torsion
container
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98108519A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürg Solenthaler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Telsonic AG
Original Assignee
Telsonic AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Telsonic AG filed Critical Telsonic AG
Priority to EP98108519A priority Critical patent/EP0962261A1/de
Publication of EP0962261A1 publication Critical patent/EP0962261A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 treating Fluids and / or solids according to the features of the generic term of claim 1.
  • the sonochemical reactions are generally based on the Effect of cavitation (2, p. 333). Become ultrasonic vibrations with a sufficiently large amplitude on a liquid transmitted, oscillating bubbles are created by the alternating compression and expansion phases. This The process is often referred to as cavitation. In the bubbles high temperatures and pressures arise for a short time. this will in chemical reactions of the bubble content such as in the homolytic splitting of water or in the degradation of Exploited pollutants. High speed currents arise with bubbles that are close to solid borders are located. This creates high shear forces which for crushing solid agglomerates or lead emulsified drops.
  • Ultrasonic high-performance disintegrators are mainly used in industry or reactors used. Through a Compound transducers (1, p. 83) are tuned to resonance Sonotrodes (1, p. 372) stimulated to stretch vibrations. These sonotrodes both radiate the vibrations radial as well as longitudinal. The longitudinal vibration amplitude is usually about three times larger than that radial component. The radially radiated energy is mostly not to be used as useful energy and limits efficiency the sonotrode. The for the generation of sonochemical Effects of the longitudinal vibration amplitude as high as possible is always with corresponding radial losses paired.
  • JP-8-281227 A (WPINDEX; No. 97-015590) is a cleaning device known in which gear-like structure to be reciprocated.
  • the wings of the Gears transmit motion to a treatment liquid creating a cavitation phenomenon.
  • This device is a tornado-like and in the container therefore creates cavitation that is difficult to control.
  • Tangential vibrations are generated with torsion sonotrodes, which are not emitted into a medium surrounding them can. Fluids such as gases and liquids can cause torsional vibrations next to no forwarding. Longitudinal only Vibrations are caused by changes in density in such media forwarded. Torsional vibrators conduct their energy when Continue welding only on materials, the corresponding tangential forces can pass on, such as metals or other solids. Therefore, they are not used for treatment of fluid substances or mixtures of substances.
  • the device should be simple to manufacture and maintain and should also the generation of precisely controllable amplitudes allow for vibration input into the liquid.
  • a combination of torsional vibrations with optimized Efficiency and high performance with an application in Fluids such as liquids and gases and distributed therein Solids are suitable in the application according to the invention the sonochemical processes that are currently technically feasible sustainably improve and industrial use feed.
  • a high ultrasound density is defined as an input per unit volume, and one if possible high throughput of fluid to be treated in the foreground.
  • the device according to the invention for treating fluids or solids consists essentially of at least one Torsional vibrator for generating a torsional ultrasonic vibration (Frequency 15-100 kHz) with a predetermined one Vibration frequency and from a sonotrode, which with the Torsional vibrator is connected, and what with this in torsional vibrations is displaceable.
  • Torsional vibrator is understood here a vibrator that is able the longitudinal vibrations of an ultrasonic converter (often referred to as a composite vibrator) in torsional vibrations convert.
  • the torsional vibrator is advantageous from a converter and a torsion converter connected to it.
  • the torsion converter has one or more component parallel to the axis of the converter and a perpendicular, approximately cylindrical component on.
  • the dimension and shape of the two components will be like this chosen that the natural frequency of the torsional vibrator Corresponds to the excitation frequency of the converter.
  • the sonotrode is with structures for transmitting the torsional vibration provided in the fluid. According to the features of the invention the sonotrode is designed in such a way that its natural frequency Vibration frequency of the torsional vibrator essentially corresponds. Thanks to this targeted training of the sonotrode the whole device resonates as a whole.
  • Add component is the energy of the torsional vibrator radiated into a fluid medium. This has the advantage that almost exclusively in places where the above structures on the side of the torsion transducer were attached, energy into the work to be done Medium is passed on. All other types of radiation are avoided, which is extremely good efficiency results.
  • the sonotrode is advantageously essentially axially symmetrical trained and the length of the sonotrode is Half the wavelength of the vibration of the torsional vibrator or a multiple thereof. With such a construction the sonotrode will resonate with the torsional vibrator brought.
  • the structures for transmitting the torsional vibration in the medium surrounding the sonotrode advantageously have the circumference of the sonotrode arranged surfaces, which at least partially radial with respect to the axis of the sonotrode Have surface components. With radial surface components it is understood here that the structures Have surfaces that are not tangent to the sonotrode stand, but at an angle to the surface Form the sonotrode.
  • the structures along a circumferential line are advantageous arranged on the sonotrode, along which the sonotrode vibrates at maximum amplitude.
  • the energy in the sonotrode can thus be located particularly effectively and precisely in the fluid to be treated can be entered.
  • the structures advantageously consist of one over the other Tooth-like structure extending around the sonotrode, which is provided with cavitation wings that are radial extend outwards.
  • the surfaces of the cavitation wings do not extend directly from the axis of the sonotrode, but only from the roughly cylindrical surface of the Sonotrode radially outwards.
  • the ultrasonic vibration is therefore only in one area adjacent to the structures transferred into the fluid while along the smooth surface of the sonotrode, which is not is provided with structures, little or no vibration transmission he follows.
  • the structures are also advantageously interchangeable educated. Because the cavitation is almost exclusively due to this structure is also generated by cavitation generated material fretting in the area of these structures extraordinary big. Due to the interchangeable training of Structures can be easily replaced without one complete replacement of the sonotrode is required.
  • the sonotrode itself can also be detached with the Connected to the transducer. This also simplifies Replace the sonotrode if it is damaged.
  • torsion transducers which, as described above, one maximum amplitude and therefore maximum power within of physical possibilities to produce torsional vibrations used. By using it one or more converters on the torsion converter (s) overall performance can be increased significantly. In the the technology currently possible powers of 2 kW at longitudinal vibrating sonotrodes can be multiplied in this way.
  • One or more converters transmit the vibrations to the Sonotrode and generate the transverse vibrations.
  • On selected locations or distributed over the entire transverse page Structures are attached to the torsional vibrations as longitudinal waves in the surrounding fluid Medium transferred. This makes it much better achieve sonochemical effects than with the usual longitudinal Sonotrodes.
  • the device also preferably has a container for receiving the fluid, with the sonotrode inside of the container is arranged. It is between one Inner wall of the container and the surface of the structures Gap formed, the width of which is preferably chosen in this way will that between the structures and the inner wall of the Container in the fluid shear forces are caused.
  • the media to be treated can flow through the container are operated or operated in batches. Because of the hermetic Sealing the container can be an operation under pressure to be possible. Sealing the converter also allows the Use in potentially explosive environments.
  • the seal or connection between the torsion transducer and Vessel is advantageously carried out in a vibration node (no deflection of the torsional vibrator at the zero point of the amplitude).
  • a circumferential line of the torsion vibrator is here under vibration node understood which does not vibrate, i.e. which has an oscillation amplitude of approximately 0.
  • the attachment can, for example by shrinking a flange onto the Torsion converter take place.
  • Inlets and outlets to the vessel enable a continuous Flow of the media to be treated.
  • the energy density By the distance between the torsion sonotrode and the vessel wall in a particularly advantageous manner the energy density and thus adjust the treatment intensity.
  • the Cavitation structures are also attached to the inside of the vessel which reinforce the sonochemical effects and serve for flow guidance.
  • the sonotrode also advantageously has a change in cross section on. With such a change in cross-section it is possible to change the amplitude of the vibration.
  • the efficiency of the device can be massive can be increased, making higher with predetermined generators Services are transferred into the medium to be cleaned can.
  • the vibrations the sonotrode is in resonance it is also possible to have precisely controlled amplitudes of the Generate vibration or the amplitude and energy of the control and regulate transmitted vibrations.
  • the device can, for example, have a constant amplitude (by changing the power of the ultrasonic generator) or with constant performance depending on different Media or presses are operated.
  • the exactly determinable maximum amplitude also allows the controlled Operation of the device below maximum amplitudes, which could damage the device.
  • a converter 1 which in longitudinal Direction swings, transmits the longitudinal vibrations to a torsion converter 2.
  • the converter 1 and the torsion converter 2 form a torsional vibrator 20.
  • the torsional vibrator 20, in particular the torsion converter 2 transmits the transverse vibrations on a torsion sonotrode 3.
  • the torsion sonotrode 3 is essentially cylindrical formed and has a diameter of is larger than the diameter of a substantially cylindrical trained torsional vibrating component of the Torsion converter 2. Due to this increase in diameter the amplitude of the transverse vibration of the torsion sonotrode 3 increased.
  • the torsional vibrator 20 is geometric constructed such that it resonates with the excitation frequency of converter 1 stands.
  • the amplitude of the converter 1 can also be be be enlarged by changing the cross-section accordingly. It is essential to the invention that the torsion sonotrode 3 is designed such that its natural frequency Vibration frequency of the torsional vibrator 20 corresponds. The Connection between the longitudinal component and the Torsional component of the torsion converter 2 takes place a place where the longitudinal component with maximum Amplitude swings.
  • Cavitation structures 4 are located on the torsion sonotrode 3 attached which the sound energy into the surrounding fluid Forward medium.
  • the cavitation structures 4 are along a circumferential line 20 of the torsion sonotrode 3 is attached, which vibrates with maximum amplitude.
  • the length of the torsion sonotrode 3 corresponds to half the Wavelength ⁇ with which the torsional vibrator 20 vibrates.
  • the device 10 consisting of the torsion converter 2 and the sonotrode 3 is closed as a closed structure consider which with a predetermined excitation frequency of converter 1 is self-resonating. Because of This construction can make the energy particularly effective be exploited.
  • FIG. 1b is a top view of the device 20 according to FIG Fig. 1a shown.
  • Arrows indicate the longitudinal movement of the Torsion converter 2 and the torsional movement of the torsion converter 2 on.
  • the torsion converter 2 and thus also the torsion sonotrode 3 swing around axis A.
  • Cavitation structures 4 are attached along the circumference of the sonotrode 3.
  • the cavitation structures 4 have surfaces 12 which from the surface of the sonotrode 3 radially from the axis A extend outwards.
  • Cavitation blades 5 and 5 have proven to be particularly advantageous Slots 6 on the front and long sides of the torsion sonotrode 3 proven.
  • the cavitation structures are like this designed that they have a longitudinal sound radiation allow into the fluid medium.
  • the configuration of the cavitation structures 5, 6 is according to 2a to 2d particularly advantageous.
  • the invention is but also feasible with other structures. That's the way it is conceivable, not exactly radial surfaces, but slightly sloping surfaces, lamellas or continuously interlocking insert transitional, rounded projections.
  • Fig. 3 it is shown that the cavitation structures on Locations are arranged in which the sonotrode 3 with maximum Amplitude oscillates.
  • the Maximum amplitude as shown in Fig. 3.
  • the perimeter 13 is arranged at a distance from the upper edge of the sonotrode 3, which of the wavelength or a multiple thereof corresponds.
  • the amplitude of the structures is advantageous about 100 ⁇ m.
  • the effect is sonochemical Effects when using cavitation wings, for example 5 highest.
  • the cavitation structures 5 can be detached with the torsion sonotrode 3 be connected.
  • the torsion sonotrode can also be used as an option 3 be detachably connected to the corrosion converter 2.
  • FIG. 4 shows the installation of a converter according to the invention 1, a torsion converter 2 and a torsion sonotrode 3 with Cavitation wings 5 shown in a container 7.
  • the torsion converter 2 is connected to a flange 8. The connection and sealing takes place in a vibration node of the Torsion converter 2 along a circumferential line 14 with minimal Amplitude.
  • Two feed and discharge lines 9 for the treating media are provided.
  • the container 7 has an inner wall 15.
  • a gap 16 will between the surface of the cavitation structures 5 and the Inner wall 15 formed. If the width d of the gap 16 is chosen sufficiently small, shear forces in the Liquid between the cavitation structures 5 and Inner wall 15 generated.
  • the supply and discharge lines 9 allow a special effective treatment of a liquid.
  • the liquid will in the gap 16 between the inner wall 15 and the surface guided past the cavitation structures 5. In this gap the entire concentrates from the torsion sonotrode 3 in the energy given off by the liquid. If the device in So the liquid runs mandatory through the gap 16 and is thus particularly effective treated.
  • FIG. 5a and 5b show variants of the vibration system according to the invention with four converters 1a, 1b, 1c, 1d, one (Fig. 5b) or two (Fig. 5a) torsion transducers 2 and one or two torsion sonotrodes 3. This arrangement is used to increase of the total power used in the system.
  • the individual converters work in push-pull. If one Converter moves against the axis A of the torsion converter 2, the other converter 1b moves from the axis A. path.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Einsatz von torsionalen Schwingern bei der Behandlung von Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemischen und Flüssig-Feststoffgemischen beschrieben. Durch den Einsatz von torsionalen Schwingungen lassen sich die in der Technik geforderten Eigenschaften bezüglich Leistungseintrag, Amplitude, grossem Fluiddurchsatz und geringen Verlusten besser erreichen, als bei den zur Zeit eingesetzten Systemen. Zur Lösung des Problems wird ein Verbundschwinger (1) mit einem Torsionswandler (2) verbunden, der eine Torsionssonotrode (3) mit Kavitationsstrukturen wie zum Beispiel Kavitationsflügeln (5) in Resonanz antreibt. Die Torsionssonotrode befindet sich in einem Behälter (7), welcher durch den Abstand zur Torsionssonotrode und weiteren Kavitationsstrukturen die angestrebten sonochemischen Effekte begünstigt und durch Zu- und Ableitungen (9) im Durchfluss betrieben werden kann. Die Dichtung des Torsionsschwingers (2) gegen das Gefäss (7) erfolgt vorzugsweise in einem Amplitudenknoten. Die Anwendung der Vorrichtung ist beim Dispergieren, Emulgieren, Homogenisieren, Entgasen, Beschleunigen von chemischen Reaktionen, Zerkleinern von Partikeln und Zellwänden in Fluiden angezeigt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln von Fluiden und/oder Feststoffen gemäss den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.
Es ist bekannt, dass Ultraschall eine Reihe von mechanischen, chemischen und biologischen Wirkungen auslöst. Der Einsatz von Ultraschall-Desintegratoren für das Dispergieren, Emulgieren, Homogenisieren, Entgasen, Beschleunigen von chemischen Reaktionen, Zerkleinern von Partikeln und Zellwänden ist allgemein bekannt und wird z.B. auch in folgenden Büchern beschrieben: (1) Ultraschalltechnik: Grundlagen und Anwendung /ISBN 3-87664-106-3, (2) Heinrich Kuttruf: Physik und Technik des Ultraschalls /ISBN 3-7776-0427-5, (3) Timothy J. Mason: Practical Sonochemistry /ISBN 0-13-682642-3.
Die sonochemischen Reaktionen beruhen im allgemeinen auf dem Effekt der Kavitation (2, S. 333). Werden Ultraschallschwingungen mit einer ausreichend grossen Amplitude auf eine Flüssigkeit übertragen, so entstehen durch die wechselnden Kompressions- und Expansionsphasen schwingende Blasen. Dieser Vorgang wird häufig als Kavitation bezeichnet. In den Blasen entstehen kurzfristig hohe Temperaturen und Drücke. Dies wird bei chemischen Umsetzungen des Blaseninhalts wie zum Beispiel bei der homolytischen Spaltung von Wasser oder beim Abbau von Schadstoffen ausgenutzt. Strömungen hoher Geschwindigkeit entstehen bei Blasen, die sich in der Nähe von festen Umrandungen befinden. Dadurch werden hohe Scherkräfte hervorgerufen, welche zum Zerkleinern von Feststoffagglomeraten oder emulgierten Tropfen führen. Turbulente Strömungen in der Umgebung der meist nichtlinear oszillierenden Blasen bewirken ebenfalls hohe Scherkräfte, die zum Beispiel in Kolloidmühlen zur Erzeugung von Emulsionen oder zum Dispergieren von Partikeln verwendet werden. Treten beim Blasenkollaps sehr schnelle Blasenwandgeschwindigkeiten auf, so werden Schockwellen emittiert, welche kleine Partikel stark beschleunigen und eine Zerkleinerung im µm Bereich hervorrufen können.
In der Industrie werden hauptsächlich Ultraschallhochleistungsdesintegratoren bzw. Reaktoren verwendet. Durch einen Verbundschwinger (1, S. 83) werden dabei auf Resonanz abgestimmte Sonotroden (1, S. 372) zu Dehnschwingungen angeregt. Dabei strahlen diese Sonotroden die Schwingungen sowohl radial als auch longitudinal ab. Die longitudinale Schwingungsamplitude ist in der Regel etwa dreimal grösser, als die radiale Komponente. Die radial abgestrahlte Energie ist meist nicht als Nutzenergie zu verwenden und begrenzt den Wirkungsgrad der Sonotrode. Die für die Erzeugung der sonochemischen Effekte möglichst hoch zu setzende longitudinale Schwingungsamplitude ist so immer mit entsprechenden radialen Verlusten gepaart.
Ein weiterer Nachteil der üblichen Schwingerkombination aus einem Verbundschwinger und einer longitudinalen Sonotrode ist die durch den Verbundschwinger begrenzte maximale Leistung. Des weiteren kann die radiale Ausdehnung der Sonotrode nicht beliebig ausgedehnt werden, da sonst der Anteil parasitärer radialer Schwingungen zunimmt. Die zur Verfügung stehende Wirkfläche zum Übertragen der Schwingungen ist deshalb begrenzt. Diese Einschränkungen limitieren den Einsatz von longitudinal schwingenden Sonotroden in der technischen Anwendung ungemein.
Aus dem Bereich des Ultraschall-Metallschweissens sind Werkzeuge mit torsionaler Anregung oder Torsionssonotroden bekannt. Ein solche Torsionssonotrode wird zum Beispiel im Buch von (4) Wilhelm Lehfeld: Ultraschall / ISBN 3-8023-0060-2, S. 91, erwähnt.
Aus JP-8-281227 A (WPINDEX; Nr. 97-015590) ist eine Reinigungsvorrichtung bekannt, in welcher zahnradähnliche Gebilde in eine Hin- und Herbewegung versetzt werden. Die Flügel der Zahnräder übertragen eine Bewegung auf eine Behandlungsflüssigkeit, wodurch ein Kavitationsphänomen erzeugt wird. Mit dieser Vorrichtung wird im Behälter eine tornadoähnliche und deshalb schwierig kontrollierbare Kavitation erzeugt.
Bei Torsionssonotroden werden Tangentialschwingungen erzeugt, welche nicht in ein sie umgebendes Medium abgestrahlt werden können. Fluide wie Gase und Flüssigkeiten können Torsionsschwingungen so gut wie nicht weiterleiten. Nur longitudinale Schwingungen werden durch Dichteänderungen in solchen Medien weitergeleitet. Torsionsschwinger leiten ihre Energie beim Schweissen nur an Materialien weiter, die entsprechende Tangentialkräfte weitergeben können, wie zum Beispiel Metalle oder andere Feststoffe. Daher werden sie nicht zur Behandlung von fluiden Stoffen oder Stoffgemischen eingesetzt.
Die dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen zur Behandlung von Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemischen oder Flüssig-Feststoffgemischen mit longitudinalen Schwingersystemen, bestehend aus einem Verbundschwinger und einer Sonotrode, können aufgrund der Limitierungen nur bis zu einer Gesamtleistung von zirka 2 kW pro Sonotrode eingesetzt werden. Dabei werden radiale Abstrahlungsverluste in Kauf genommen, um möglichst hohe Amplituden in axialer Richtung zu ermöglichen. Durch die Bauweise der longitudinalen Sonotroden sind die schallabstrahlenden Flächen meist klein, so dass die Menge des zu behandelnden Fluids begrenzt ist. Des weiteren lassen sich diese longitudinalen Schwinger nur innerhalb enger geometrischer Grenzen verwirklichen. Da im Bereich des Hochintensitäts-Ultraschalls in der technischen Anwendung grosse Durchsätze an Fluid gefordert werden, muss ein hoher Gesamtleistungseintrag bei hoher Amplitude durch eine neuartige Form der Ultraschalleinleitung in ein fluides Medium ermöglicht werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, also insbesondere eine Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten zu schaffen, welche bei möglichst gutem Wirkungsgrad die Übertragung von hohen Leistungen in das zu behandelnde Medium erlaubt. Die Vorrichtung soll in Herstellung und Wartung einfach sein und soll ausserdem das Erzeugen von genau kontrollierbaren Amplituden beim Schwingungseintrag in die Flüssigkeit ermöglichen.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles von Anspruch 1 gelöst.
In diesem Zusammenhang haben sich torsionale Schwingungen als geeignete Mittel zur Erzeugung von hohen Amplituden bei gleichzeitig geringem Verlusten herausgestellt.
Eine Kombination von torsionalen Schwingungen mit optimiertem Wirkungsgrad und hohen Leistungen mit einer Anwendung in Fluiden wie Flüssigkeiten und Gasen sowie darin verteilten Feststoffen ist bei erfindungsgemässer Anwendung geeignet, die zur Zeit technisch realisierbaren sonochemischen Prozesse nachhaltig zu verbessern und einer industriellen Verwendung zuzuführen. Dabei steht eine hohe Ultraschalldichte, definiert als Leistungseintrag pro Volumeneinheit, und ein möglichst hoher Durchsatz an zu behandelndem Fluid im Vordergrund.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Behandeln von Fluiden oder Feststoffen besteht im wesentlichen aus wenigstens einem Torsionsschwinger zum Erzeugen einer torsionalen Ultraschall-Schwingung (Frequenz 15-100 kHz) mit einer vorbestimmten Schwingfrequenz und aus einer Sonotrode, welche mit dem Torsionsschwinger verbunden ist, und welche mit diesem in torsionale Schwingungen versetzbar ist. Unter Torsionsschwinger wird hier ein Schwinger verstanden, der in der Lage ist, die longitudinalen Schwingungen eines Ultraschallkonverters (oft als Verbundschwinger bezeichnet) in torsionale Schwingungen umzuwandeln. Vorteilhaft besteht der Torsionsschwinger aus einem Konverter und einem mit diesem verbundenen Torsionswandler. Der Torsionswandler weist eine oder mehrere parallel zur Achse des Konverters stehende Komponente und eine senkrecht dazu stehende, etwa zylindrische Komponente auf. Die Dimension und Form der beiden Komponenten wird so gewählt, dass die Eigenfrequenz des Torsionsschwingers der Anregungsfrequenz des Konverters entspricht. Die Sonotrode ist mit Strukturen zum Übertragen der torsionalen Schwingung in das Fluid versehen. Gemäss den Merkmalen der Erfindung ist die Sonotrode derart ausgebildet, dass ihre Eigenfrequenz der Schwingfrequenz des Torsionsschwingers im wesentlichen entspricht. Dank dieser gezielten Ausbildung der Sonotrode schwingt die ganze Vorrichtung als ein Gesamtes in Resonanz.
Bei der Untersuchung von glatten Torsionsschwingern in Flüssigkeiten konnten nur geringe sonochemische Effekte gefunden werden, da die Abstrahlung der von der Sonotrode ausgeführten tangentialen Schwingungen nicht in das umgebende fluide Medium übertragen werden können.
Erst durch das Anbringen der Strukturen wie Erhöhungen, Löcher, Kerben, welche der tangentialen Amplitude eine longitudinale Komponente hinzufügen, wird die Energie des Torsionsschwingers in ein fluides Medium abgestrahlt. Dies hat den Vorteil, dass nahezu ausschliesslich an Orten, an denen die oben genannten Strukturen an der Seite des Torsionsschwingers angebracht wurden, Energie in das zu bearbeitende Medium weitergegeben wird. Alle anderen Abstrahlungsarten werden vermieden, was einen ausserordentlich guten Wirkungsgrad ergibt.
Die Sonotrode ist vorteilhaft im wesentlichen axial-symmetrisch ausgebildet und die Länge der Sonotrode beträgt die Hälfte der Wellenlänge der Schwingung des Torsionsschwingers oder ein Vielfaches davon. Mit einer solchen Konstruktion wird die Sonotrode in Resonanz mit dem Torsionsschwinger gebracht.
Die Strukturen zum Übertragen der torsionalen Schwingung in das die Sonotrode umgebende Medium weisen vorteilhaft über den Umfang der Sonotrode angeordnete Flächen auf, welche bezüglich der Achse der Sonotrode wenigstens teilweise radiale Oberflächenkomponenten aufweisen. Mit radialen Oberflächenkomponenten wird hier verstanden, dass die Strukturen Oberflächen aufweisen, die nicht tangential zu der Sonotrode stehen, sondern jeweils einen Winkel zur Oberfläche zur Sonotrode bilden.
Vorteilhaft sind die Strukturen entlang einer Umfangslinie auf der Sonotrode angeordnet, entlang welcher die Sonotrode mit maximaler Amplitude schwingt. Die Energie in der Sonotrode kann damit besonders wirkungsvoll und genau lokalisiert in das zu behandelnde Fluid eingegeben werden.
Vorteilhaft bestehen die Strukturen aus einem sich über den Umfang des Sonotrode erstreckenden zahnkranzartigen Gebilde, welches mit Kavitationsflügeln versehen ist, die sich radial nach aussen erstrecken. Die Oberflächen der Kavitationsflügel erstrecken sich jedoch nicht direkt von der Achse der Sonotrode, sondern erst von der etwa zylindrischen Oberfläche der Sonotrode radial nach aussen.
Die Ultraschall-Schwingung wird also nur in einem Bereich benachbart zu den Strukturen in das Fluid übertragen, während entlang der glatten Oberfläche der Sonotrode, welche nicht mit Strukturen versehen ist, keine oder geringe Schwingungsübertragung erfolgt.
Die Strukturen sind ausserdem vorteilhaft auswechselbar ausgebildet. Da die Kavitation fast ausschliesslich durch diese Strukturen erzeugt wird, ist auch der durch die Kavitation erzeugte Materialfrass im Bereich dieser Strukturen besonders gross. Durch die auswechselbare Ausbildung der Strukturen können diese einfach ersetzt werden, ohne dass ein kompletter Ersatz der Sonotrode erforderlich ist.
Ausserdem kann auch die Sonotrode selbst lösbar mit dem Schwinger verbunden sein. Dies vereinfacht ebenfalls ein Austauschen der Sonotrode, falls diese beschädigt ist.
Es werden Torsionsschwinger, die, wie oben geschildert, eine maximale Amplitude und damit eine maximale Leistung innerhalb der physikalischen Möglichkeiten aufweisen, zur Erzeugung torsionaler Schwingungen eingesetzt. Durch die Verwendung eines oder mehrerer Konverter an der oder den Torsionswandlern kann die Gesamtleistung wesentlich erhöht werden. Die in der Technik zur Zeit möglichen Leistungen von 2 kW bei longitudinal schwingenden Sonotroden lassen sich so vervielfachen.
Ein oder mehrere Konverter übertragen die Schwingungen an die Sonotrode und erzeugen die transversalen Schwingungen. An ausgewählten Orten oder über die gesamte Querseite verteilten Stellen werden Strukturen angebracht, die die Torsionsschwingungen als longitudinale Wellen in das umgebende fluide Medium übertragen. Dadurch lassen sich wesentlich bessere sonochemische Effekte erzielen, als bei den üblichen longitudinalen Sonotroden.
In axialer Richtung sind Längen von mehreren halben Wellenlängen (λ/2) ohne Leistungseinbusse möglich. Durch die Abstrahlung der Schallenergie von den Strukturen an den Seitenflächen oder an der Stirnfläche lassen sich Amplituden erzeugen, welche oberhalb der longitudinalen Sonotroden liegen.
Nach der Erfindung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, Arbeitsfrequenzen zwischen 15 und 100 kHz (Ultraschall) zu verwenden. Dabei ist es möglich, das schwingende System frequenz- und amplitudenmoduliert, oder aber nur frequenzmoduliert oder nur amplitudenmoduliert zu betreiben.
Die Vorrichtung weist ausserdem vorzugsweise einen Behälter zur Aufnahme des Fluids auf, wobei die Sonotrode innerhalb des Behälters angeordnet ist. Dabei wird zwischen einer Innenwand des Behälters und der Oberfläche der Strukturen ein Spalt gebildet, dessen Breite vorzugsweise derart gewählt wird, dass zwischen den Strukturen und der Innenwand des Behälters im Fluid Scherkräfte hervorgerufen werden.
Der Behälter kann von den zu behandelnden Medien durchflossen werden oder absatzweise betrieben werden. Durch die hermetische Abdichtung des Behälters kann eine Operation unter Druck möglich sein. Eine Abdichtung des Konverters erlaubt auch den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen.
Die Dichtung bzw. Verbindung zwischen Torsionsschwinger und Gefäss erfolgt dabei vorteilhaft in einem Schwingungsknoten (keine Auslenkung des Torsionsschwingers im Amplitudennullpunkt).
Unter Schwingungsknoten wird hier eine Umfangslinie des Torsionsschwingers verstanden, welche nicht schwingt, d.h. welche eine Schwingungsamplitude von etwa 0 aufweist. Damit kann der Torsionsschwinger dicht und fest in einer Abdeckung des Gefässes gehalten werden, ohne dass die Halterung die Schwingbewegung beeinträchtigt. Die Befestigung kann beispielsweise durch Aufschrumpfen eines Flansches auf den Torsionswandler erfolgen.
Zu- und Ableitungen zum Gefäss ermöglichen einen kontinuierlichen Durchfluss der zu behandelnden Medien. Durch den Abstand zwischen Torsionssonotrode und Gefässwand lassen sich in besonders vorteilhafter Weise die Energiedichte und damit die Behandlungsintensität einstellen. Ausserdem können an der Innenseite des Gefässes ebenfalls Kavitationsstrukturen angebracht sein, welche die sonochemischen Effekte verstärken und zur Strömungsführung dienen.
Vorteilhaft weist die Sonotrode ausserdem eine Querschnittsveränderung auf. Mit einer solchen Querschnittsveränderung ist es möglich, die Amplitude der Schwingung zu verändern.
Die erfindungsgemässe Konstruktion der Vorrichtung mit einer Sonotrode, die in Resonanz mit einem Torsionsschwinger steht, der die Sonotrode zu einer Torsionsschwingung anregt, führt zu verschiedenen Vorteilen.
Insbesondere kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung massiv erhöht werden, wodurch mit vorgegebenen Generatoren höhere Leistungen in das zu reinigende Medium übertragen werden können. Dank der Schwingungen der Sonotrode in Resonanz ist es ausserdem möglich, genau kontrollierte Amplituden der Schwingung zu erzeugen bzw. die Amplitude und die Energie der übertragenen Schwingungen zu steuern und zu regeln. Die Vorrichtung kann beispielsweise mit konstanter Amplitude (durch Ändern der Leistung des Ultraschallgenerators) oder mit konstanter Leistung in Abhängigkeit von verschiedenen Medien oder Drücken betrieben werden. Die genau bestimmbare maximale Amplitude erlaubt ausserdem den kontrollierten Betrieb der Vorrichtung unterhalb von Maximal-Amplituden, welche zu Beschädigung der Vorrichtung führen könnten.
Die Erfindung wird im folgenden in Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a
Seitenansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 1b
Draufsicht auf die Vorrichtung aus Fig. 1a,
Fig. 2a bis 2d
verschiedene Ausführungsformen von Sonotroden und Kavitationsstrukturen,
Fig. 3
schematische Darstellung des Amplitudenverlaufes benachbart zu den Kavitationsstrukturen,
Fig. 4
schematische Darstellung der in einem Behälter eingesetzten Vorrichtung mit schematischer Darstellung des torsionalen Amplitudenverlaufs,
Fig. 5a
Seitenansicht einer Anordnung mit mehreren Sonotroden und Torsionswandler, und
Fig. 5b
Draufsicht auf die Anordnung aus Fig. 5a.
Fig. 1a zeigt eine Vorrichtung 10 zum Behandeln von Fluiden und Feststoffen. Ein Konverter 1, welcher in longitudinaler Richtung schwingt, überträgt die longitudinalen Schwingungen auf einen Torsionswandler 2. Der Konverter 1 und der Torsionswandler 2 bilden einen Torsionsschwinger 20. Der Torsionsschwinger 20, insbesondere der Torsionswandler 2 überträgt die transversalen Schwingungen auf eine Torsionssonotrode 3. Die Torsionssonotrode 3 ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist einen Durchmesser auf, der grösser ist als der Durchmesser einer im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten torsional schwingenden Komponente des Torsionswandlers 2. Aufgrund dieser Durchmessererhöhung wird die Amplitude der transversalen Schwingung der Torsionssonotrode 3 erhöht. Der Torsionsschwinger 20 ist geometrisch derart aufgebaut, dass er in Resonanz zu der Anregungsfrequenz des Konverters 1 steht.
Die Amplitude des Konverters 1 kann ausserdem ebenfalls vergrössert werden durch entsprechende Querschnittveränderung. Erfindungswesentlich ist es, dass die Torsionssonotrode 3 derart ausgebildet ist, dass ihre Eigenfrequenz der Schwingfrequenz des Torsionsschwingers 20 entspricht. Die Verbindung zwischen der longitudinalen Komponente und der torsionalen Komponente des Torsionswandlers 2 erfolgt an einer Stelle, in der die longitudinale Komponente mit maximaler Amplitude schwingt.
An der Torsionssonotrode 3 sind Kavitationsstrukturen 4 angebracht, welche die Schallenergie in das umgebende fluide Medium weiterleiten. Die Kavitationsstrukturen 4 sind entlang einer Umfangslinie 20 der Torsionssonotrode 3 angebracht, welche mit maximaler Amplitude schwingt.
Die Länge der Torsionssonotrode 3 entspricht der Hälfte der Wellenlänge λ, mit welcher der Torsionsschwinger 20 schwingt.
Die Vorrichtung 10, bestehend aus dem Torsionswandler 2 und der Sonotrode 3 ist als ein sich geschlossenes Gebilde zu betrachten, welches mit einer vorbestimmten Anregungsfrequenz des Konverters 1 in Eigenresonanz versetzbar ist. Aufgrund dieser Konstruktion kann die Energie besonders wirkungsvoll ausgenützt werden.
In Fig. 1b ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung 20 gemäss Fig. 1a gezeigt. Pfeile deuten die longitudinale Bewegung des Torsionswandlers 2 und die torsionale Bewegung des Torsionswandlers 2 an. Der Torsionswandler 2 und damit auch die Torsionssonotrode 3 schwingen um die Achse A. Kavitationsstrukturen 4 sind entlang des Umfangs der Sonotrode 3 angebracht. Die Kavitationsstrukturen 4 weisen Flächen 12 auf, welche sich von der Oberfläche der Sonotrode 3 radial von der Achse A nach aussen erstrecken.
Fig. 2a bis 2d zeigen der Erfindung entsprechende Kavitationsstrukturen 4 an einer Torsionssonotrode 3.
Als besonders vorteilhaft haben sich Kavitationsflügel 5 und Schlitze 6 an den Stirnseiten und Längsseiten der Torsionssonotrode 3 erwiesen. Die Kavitationsstrukturen sind so ausgestaltet, dass sie eine longitudinale Schallabstrahlung in das fluide Medium erlauben.
Es ist denkbar, mehrere Kavitationsstrukturen anzubringen, welche etwa um die Hälfte der Wellenlänge voneinander beabstandet angeordnet sind (siehe Fig. 2a und 2d). Ausserdem ist es denkbar, die Sonotrode 3 mit einer Querschnittserhöhung 17 zu versehen.
Die Ausgestaltung der Kavitationsstrukturen 5, 6 ist gemäss den Fig. 2a bis 2d besonders vorteilhaft. Die Erfindung ist jedoch auch mit anderen Strukturen durchführbar. So ist es denkbar, nicht genau radial verlaufende Flächen, sondern leicht schräge Flächen, Lamellen oder stetig ineinander übergehende, abgerundete Vorsprünge einzusetzen.
In Fig. 3 ist dargestellt, dass die Kavitationsstrukturen an Orten angeordnet sind, in welchen die Sonotrode 3 mit maximaler Amplitude oszilliert. Entlang der Umfangslinie 13 ist die Amplitude wie in Fig. 3 dargestellt maximal. Die Umfangslinie 13 ist in einem Abstand zu Oberkante der Sonotrode 3 angeordnet, welcher der Wellenlänge bzw. einem Mehrfachen davon entspricht. Die Amplitude der Strukturen beträgt vorteilhaft etwa 100µm.
An diesen Orten maximaler Amplitude ist die Wirkung sonochemischer Effekte beim Einsatz von beispielsweise Kavitationsflügeln 5 am höchsten.
Die Kavitationsstrukturen 5 können lösbar mit der Torsionssonotrode 3 verbunden sein. Optional kann auch die Torsionssonotrode 3 mit dem Trosionswandler 2 lösbar verbunden sein.
In Fig. 4 wird der erfindungsgemässe Einbau eines Konverters 1, eines Torsionswandlers 2 und einer Torsionssonotrode 3 mit Kavitationsflügeln 5 in einem Behälter 7 gezeigt. Der Torsionswandler 2 ist mit einem Flansch 8 verbunden. Die Verbindung und Dichtung erfolgt in einem Schwingungsknoten des Torsionswandlers 2 entlang einer Umfangslinie 14 mit minimaler Amplitude. Zwei Zu- und Ableitungen 9 für die zu behandelnden Medien sind vorgesehen.
Der Behälter 7 weist eine Innenwand 15 auf. Ein Spalt 16 wird zwischen der Oberfläche der Kavitationsstrukturen 5 und der Innenwand 15 gebildet. Wenn die Breite d des Spaltes 16 ausreichend klein gewählt wird, werden Scherkräfte in der Flüssigkeit zwischen den Kavitationsstrukturen 5 und der Innenwand 15 erzeugt.
Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 9 erlauben eine besonders effektive Behandlung einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wird in dem Spalt 16 zwischen der Innenwand 15 und der Oberfläche der Kavitationsstrukturen 5 vorbeigeführt. In diesem Spalt konzentriert sich die gesamte von der Torsionssonotrode 3 in die Flüssigkeit abgegebene Energie. Wenn die Vorrichtung im Durchlauf betrieben wird, verläuft also die Flüssigkeit also zwingend durch den Spalt 16 und wird damit besonders wirkungsvoll behandelt.
Fig. 5a und 5b zeigen erfindungsgemässe Varianten des Schwingungssystems mit vier Konvertern 1a, 1b, 1c, 1d, einem (Fig. 5b) oder zwei (Fig. 5a) Torsionswandlern 2 und einer oder zwei Torsionssonotroden 3. Diese Anordnung wird zur Erhöhung der gesamten Leistung im System verwendet.
Die einzelnen Konverter arbeiten im Gegentakt. Wenn der eine Konverter sich gegen die Achse A der Torsionswandler 2 zubewegt, bewegt sich der andere Konverter 1b von der Achse A weg.

Claims (14)

  1. Vorrichtung (10) zum Behandeln von Fluiden und Feststoffen,
    mit wenigstens einem Torsionsschwinger (20), vorzugsweise mit einem longitudinalen Konverter (1) und einem Torsionswandler (2) zum Erzeugen einer torsionalen Ultraschallschwingung mit einer vorbestimmten Schwingungsfrequenz,
    und mit einer Sonotrode (3), welche mit dem Torsionsschwinger (20) verbunden und in torsionale Schwingungen versetzbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (3) derart ausgebildet ist, dass ihre Eigenfrequenz der Schwingfrequenz etwa des Torsionsschwingers (20) entspricht, und dass die Sonotrode (3) mit Strukturen (4, 5, 6) zum Übertragen der torsionalen Schwingung in das Fluid versehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (3) im wesentlichen axial-symmetrisch ausgebildet ist, und dass die Länge (L) der Sonotrode (3) die Hälfte der Wellenlänge (λ) der Schwingung des Torsionsschwingers (20) oder ein Vielfaches davon beträgt.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (4, 5, 6) über den Umfang der Sonotrode (3) angeordnete Flächen (12) aufweisen, die bezüglich der Achse (A) der Sonotrode (3) eine radiale Oberflächenkomponente aufweisen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (4, 5, 6) benachbart zu einer mit maximaler Amplitude schwingenden Umfangslinie (13) auf der Sonotrode (3) angebracht sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (4, 5, 6) aus sich über den Umfang der Sonotrode (3) erstreckenden Kavitationsflügeln (5) bestehen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (4, 5, 6) auswechselbar ausgebildet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Behälter (7) zur Aufnahme des Fluids, wobei die Sonotrode (3) innerhalb des Behälters (7) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionswandler (2) wenigstens teilweise entlang einer, einem torsionalen Null-Punkt entsprechenden Umfangslinie (14), vorzugsweise dicht mit dem Behälter (7) verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (7) Zufluss- und/oder Abflussleitungen (9) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innenwand (15) des Behälters und der Oberfläche der Strukturen (4, 5, 6) ein Spalt (16) gebildet wird, dessen Breite (d) vorzugsweise derart gewählt ist, dass zwischen den Strukturen (4, 5, 6) und der Innenwand (15) des Behälters (7) im Fluid Scherkräfte erzeugt werden.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Konverter (1a, 1b, 1c, 1d), vorzugsweise zwei oder vier Konverter vorgesehen sind, welche mit einem oder zwei Torsionswandlern (2) verbunden sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (3) eine vorzugsweise stufenlose Querschnittsveränderung (17) aufweist, welche zu einer Amplitudenveränderung führt.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger (1) frequenz- und/- oder amplitudenmoduliert regelbar ist.
  14. Verwendung einer in Resonanz schwingenden Torsionssonotrode (3) zum Behandeln von Fluiden und Feststoffen.
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