EP1065009A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie Download PDF

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EP1065009A1
EP1065009A1 EP99810566A EP99810566A EP1065009A1 EP 1065009 A1 EP1065009 A1 EP 1065009A1 EP 99810566 A EP99810566 A EP 99810566A EP 99810566 A EP99810566 A EP 99810566A EP 1065009 A1 EP1065009 A1 EP 1065009A1
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EP
European Patent Office
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resonator
resonance frequency
longitudinal
sound transducer
liquid
Prior art date
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Withdrawn
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EP99810566A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürg Solenthaler
Peter 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
TELSONIC AG fur ELEKTRONISCHE ENTWICKLUNG und FABRIKATION
Original Assignee
Telsonic AG
TELSONIC AG fur ELEKTRONISCHE ENTWICKLUNG und FABRIKATION
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Publication date
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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 and a method for generating and emitting Ultrasonic energy with the features of the preamble of the independent claims.
  • Such devices and methods are known from EP 44 800 A2 or from EP 455 837.
  • Such devices according to the invention have one with at least one ultrasonic transducer connected resonator on the longitudinal axis to an integer multiple of acoustic length ⁇ / 2 of the operating frequency and the cross-contraction of the Strain waves transmitted to the liquid.
  • a tubular body of some is advantageous Millimeters wall thickness used.
  • WO 98/47632 describes a device for coupling ultrasound into a liquid, whose tubular resonator is designed so that for both longitudinal and transverse vibrations of the jacket the resonance condition is fulfilled.
  • the resonator length and the outside diameter and the thickness of the tube wall are coordinated.
  • the cavity resonator should be along its entire length or on at least one Most of its length have the shape of an inner and outer cylindrical tube.
  • the end remote from the converter should preferably have a hemispherical shell Completion.
  • the creation of a homogeneous sound field in a liquid is therefore subject to certain general conditions knotted.
  • the surface of the resonator should be as large as possible and it the amplitudes on the surface to be transmitted must not be too high.
  • a large surface means tube resonators with a large outer diameter.
  • the invention is now based on optimizing the dimensioning of the resonator so that if possible little cavitation occurs on the pipe surface and the greatest possible energy in the liquid can be transferred. At the same time, an exactly definable operating state should also be defined of the resonator can be guaranteed.
  • the outer diameter of the resonator can therefore should not be chosen arbitrarily large, especially with long pipes with several ⁇ / 2 pieces Different transverse and bending vibrations occur, especially when the excited one Longitudinal frequency is close to the radial frequency.
  • the device according to the invention essentially consists of a sound transducer and an approximately tubular resonator connected to it, the wall of which can be brought into contact with the liquid.
  • the end of the resonator is connected to an end face of the sound transducer at the location of a longitudinal vibration maximum.
  • the total length of the resonator is tuned to an integral multiple of half a wavelength of the longitudinal vibration fed into the resonator by the sound transducer.
  • the resonator is dimensioned such that the value of the longitudinal resonance frequency is at least 0.6 times the value of the radial resonance frequency. Due to this condition, the surface of the resonator that can be brought into contact with the liquid is maximized.
  • the value of the longitudinal resonance frequency is chosen to be smaller than the value of the radial resonance frequency.
  • the relationship between radial and longitudinal resonance frequency has the following formula: 0.6 ⁇ F LONG F WHEEL ⁇ 1
  • the values of the radial or longitudinal resonance frequencies can in particular by targeted choice of the outer diameter and the inner diameter or the length of the resonator.
  • the radial resonance frequency approximately corresponds to a tubular body the quotient of the speed of sound in the body and the middle circumference of the resonator.
  • the arithmetic mean is approximately medium understood from inside and outside circumference.
  • the speed of sound in tubular resonators can vary due to the material deformation during the manufacturing process (rolled pipes) to the speed of sound in the raw material. To calculate the radial resonance frequency this must be taken into account.
  • the radial resonance frequency is also influenced by the geometry of the resonator (e.g. end termination). In reality, you can therefore deviations from the formula result.
  • the resonator can advantageously be of exactly tubular design. But it is also conceivable to have one To use resonator in the form of a polygonal hollow profile.
  • the tubular body of the resonator can be filled with liquid or liquid inside be designed to flow through.
  • the resonator also has surfaces that are perpendicular to the longitudinal direction of vibration.
  • the advantage of such vertical surfaces is that the resonator also has longitudinal vibrations in addition to the transverse vibrations can enter into the liquid.
  • the resonator is dimensioned such that the value of the longitudinal resonance frequency is more than 0.7, in particular more than 0.8 times the value of the radial resonance frequency. It has been found that with such a dimensioning, the tube surface per ⁇ / 2 section and thus the energy that can be irradiated into the liquid is maximized, while the operating state of the resonator remains precisely defined.
  • the longitudinal resonance frequency is the longitudinal Basic resonance understood.
  • the length of which is a multiple of half Excitation wavelength, this is the excitation wavelength.
  • a sound transducer and a hollow resonator connected to it used.
  • the wall of the resonator is brought into contact with the liquid.
  • An optimal one Operation is achieved in that the resonator is excited longitudinally with a frequency which is below the radial resonance frequency of the resonator, but greater than 0.6 times the radial frequency of the resonator.
  • the excitation frequency or the resonator is selected in this way designed so that the longitudinal resonance frequency is greater than 0.7 times the radial Resonance frequency, particularly preferably greater than 0.8 times the radial resonance frequency.
  • a device 1 according to the invention is shown schematically in FIG.
  • the device 1 consists essentially of a sound transducer 2 and a resonator 3, which with the Sound transducer 2 is connected.
  • the sound transducer 2 and the resonator 3 are constructed in a known manner. Such a structure is shown for example in EP 44 800.
  • the content of this publication is expressly stated in included the content of the present application.
  • the resonator 3 is closed on one side with an acoustic transformer 8, which in the end reduces the longitudinal amplitude. On the other side is the resonator connected to the transducer 2 with a transformation piece 9.
  • the sound transducer 2 is typically designed as a piezoelectric converter. It can but also other transducers, e.g. magnetorestrictive are used.
  • the length of the transformation piece 9 or the transformer 8 is ⁇ / 2, where ⁇ denotes the wavelength with which the resonator 3 is excited longitudinally by the sound transducer 2.
  • the length L of the resonator 3 is also selected such that it is also ⁇ / 2 or an integral multiple of ⁇ / 2.
  • the resonator can be made relatively long, for example as shown in EP 44 800 a length of 2.5 times ⁇ or more (up to 20 ⁇ / 2 ) .
  • the present invention differs from the prior art by the targeted optimization of the performance by enlarging or maximizing the surface 5 that can be brought into contact with the liquid.
  • the mean diameter of the resonator 3 is nevertheless selected such that a controllable operating state is achieved.
  • FIG. 2 shows an enlarged section of the resonator 3 in section.
  • the resonator 3 is tubular and has a cylindrical wall 4 with a thickness a
  • the length L of the resonator 3 is dimensioned on the basis of a predetermined excitation frequency. Likewise, starting from the excitation frequency, the diameter of the resonator 3 is dimensioned such that the surface 5 becomes as large as possible, but that the radial resonance frequency fr is greater than the excitation frequency or the longitudinal resonance frequency f r .
  • the radial resonance frequency f r is approximately Speed of sound in the resonator medium size
  • the mean circumference arises from the mean diameter d m .
  • the average diameter corresponds approximately to the arithmetic mean of the outer diameter d A and the inner diameter d I.
  • the inner diameter d I or the outer diameter d A are therefore chosen as a function of the longitudinal excitation frequency f l such that f l is more than 0.6 times the radial resonance frequency f r , but less than the radial resonance frequency f r .
  • the resonator is made of stainless steel.
  • the resonator 3 is excited by the converter 2 at a frequency of 25 kHz.
  • the inside diameter d I is 45 mm and the outside diameter is 55 mm.
  • a radial resonance frequency f r of 33.2 kHz was measured in this resonator.
  • the longitudinal excitation or resonance frequency f l is therefore 0.753 f r .
  • the length L of the resonator is 180 mm, which corresponds to twice 2 ⁇ / 2 .
  • FIG. 3 shows an alternative exemplary embodiment of the invention, according to which the Resonator 3 is excited on both sides with a sound transducer 2.
  • the two sound transducers 2 work in sync or in sync with each other.
  • FIG. 4a A preferred exemplary embodiment of a resonator 3 is shown in FIG. 4a.
  • the resonator 3 is on its outer surface with perpendicular to the longitudinal direction of vibration Provide surfaces 7.
  • the surfaces 7 serve to introduce longitudinal vibrations into the Liquid.
  • Figure 4b shows an embodiment in which the surfaces 7 as a recess in the outer surface of the resonator 3 are formed.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a device 1 according to the invention, in which a plurality of sound transducers 2 are provided for increasing the power, wherein inner sound transducers 2 are arranged within the resonator 3.
  • the invention is not limited to the specific design of the resonator, in particular not to its shape or to the number or distribution of sound transducers. It is essential that the surface 5, which emits ultrasound energy into the surrounding liquid, is maximized, while at the same time the dimension of the resonator is selected such that the longitudinal excitation frequency f l remains below the radial resonance frequency f r .

Abstract

In einer Vorrichtung (1) und einem Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten mit oder ohne Feststoffanteilen insbesondere zur Beschallung von Reinigungsbädern, wird mittels eines rohrförmigen Körpers (3), der auf ein ganzzahliges Vielfaches der akustischen Länge (λ/2) der Betriebsfrequenz zur Erzeugung von Querkontraktionen an deren Dehnungsknoten abgestimmt ist Schwingenergie in die Flüssigkeit eingeleitet. Aussen- und Innendurchmesser des Körpers (3) werden so gewählt, dass die Oberfläche (5) des Körpers maximiert ist und dass die longitudinale Resonanzfrequenz trotzdem unterhalb der radialen Resonanzfrequenz liegt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie mit den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Patentansprüche.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind aus EP 44 800 A2 oder aus EP 455 837 bekannt. Solche erfindungsgemässe Vorrichtungen weisen einen mit wenigstens einem Ultraschallwandler verbundenen Resonator auf, der in seiner Längsachse auf ein ganzzahliges Vielfaches der akustischen Länge λ/2 der Betriebsfrequenz abgestimmt ist und der die Querkontraktion der Dehnungswellen auf die Flüssigkeit überträgt. Dabei wird vorteilhaft ein Rohrkörper von einigen Millimetern Wandstärke verwendet. Durch die Wahl von Innen- und Aussendurchmessern ist es möglich, die Radialkomponenten der Schwingungen zu optimieren, indem die natürliche Radialresonanzfrequenz mit der Longitudinalresonanzfrequenz zusammenfällt.
In WO 98/47632 wird ein Gerät zur Einkoppelung von Ultraschall in eine Flüssigkeit beschrieben, dessen rohrförmiger Resonator so ausgelegt ist, dass sowohl für longitudinale als auch für transversale Schwingungen des Mantels die Resonanzbedingung erfüllt ist. Die Resonatorlänge und der Aussendurchmesser sowie die Dicke der Rohrwand werden dabei aufeinander abgestimmt. Der Hohlraumresonator soll auf seiner gesamten Länge oder auf mindestens einem überwiegenden Teil seiner Länge die Form eines innen- und aussenzylindrischen Rohres haben. Das vom Konverter entfernten Ende soll vorzugsweise mit einem als Halbkugelschale ausgebildeten Abschluss versehen sein.
Bei dieser Geometrie treten im Bereich der Radialresonanz eine Vielzahl von Nebenresonanzen auf. Es ist deshalb schwierig, den Generator auf der Radialfrequenz zu betreiben. Ausserdem ist es in Realität schwierig, einen Resonator zu bauen, der die in dieser Schrift angegebenen Bedingungen erfüllt. Aus der US 4 016 436 ist ein Resonator bekannt, der radial angeregt wird.
Mit bekannten Vorrichtungen können bereits zufriedenstellende Resultate erzielt werden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Vorrichtungen und Verfahren weiter zu verbessern, insbesondere deren Wirksamkeit und Standzeit zu erhöhen. Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Werden Ultraschallschwingungen mit ausreichend grosser Amplitude auf eine Flüssigkeit übertragen, so wird die Flüssigkeit auseinander gerissen und es entstehen Hohlräume (Dampfblasen). Steigt nun der Druck im Laufe der Schwingung wieder an, so brechen diese Hohlräume zusammen. Diesen Effekt nennt man Kavitation.
Beim Kollaps werden im Inneren der Blasen Temperaturen bis zu einigen Tausend Grad Celsius und Drücke von bis zu 10'000 bar freigesetzt. Kollabiert eine Blase in einer homogenen Umgebung so verhält sich die Blase punktsymmetrisch. Kollabiert die Blase in der Nähe einer Unstetigkeit, z.B. einer Wand, so verursacht sie eine auf die Wand gerichtete Strömung mit sehr hoher Geschwindigkeit. Diese Strömungen führen gerade an Rohrschwingern zur Materialabtragung bzw. Kavitationsschäden, was langfristig zur Zerstörung des Resonators führt. Ein weiterer Effekt einer zu starken Kavitation ist, dass in der Nähe der Resonatoroberfläche (Nahfeld) ein sogenannter Kavitationsschirm entsteht. Dieser Schirm hemmt die Ausbreitung des Schallfeldes in der Flüssigkeit, d.h. die Wirkung des Schalles ist über grössere Distanzen (Fernfeld) nicht mehr gewährleistet.
An die Erzeugung eines homogenen Schallfeldes in einer Flüssigkeit sind deshalb gewisse Rahmenbedingungen geknüpft. Die Oberfläche des Resonators sollte möglichst gross sein und es dürfen an der zu übertragenden Oberfläche keine zu hohen Amplituden vorherrschen. Eine grosse Oberfläche bedeutet Rohrresonatoren mit einem grossen Aussendurchmesser. Die Erfindung beruht nun darauf, die Dimensionierung des Resonators so zu optimieren, dass bei möglichst geringer Kavitation an der Rohroberfläche entsteht und eine möglichst grosse Energie in die Flüssigkeit übertragen werden kann. Gleichzeitig soll auch ein genau definierbarer Betriebszustand des Resonators gewährleistet werden. Der Aussendurchmesser des Resonators kann deshalb nicht beliebig gross gewählt werden, da besonders bei langen Rohren mit mehreren λ/2-Stücken verschiedene Quer- und Biegeschwingungen auftreten, vor allem dann, wenn die angeregte Longitudinalfrequenz in der Nähe der Radialfrequenz liegt.
Sind mehre Retsonanzfrequenzen vorhanden, besteht die Möglichkeit, dass der Generator den Resonator nicht auf der gewünschten Longitudinalfrequenz anregt. Vor allem unter der nicht linearen akustischen Last ist so kein eindeutiger Betrieb mehr möglich. Dies kann am Generator zu Spannungs- und Stromüberhöhung führen, was zu hohen Blindleistungen führt und dem Konverter schadet oder langfristig zum Ausfall führt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Schallwandler und einem daran angeschlossenen, etwa rohrförmig ausgebildeten Resonator, dessen Wand mit der Flüssigkeit in Berührung bringbar ist. Das Ende des Resonators ist am Ort eines longitudinalen Schwingungsmaximums an eine Stirnfläche des Schallwandlers angeschlossen. Die Gesamtlänge des Resonators wird dabei auf ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge der vom Schallwandler in den Resonator eingespeisten Longitudinalschwingung abgestimmt. Der Resonator wird derart dimensioniert, dass der Wert der longitudinalen Resonanzfrequenz wenigstens 0,6 mal den Wert der radialen Resonanzfrequenz beträgt. Aufgrund dieser Bedingung wird die mit der Flüssigkeit in Kontakt bringbare Oberfläche des Resonators maximiert. Gleichzeitig wird der Wert der longitudinalen Resonanzfrequenz jedoch kleiner als der Wert der radialen Resonanzfrequenz gewählt. Die Beziehung zwischen radialer und longitudinaler Resonanzfrequenz erfüllt folgende Formel: 0.6 < FLONG FRAD < 1
Damit wird sichergestellt, dass ein eindeutiger Betriebsmodus vorliegt. Die Werte der radialen bzw. longitudinalen Resonanzfrequenzen können insbesondere durch gezielte Wahl des Aussendurchmessers und des Innendurchmessers bzw. der Länge des Resonators eingestellt werden.
Näherungsweise entspricht die radiale Resonanzfrequenz für einen rohrförmigen Körper etwa dem Quotient aus Schallgeschwindigkeit im Körper und mittlerem Umfang des Resonators. Unter mittlerem Umfang wird in diesem Zusammenhang näherungsweise das arithmetische Mittel von Innen- und Aussenumfang verstanden. Die Schallgeschwindigkeit in rohrförmigen Resonatoren kann aufgrund der Materialverformmung beim Herstellvorgang (gewalzte Rohre) unterschiedlich zur Schallgeschwindigkeit im Rohmaterial sein. Zum Berechnen der radialen Resonanzfrequenz muss dies berücksichtigt werden. Die radiale Resonanzfrequenz wird ausserdem durch die Geometrie des Resonators (z.B. Endabschluss) beeinflusst. In der Realität können sich deshalb Abweichungen von der Formel ergeben.
Der Resonator kann vorteilhaft genau rohrförmig ausgebildet sein. Es ist aber auch denkbar, einen Resonator in der Form eines polygonalen Hohlprofils zu verwenden.
Der rohrförmige Körper des Resonators kann im Inneren mit Flüssigkeit gefüllt oder von Flüssigkeit durchfliessbar ausgebildet sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Resonator ausserdem Flächen auf, die senkrecht zu der longitudinalen Schwingungsrichtung stehen. Der Vorteil von solchen senkrechten Flächen besteht darin, dass der Resonator ausser den Querschwingungen auch Longitudinalschwingungen in die Flüssigkeit eintragen kann.
Es ist ausserdem denkbar, das Ende des rohrförmigen Resonators mit einem akustischen Transformator oder mit einem zusätzlichen Schallwandler zu schliessen. Ausserdem ist es auch möglich, innerhalb des Resonators einen oder mehrere zusätzliche Schallwandler vorzusehen, welche den Resonator longitudinal antreiben und der Leistungserhöhung dienen.
Besonders zufriedenstellende Resultate werden erzielt, wenn der Resonator so dimensioniert wird, dass der Wert der longitudinalen Resonanzfrequenz mehr als 0,7, insbesondere mehr als 0,8 mal den Wert der radialen Resonanzfrequenz beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass mit einer solchen Dimensionierung die Rohroberfläche pro λ/2-Abschnitt und damit die in die Flüssigkeit einstrahlbare Energie maximiert wird, während der Betriebszustand des Resonator nach wie vor genau definiert bleibt.
Unter longitudinaler Resonanzfrequenz wird im Rahmen dieser Anmeldung die longitudinale Grundresonanz verstanden. Im Fall von Resonatoren, deren Länge ein Vielfaches der halben Anregungswellenlänge beträgt, ist dies die Anregungswellenlänge.
Selbstverständlich ist es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar und vorteilhaft, den Resonator ein- oder beidseitig anzuregen und/oder zusätzliche Elemente wie Amplitudentransformation bewirkende Zwischenstücke einzusetzen.
Beim erfindungsgemässen Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschall in Flüssigkeiten wird ein Schallwandler und ein daran angeschlossener, hohl ausgebildeter Resonator eingesetzt. Die Wand des Resonators wird mit der Flüssigkeit in Berührung gebracht. Ein optimaler Betrieb wird dadurch erzielt, dass der Resonator longitudinal mit einer Frequenz angeregt wird, die unterhalb der radialen Resonanzfrequenz des Resonators liegt, jedoch grösser als 0,6 mal die Radialfrequenz des Resonators ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Anregungfrequenz so gewählt bzw. der Resonator so ausgebildet, dass die longitudinale Resonanzfrequenz grösser als 0,7 mal die radiale Resonanzfrequenz, besonders bevorzugt grösser als 0,8 mal die radiale Resonanzfrequenz ist.
Die Erfindung wird im Folgenden in Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
schematische Darstellung einer einseitig angeregten, erfindungsgemässen Vorrichtung,
Figur 2
Längsschnitt durch einen Ausschnitt des Resonators in vergrösserter Darstellung,
Figur 3
schematische Darstellung einer beidseitig angeregten, erfindungsgemässen Vorrichtung,
Figur 4a, 4b
schematische Darstellungen eines Resonators mit senkrecht zur longitudinalen Schwingungsrichtung stehenden Flächen und
Figur 5
schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Resonators mit mehreren Ultraschallwandlern.
In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 gezeigt. Die Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Schallwandler 2 und aus einem Resonator 3, der mit dem Schallwandler 2 verbunden ist.
Der Schallwandler 2 und der Resonator 3 sind in bekannter Weise aufgebaut. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise in der EP 44 800 gezeigt. Der Inhalt dieser Publikation wird ausdrücklich in den Inhalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.
Der Resonator 3 ist auf der einen Seite mit einem akustischen Transformator 8 verschlossen, welcher am Ende die Longitudinal-Amplitude verkleinert. Auf der anderen Seite ist der Resonator mit einem Transformationsstück 9 mit dem Schallwandler 2 verbunden.
Der Schallwandler 2 ist typischer Weise als piezo elektrischer Konverter ausgebildet. Es können aber auch andere Wandler, z.B: magnetorestriktive eingesetzt werden. Die Länge des Transformationsstücks 9 bzw. des Transformators 8 beträgt λ/2, wobei λ die Wellenlänge bezeichnet, mit welcher der Resonator 3 durch den Schallwandler 2 longitudinal angeregt wird.
Die Länge L des Resonators 3 ist ausserdem so gewählt, dass sie ebenfalls λ/2 bzw. ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2 beträgt. Typischerweise kann der Resonator verhältnismässig lang ausgebildet sein, beispielsweise wie in EP 44 800 gezeigt eine Länge von 2,5 mal λ oder auch mehr (bis zu 20 λ/2) aufweisen.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik durch die gezielte Optimierung der Leistungsfähigkeit durch Vergrösserung bzw. Maximierung der mit der Flüssigkeit in Kontakt bringbaren Oberfläche 5. Dabei wird der mittlere Durchmesser des Resonators 3 trotzdem derart gewählt, dass ein kontrollierbarer Betriebszustand erreicht wird.
In Figur 2 ist ein vergrösserter Ausschnitt des Resonators 3 im Schnitt gezeigt. Der Resonator 3 ist rohrförmig ausgebildet und weist eine zylindrische Wand 4 mit einer Dicke a auf
Ausgehend von einer vorbestimmten Anregungsfrequenz wird die Länge L des Resonators 3 dimensioniert. Ebenso wird ausgehend von der Anregungs-Frequenz der Durchmesser des Resonators 3 so dimensioniert, dass die Oberfläche 5 so gross wie möglich wird, dass die radiale Resonanzfrequenz fr aber grösser ist als die Anregungfrequenz bzw. die longitudinale Resonanzfrequenz fr.
Die radiale Resonanzfrequenz fr beträgt näherungsweise Schallgeschwindigkeit im Resonatormittlerer Umfang
In Realität ergeben sich Abweichungen (Schallgeschwindigkeit hängt vom Walzvorgang ab, Endstücke beeinflussen die Geometrie).
Der mittlere Umfang ergibt sich rechnerisch aus dem mittleren Durchmesser dm. Der mittlere Durchmesser entspricht näherungsweise dem arithmetischen Mittel des äusseren Durchmessers dA und des inneren Durchmessers dI.
Der innere Durchmesser dI bzw. der äussere Durchmesser dA werden also in Abhängigkeit der longitudinalen Anregungsfrequenz fl so gewählt, dass fl mehr als 0,6 mal die radiale Resonanzfrequenz fr, jedoch weniger als die radiale Resonanzfrequenz fr beträgt.
In einem typischen Ausführungsbeispiel ist der Resonator aus rostfreiem Stahl ausgebildet.
Der Resonator 3 wird durch den Konverter 2 mit einer Frequenz von 25 kHz angeregt. Der Innendurchmesser dI beträgt 45 mm und der Aussendurchmesser beträgt 55 mm. Bei diesem Resonator wurde eine Radialresonanzfrequenz fr von 33,2 kHz gemessen.
Die longitudinale Anregungs- bzw. Resonanzfrequenz fl beträgt also 0,753 fr. Die Länge L des Resonators beträgt 180 mm, dies entspricht zwei mal 2 λ/2.
In Figur 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, gemäss welchem der Resonator 3 beidseitig mit einem Schallwandler 2 angeregt wird. Die beiden Schallwandler 2 arbeiten im Gleichtakt oder Gegentakt synchron miteinander.
In Figur 4a ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Resonators 3 gezeigt. Der Resonator 3 ist auf seiner Aussenfläche mit senkrecht zur longitudinalen Schwingungsrichtung verlaufenden Flächen 7 versehen. Die Flächen 7 dienen zum Einleiten von Longitudinalschwingungen in die Flüssigkeit.
Figur 4b zeigt ein Ausführungsbeispiel in dem die Flächen 7 als Vertiefung in der Aussenfläche des Resonators 3 gebildet werden.
In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 gezeigt, bei welcher zur Leistungserhöhung eine Vielzahl von Schallwandlern 2 vorgesehen sind, wobei innere Schallwandler 2 innerhalb des Resonators 3 angeordnet sind.
Die Erfindung ist nicht auf die konkrete Ausgestaltung des Resonators, insbesondere nicht auf dessen Form oder auf Anzahl oder Verteilung von Schallwandlern beschränkt. Wesentlich ist, dass die Oberfläche 5, welche Ultraschallenergie in die umgebende Flüssigkeit abgibt maximiert wird, während gleichzeitig die Dimension des Resonators so gewählt wird, dass die longitudinale Anregungsfrequenz fl unterhalb der radialen Resonanzfrequenz fr bleibt.

Claims (10)

  1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Beschallung von Reinigungsbädern,
    mit wenigstens einem Schallwandler (2) und einem daran angeschlossenen, etwa rohrförmig ausgebildeten Resonator, dessen Oberfläche (5) mit der Flüssigkeit in Berührung bringbar ist,
    wobei wenigstens ein Ende des Resonators (3) am Ort eines longitudinalen Schwingungsmaximums an eine Stirnfläche des Schallwandlers (2) angeschlossen ist und wobei die Gesamtlänge (L) des Resonators (3) auf ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge (λ/2) der vom Schallwandler (2) in den Resonator (3) eingespeisten Longitudinalschwingung abgestimmt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (3) derart dimensioniert ist, dass insbesondere der Aussendurchmesser (dA) und der Innendurchmesser (dI) so gewählt sind, dass der Wert der longitudinalen Resonanzfrequenz (fl) wenigstens 0,6 mal den Wert (λr) der radialen Resonanzfrequenz beträgt und dass die longitudinale Resonanzfrequenz (fl) kleiner ist als die radiale Resonanzfrequenz (fr).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aus einem zylindrischen Profil besteht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein polygonales Hohlprofil aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper im Innern mit Flüssigkeit gefüllt oder von Flüssigkeit durchfliessbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator Flächen (7) aufweist, die etwa senkrecht zur longitudinalen Schwingungsrichtung stehen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Schallwandler (2) abgewandte Ende des Resonators (3) mit einem akustischen Transformator (8) oder einem weiteren Schallwandler (2) abgeschlossen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Resonators (3) wenigstens ein weiterer Schallwandler (2) angeordnet ist, um den Resonator (3) longitudinal anzutreiben.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (3) derart dimensioniert ist, dass die longitudinale Resonanzfrequenz mehr als 0,7, insbesondere mehr als 0,8 mal den Wert der radialen Resonanzfrequenz (fr) beträgt.
  9. Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten, mittels eines Schallwandlers und eines daran angeschlossenen, hohl ausgebildeten Resonators, dessen Wand mit der Flüssigkeit in Berührung gebracht wird, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator longitudinal mit einer Frequenz (fl) angeregt wird, die unterhalb der radialen Resonanzfrequenz (fr) des Resonators liegt, jedoch grösser als 0,6 mal die radiale Resonanzfrequenz (fr) des Resonators (3) ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (3) mit einer longitudinalen Frequenz (fl) angeregt wird, die mehr als 0,7, insbesondere mehr als 0,8 mal den Wert der radialen Resonanzfrequenz (fr) beträgt.
EP99810566A 1999-07-02 1999-07-02 Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie Withdrawn EP1065009A1 (de)

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