EP1859436A1 - Rod-shaped ultrasonic resonator for producing ultrasound in liquids - Google Patents

Rod-shaped ultrasonic resonator for producing ultrasound in liquids

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EP1859436A1
EP1859436A1 EP06700984A EP06700984A EP1859436A1 EP 1859436 A1 EP1859436 A1 EP 1859436A1 EP 06700984 A EP06700984 A EP 06700984A EP 06700984 A EP06700984 A EP 06700984A EP 1859436 A1 EP1859436 A1 EP 1859436A1
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EP
European Patent Office
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heat transfer
transfer element
housing
ultrasonic rod
rod
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EP06700984A
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EP1859436B1 (en
EP1859436B8 (en
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Dieter Weber
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Weber Dieter
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Weber Dieter
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device

Definitions

  • the liquid of the baths is excited with ultrasound.
  • rod vibrators are used, which are either completely submerged, or reach only with the resonator in the bath.
  • To the ultrasonic rod oscillator includes a resonator on which at least one end of an ultrasonic head is mounted and acts as a radiator.
  • the head forms a housing in which the piezoelectric ultrasonic transducer is housed.
  • the electrical converter consists of several piezoelectric ceramic discs.
  • the Curie temperature of the ceramic disks is about 300 ° C. If the ceramic disks are heated to this temperature or higher, the piezoelectric effect disappears irreversibly. If the piezoelectric transducer is to operate in continuous operation, a clear safety margin must be maintained by the Curie temperature. Usually, the temperature at the surface of the ceramic transducer may not exceed about 150 0 C. At a bath temperature of about 130 0 C thus remains a permissible excess temperature of only 2O 0 C.
  • the ceramic piezoelectric transducer show a very high efficiency. However, the supplied electrical energy is not completely converted into ultrasonic energy, but leads in part to the heating of the converter.
  • the ultrasonic energy to be generated by the transducer is thus limited by the excess temperature of the transducer.
  • the piezoelectric transducer is cooled in the known devices substantially only via the mechanically coupled resonator, which consists of titanium. Titan is a bad conductor of heat. Other cooling practically does not take place because of ultrasonic reasons, the housing of the head is filled with air, which forms an extremely poor heat conductor, so that the heat is practically dissipated through the housing wall.
  • the ultrasonic rod oscillator according to the invention has a resonator on which the piezoelectric transducer is coupled by means of ultrasound technology via a coupling element.
  • the coupling element forms partly part of the housing wall at the same time.
  • the attachment of the housing or the housing wall is located at a vibration node, so that the ultrasonic energy is fed exclusively into the resonator, while the housing itself remains virtually free of ultrasound.
  • the piezoelectric transducer, together with the fastening device, on the coupling device has a length of about ⁇ / 4 and is thus too compact to be able to give off appreciably heat.
  • a heat transfer element is coupled to the piezoelectric transducer.
  • the heat transfer element is designed according to the one solution so that it forms, together with the inner wall of the housing, a very narrow air gap. The narrower the air gap, the smaller the thermal resistance of this air layer, i. the more heat can be transferred from the piezoelectric transducer to the housing and thus to the bath.
  • a heat transfer element which acts as a heat sink in the case of a ventilated housing.
  • the last arrangement comes into question when the converter is anyway outside the bathroom.
  • the length of the heat transfer element is chosen in the area that is integrated into the sound paths, so that thereby the acoustic conditions are not disturbed.
  • the heat transfer element may have a length of ⁇ / 2, wherein it is connected immediately adjacent to an end face of the piezoelectric transducer.
  • the heat transfer element may have a cylindrical shape or a prismatic, wherein the cross section is suitably star-shaped to obtain the largest possible area, can be discharged through the heat to the housing and thus to the bathroom.
  • cup As a heat transfer element.
  • the bottom is formed by the commonly used polished steel sheath which is interposed between the central nut and the piezoelectric transducer to mechanically fix it.
  • the heat transfer element can not only be arranged on the end remote from the coupling part of the piezoelectric transducer. It has been found that the piezoelectric transducer does not reach its highest temperature directly in the region of the end remote from the resonator, but at a small distance in front of it. For this reason, it is advantageous if the heat transfer element is inserted into the piezoelectric transducer. For this purpose, the heat transfer element again has a length of ⁇ / 2.
  • the heat transfer element has a large surface area, wherein the surface serving for the cooling is expediently oriented parallel to the flow path of the air due to the convection effect.
  • FIG. 2 shows the head of the bar oscillator according to FIG. 1 in a side view with the housing open;
  • Fig. 3 shows the head "of the rod oscillator in a representation similar to Fig. 2 with a different positioning the heat transfer element
  • Fig. 4 shows the head of the bar oscillator of Figure 1, a view similar to Figure 2 with a cup-shaped heat transfer element.
  • FIG. 5 shows a section through a head of a rod vibrator with a star-shaped heat transfer element and a housing adapted thereto and
  • Fig. 6 shows the head of a bar oscillator of a representation similar to Fig. 2 using a heat transfer element with cooling fins.
  • FIG. 1 shows an ultrasound rod oscillator 1 in a perspective representation that is not to scale.
  • the ultrasonic rod oscillator 1 includes a resonator 2 and a head 3 connected to the resonator 2.
  • the resonator 2 is continuously cylindrical over its length with a constant diameter. At its end remote from the head 3, it has a conical tip 4.
  • the head 3 is provided at its rear with a threaded pin 5 which is tubular and from which leads out an electrical cable 6, via which the electrical energy is fed into the head 3.
  • the structure of the head is shown in Fig. 2.
  • the head 3 includes a connecting element 1, a piezoelectric transducer 8, a heat transfer element 9 and a cup-shaped housing cover 10.
  • the connecting element 7 is a one-piece body made of titanium with a cylindrical extension 11 whose outer diameter corresponds to the outer diameter of the resonator 2.
  • a blind bore 12 is arranged coaxially with an internal thread. With the help of the blind bore 12 of the resonator 2 is attached to the connecting element.
  • the connecting element 7 forms following the extension 11, a flange 13, which merges via a recess in a threaded extension 14 and is the part of the housing of the head 3.
  • the threaded extension 14 is tubular and surrounds a pin 15 which is mechanically fixedly connected to the cylindrical extension 11.
  • a kind of membrane is formed to decouple the flange 13 and the thread 14 from the vibrations, which are fed by the piezoelectric transducer 8 in the extension 11 maximum.
  • the connecting element 7 is a piece of titanium worked from the solid and thus in one piece.
  • the projection 11 to the coaxial pin 15 forms a plane surface 16 on which the piezoelectric transducer 8 rests.
  • the piezoelectric transducer 8 is composed in the illustrated embodiment of a total of ⁇ piezoelectric ceramic discs 17, between which electrodes 18 are inserted.
  • the electrodes 18 are each provided on one side with terminal lugs 19, to which power supply lines 20 are connected.
  • Each lying on one side terminal lugs 19 are electrically connected in parallel, which, in electrical terms, results in a dipole, in which the feeding or stimulating AC voltage with a frequency ofmense greater than 25 kHz is fed.
  • Both the ceramic discs 17 and the disc-shaped electrodes 18 are disc-shaped rings with flat end faces.
  • the electrode 18 lying furthest to the right in FIG. 3 forms the right front end of the piezoelectric transducer 8, while the leftmost ceramic disk 17, which bears directly against the pin 16, represents the left front end.
  • the piezoelectric transducer 8 is substantially cylindrical with planar end faces.
  • the heat transfer element 9 is designed in the form of a cylindrical tube with flat front end 22 and 23.
  • the lateral surface 24 is cylindrical.
  • a friction-reducing steel plate 25 On the side remote from the piezoelectric transducer 8 side of the heat transfer element 9 is a friction-reducing steel plate 25 which is pressed by means of a nut 26 against the piezoelectric transducer 8.
  • the nut 26 is screwed onto a threaded pin 27 indicated by dashed lines, which is anchored at the other end in the pin 16 of the connecting element 7.
  • Both the threaded pin 27 and the nut 26 are made of titanium, while the heat transfer element 9 is made of aluminum.
  • the rightmost electrode 18 is an electrode which simultaneously feeds the leftmost ceramic disk 17 as well.
  • the heat transfer element 9 has between its two end faces 22 and 23 an acoustic length of ⁇ / 2.
  • the length of the piezoelectric transducer 8, including the disk 25 of the nut 26 and the pin 16, which extends to the housing wall, has a length of ⁇ / 4.
  • the right end of the nut 26 is thus on a vibration at the resonant frequency.
  • the housing cover 10 is, as shown, cup-shaped and is composed of a collar 28 and a cup bottom 29, from which the threaded pin 5 protrudes. At its free end, the collar 28 is provided with an internal thread 31 which is screwed in the assembled state with the thread 14.
  • the collar 28 forms a cylindrical housing inner wall 32.
  • the diameter that the housing inner wall 32 is defined is slightly larger than the outer diameter of the outer peripheral surface 24 of the heat transfer element 9.
  • the housing inner wall 32 lies in a position as shown in FIG Dashed lines 33 is illustrated.
  • the inner wall 32 thus forms, with the outer peripheral surface 24, a narrow, cylindrical gap 34 having a thickness between 0.5 mm and 5 mm and the length of the heat transfer element 9. As a result, the thermal resistance to the outside of the housing 10 is greatly reduced.
  • the maximum is Outer diameter of the piezoelectric transducer 8, including the protruding terminal lugs 19, smaller than the outer diameter of the heat transfer element 9 and the inner diameter of the inner space 32 corresponds.
  • the right end of the piezoelectric transducer 8 thus experiences a much better cooling than in the prior art.
  • the right end would only be cooled to the extent that it would conduct over the poorly heat conductive because the titanium pin 27 would dissipate heat toward the resonator 2.
  • the housing cup 10 is additionally used to transfer heat from the piezoelectric transducer 8 into the bath.
  • the ceramic discs 17 are not good heat conductors.
  • the arrangement according to FIG. 2 will consequently show the maximum excess temperature in a region which lies between the two front ends of the piezoelectric transducer, it is advantageous if the heat transfer element 9 according to FIG. 3 is inserted into the piezoelectric transducer 8.
  • the thermal resistance in the embodiments according to FIGS. 2 and 3 is determined by the area of the annular gap 34 and its thickness.
  • the thermal resistance is inversely proportional to the surface and inversely proportional to the thickness.-
  • the thickness of the gap 34 can not be reduced for manufacturing reasons below a certain technical level, without the risk that the heat transfer element 9 touches the inside 32. This effect must be avoided at all costs, because otherwise ultrasonic energy would be coupled into the housing 10.
  • the surface of the gap there are also limits, because the head can not grow arbitrarily in diameter.
  • the heat transfer element 9 has the shape of a cup with a bottom 36 and a collar 37.
  • the collar of the cup faces away from the piezoelectric transducer 8, i. in Fig. 4 to the right.
  • the bottom 36 lies between the right end of the piezoelectric transducer 8 and the central mounting nut 26.
  • the bottom 36 replaces the steel disk 25, i. the cup 37 is preferably at least in the region of the bottom 36 of the polished steel disc.
  • the collar 37 is both cylindrical outside and inside, i. he limits a cylindrical interior.
  • the housing cup 10 is provided deviating from the previous embodiment with an inwardly projecting cylindrical pin 38.
  • the pin 38 is designed as a hollow structure, so that the bath liquid can circulate therein.
  • the collar 28 of the housing cup 10 forms the cylindrical gap 34 with a small width, as in the embodiment of Figures 2 and 3.
  • Another cylinder gap with similarly small gap width arises between the cylindrical inner wall of the collar 37 and the pin 38th
  • cup-shaped heat transfer element 9 is able to dissipate heat to the housing cup 10 and from there into the bath both on the outside and on the inside of the collar 37.
  • FIG. 5 Another way to increase the area of the air gap between the heat transfer element 9 and the cup-shaped housing 10 is illustrated in FIG. 5.
  • the heat transfer element 9 except for grooves for electrical connections, is largely rotationally symmetrical, has the heat transfer element 9 of FIG. 5 seen in cross-section on a star-shaped structure.
  • Fig. 5 shows a section through the head 3 at right angles to the longitudinal axis or parallel to the axis along which propagate the ultrasonic waves, by the heat transfer element 9.
  • the middle draw bolt 27 and the star-shaped heat transfer element 9. It settles mentally composed of a circular ring and of this outgoing triangular spikes together.
  • the collar 28 of the housing 10 has an inner wall 32 which is complementary star-shaped.
  • Such a structure can be produced for example by sinking EDM or by punching of corresponding slats.
  • the pass through holes 41 therethrough.
  • the mutually aligned bores 41 are provided both on an overhanging collar of the bottom 29 of the housing 10 and in the flange 13.
  • FIGS. 2 to 5 relate to ultrasonic rod vibrators which can be used fully submerged.
  • the head 3 is also in the bathroom.
  • Fig. 6 shows an embodiment of an ultrasound rod vibrator 1, the head 3 is arranged outside the bath. With the flange 13 of the head 3 is fixed to the container wall. The housing 10 is in the free atmosphere. It is sufficient if the further description is limited to the differences from the previous embodiments.
  • the collar 28 is provided the housing cup 10 having a plurality of air holes 42 through which the outside atmosphere can pass circulates • lose.
  • a heat transfer element 9 is used, which carries on its outer side a plurality of cooling fins 43.
  • the heat transfer member 9 of Fig. 6 is arranged in the same manner as in the embodiment It can also be positioned centrally in the piezoelectric transducer 8, corresponding to FIG. 2.
  • the length of the heat transfer element 9 in the axial direction is in turn chosen so that at the end of the clamping nut 26 of the antinode of the standing wave is. While the passage point through the wall, which is formed in the connecting element 7, is located on the position of the vibration node.
  • the cooling fins are shown in Fig. 6 only schematically. It is understood that the cross-sectional shape and the diameter of the cooling fins 43 is also dimensioned according to sound technical aspects, in order to avoid a break due to the induced sound vibrations.
  • An ultrasonic rod oscillator has a heat transfer element that is thermally coupled well with the piezoelectric transducer. It ensures that the thermal resistance to the surrounding atmosphere or to the housing, and thus to the bath is reduced with submerged rod oscillators.

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Abstract

The invention relates to a rod-shaped ultrasonic resonator which comprises a heat-transfer element that is coupled to the piezoelectric transducer in a thermally advantageous manner. The heat-transfer element reduces the thermal resistance relative to the surrounding atmosphere or the housing and thereby relative to the bath when the rod-shaped resonator is submerged in said bath.

Description

ULTRASCHALL-STABSCHWINGER ZUR ERZEUGUNG VON ULTRASCHALL IN FLÜSSIGKEITENULTRASONIC PUSH-BUTCHER FOR THE PRODUCTION OF ULTRASONIC IN LIQUIDS
Um die Reinigungswirkung von Bädern zu erhöhen wird die Flüssigkeit der Bäder mit Ultraschall angeregt. Zur Ultraschallanregung werden sogenannte Stabschwinger verwendet, die entweder vollständig untergetaucht sind, oder nur mit dem Resonator in das Bad reichen.In order to increase the cleaning effect of baths, the liquid of the baths is excited with ultrasound. For ultrasonic excitation so-called rod vibrators are used, which are either completely submerged, or reach only with the resonator in the bath.
Zu dem Ultraschall-Stabschwinger gehört ein Resonator, an dem an wenigstens einem Ende ein Ultraschallkopf angebracht ist und als Strahler wirkt. Der Kopf bildet ein Gehäuse in dem der piezoelektrische Ultraschallwandler untergebracht ist.To the ultrasonic rod oscillator includes a resonator on which at least one end of an ultrasonic head is mounted and acts as a radiator. The head forms a housing in which the piezoelectric ultrasonic transducer is housed.
Der elektrische Wandler besteht aus mehreren piezoelektrischen Keramikscheiben. Die Curietemperatur der Keramikscheiben liegt bei ca. 3000C. Werden die Keramikscheiben bis auf diese Temperatur oder höher erwärmt, verschwindet der piezoelektrische Effekt irreversibel. Wenn der piezoelektrische Wandler im Dauerbetrieb arbeiten soll, muss von der Curietemperatur ein deutlicher Sicherheitsabstand eingehalten werden. Üblicherweise darf die Temperatur an der Oberfläche des keramischen Wandlers ca. 1500C nicht übersteigen. Bei einer Badtemperatur von ca. 1300C bleibt somit eine zulässige Übertemperatur von nur noch 2O0C.The electrical converter consists of several piezoelectric ceramic discs. The Curie temperature of the ceramic disks is about 300 ° C. If the ceramic disks are heated to this temperature or higher, the piezoelectric effect disappears irreversibly. If the piezoelectric transducer is to operate in continuous operation, a clear safety margin must be maintained by the Curie temperature. Usually, the temperature at the surface of the ceramic transducer may not exceed about 150 0 C. At a bath temperature of about 130 0 C thus remains a permissible excess temperature of only 2O 0 C.
Die aus Keramik bestehenden piezoelektrischen Wandler zeigen einen sehr hohen Wirkungsgrad. Gleichwohl wird die zugeführte elektrische Energie nicht vollständig in Ultraschallenergie umgewandelt, sondern führt zum Teil auch zur Erwärmung des Wandlers.The ceramic piezoelectric transducer show a very high efficiency. However, the supplied electrical energy is not completely converted into ultrasonic energy, but leads in part to the heating of the converter.
Die mit dem Wandler zu erzeugende Ultraschallenergie wird damit von der Übertemperatur des Wandlers begrenzt.The ultrasonic energy to be generated by the transducer is thus limited by the excess temperature of the transducer.
Der piezoelektrische Wandler wird bei den bekannten Einrichtungen im Wesentlichen nur über den mechanisch angekoppelten Resonator gekühlt, der aus Titan besteht. Titan ist ein schlechter Wärmeleiter. Sonstige Kühlung findet praktisch nicht statt, weil aus ultraschalltechnischen Gründen das Gehäuse des Kopfes mit Luft gefüllt ist, die einen extrem schlechten Wärmeleiter bildet, so dass die Wärme über die Gehäusewand praktisch nicht abgeführt wird.The piezoelectric transducer is cooled in the known devices substantially only via the mechanically coupled resonator, which consists of titanium. Titan is a bad conductor of heat. Other cooling practically does not take place because of ultrasonic reasons, the housing of the head is filled with air, which forms an extremely poor heat conductor, so that the heat is practically dissipated through the housing wall.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung einen Ultraschallwandler zu schaffen, der eine größere Ultraschallenergie erzeugen kann.Based on this, it is an object of the invention to provide an ultrasonic transducer which can generate a larger ultrasonic energy.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Ultraschall-Stabschwinger mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 20 gelöst.This object is achieved according to the invention with an ultrasonic rod oscillator having the features of claim 1 or claim 20 solved.
Der erfindungsgemäße Ultraschall-Stabschwinger weist einen Resonator auf, an dem über ein Kupplungselement der piezoelektrische Wandler ultraschalltechnisch angekuppelt ist. Das Kupplungselement bildet zum Teil gleichzeitig ein Teil der Gehäusewand. Die Befestigung des Gehäuses bzw. die Gehäusewand befindet sich an einem Schwingungsknoten, damit die Ultraschallenergie ausschließlich in den Resonator eingespeist wird, während das Gehäuse selbst praktisch frei von Ultraschall bleibt.The ultrasonic rod oscillator according to the invention has a resonator on which the piezoelectric transducer is coupled by means of ultrasound technology via a coupling element. The coupling element forms partly part of the housing wall at the same time. The attachment of the housing or the housing wall is located at a vibration node, so that the ultrasonic energy is fed exclusively into the resonator, while the housing itself remains virtually free of ultrasound.
Der piezoelektrische Wandler weist, zusammen mit der Befestigungseinrichtung, an der Kopplungseinrichtung eine Länge von ca. λ/4 auf und ist somit zu kompakt, um nennenswert Wärme abgeben zu können.The piezoelectric transducer, together with the fastening device, on the coupling device has a length of about λ / 4 and is thus too compact to be able to give off appreciably heat.
Erfindungsgemäß ist deswegen mit dem piezoelektrischen Wandler ein Wärmeübertragungselement gekoppelt. Das Wärmeübertragungselement ist gemäß der einen Lösung so gestaltet, dass es, zusammen mit der Innenwand des Gehäuses, einen sehr engen Luftspalt bildet. Je enger der Luftspalt ist, umso kleiner ist der Wärmewiderstand dieser Luftschicht, d.h. umso mehr Wärme kann von dem piezoelektrischen Wandler auf das Gehäuse und damit auf das Bad übertragen werden.Therefore, according to the invention, a heat transfer element is coupled to the piezoelectric transducer. The heat transfer element is designed according to the one solution so that it forms, together with the inner wall of the housing, a very narrow air gap. The narrower the air gap, the smaller the thermal resistance of this air layer, i. the more heat can be transferred from the piezoelectric transducer to the housing and thus to the bath.
Gemäß der anderen Lösung ist vorgesehen ein Wärmeüber- tragungselement zu schaffen, dass bei einem durchlüfteten Gehäuse als Kühlkörper wirkt. Die letzte Anordnung kommt in Frage, wenn sich der Wandler ohnehin außerhalb des Bads befindet. Dies ist eine Lösung die gelegentlich vorzufinden ist. Die Länge des Wärmeübertragungselementes ist in dem Bereich, der in die Schallwege eingebunden ist, so gewählt, dass hierdurch die akustischen Verhältnisse nicht gestört werden. Beispielsweise kann das Wärmeübertragungselement eine Länge von λ/2 haben, wobei es unmittelbar anschließend an eine Stirnseite des piezoelektrischen Wandlers angeschlossen ist. Bei dieser Ausgestaltung kann das Wärmeübertragungselement eine zylindrische Gestalt haben oder auch eine prismatische, wobei der Querschnitt zweckmäßigerweise sternförmig ist um eine möglichst große Fläche zu erhalten, über die Wärme an das Gehäuse und somit an das Bad abgegeben werden kann.According to the other solution, it is provided that a heat transfer element is provided which acts as a heat sink in the case of a ventilated housing. The last arrangement comes into question when the converter is anyway outside the bathroom. This is a solution that is occasionally found. The length of the heat transfer element is chosen in the area that is integrated into the sound paths, so that thereby the acoustic conditions are not disturbed. For example, the heat transfer element may have a length of λ / 2, wherein it is connected immediately adjacent to an end face of the piezoelectric transducer. In this embodiment, the heat transfer element may have a cylindrical shape or a prismatic, wherein the cross section is suitably star-shaped to obtain the largest possible area, can be discharged through the heat to the housing and thus to the bathroom.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Becher als Wärmeübertragungselement einzusetzen. Bei diesem Becher ist beispielsweise der Boden von der üblicherweise verwendeten polierten Stahlscheide gebildet, die zwischen der Zentralmutter und dem piezoelektrischen Wandler liegt, um ihn mechanisch zu befestigen.Another possibility is to use a cup as a heat transfer element. In this cup, for example, the bottom is formed by the commonly used polished steel sheath which is interposed between the central nut and the piezoelectric transducer to mechanically fix it.
Das Wärmeübertragungselement kann nicht nur an dem von dem Kupplungsteil abliegenden Ende des piezoelektrischen Wandlers angeordnet sein. Es hat sich gezeigt, dass der piezoelektrische Wandler seine höchste Temperatur nicht unmittelbar im Bereich des vom Resonator abliegenden Endes reicht, sondern in einem geringen Abstand davor. Aus dieser Sachlage- heraus ist es vorteilhaft, wenn das Wärmeübertragungselement in den piezoelektrischen Wandler eingefügt ist. Hierzu weist das Wärmeübertragungselement wiederum eine Länge von λ/2 auf.The heat transfer element can not only be arranged on the end remote from the coupling part of the piezoelectric transducer. It has been found that the piezoelectric transducer does not reach its highest temperature directly in the region of the end remote from the resonator, but at a small distance in front of it. For this reason, it is advantageous if the heat transfer element is inserted into the piezoelectric transducer. For this purpose, the heat transfer element again has a length of λ / 2.
Die einzelnen Maßnahmen hinsichtlich Oberflächengestalt, Einfügung oder becherförmige Gestalt bzw. durchge- hender Gestalt lassen sich in vielfältiger Weise miteinander kombinieren.The individual measures regarding surface shape, insertion or cup shape or This figure can be combined in a variety of ways.
Im Falle eines luftdurchlässigen Gehäuses für den Resonatorkopf ist es von Vorteil, wenn das Wärmeübertragungselement der eine große Oberfläche aufweist, wobei die der Kühlung dienenden Fläche zweckmäßigerweise so ausgerichtet sind, dass sie parallel zum Strömungsweg der Luft aufgrund der Konvektionswirkung liegen.In the case of an air-permeable housing for the resonator head, it is advantageous if the heat transfer element has a large surface area, wherein the surface serving for the cooling is expediently oriented parallel to the flow path of the air due to the convection effect.
Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.Incidentally, developments of the invention are the subject of subclaims.
Beim Durchlesen der Figurenbeschreibung wird klar, dass eine Reihe von Abwandlungen möglich sind, die sich aus den jeweiligen Anforderungen ergeben. Außerdem sind eine Reihe von Kombinationen der geoffenbarten Merkmale möglich. Jede denkbare Kombination zu beschreiben würde den Umfang der Figurenbeschreibung unnötig anwachsen lassen. Die Figurenbeschreibung beschränkt sich deswegen auf wenige Grundvarianten.When reading the figure description, it is clear that a number of modifications are possible, which result from the respective requirements. In addition, a number of combinations of the disclosed features are possible. Describing any conceivable combination would unnecessarily increase the scope of the description of the figures. The description of the figures is therefore limited to a few basic variants.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt es zeigen:In the drawings, embodiments of the subject matter of the invention are shown, in which:
Fig. 1 einen Ultraschall-Stabschwinger, in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung;1 shows an ultrasonic rod oscillator, in a simplified perspective view;
Fig. 2 den Kopf des Stabschwingers nach Fig. 1 in einer Seitenansicht mit geöffnetem Gehäuse;FIG. 2 shows the head of the bar oscillator according to FIG. 1 in a side view with the housing open; FIG.
Fig. 3 den Kopf "des Stabschwingers in einer Darstellung ähnlich Fig. 2 mit einer anderen Positionierung des Wärmeübertragungselementes;Fig. 3 shows the head "of the rod oscillator in a representation similar to Fig. 2 with a different positioning the heat transfer element;
Fig. 4 den Kopf des Stabschwingers nach Fig. 1, einer ähnlichen Darstellung wie in Fig. 2 mit einem becherförmigen Wärmeübertragungselement;Fig. 4 shows the head of the bar oscillator of Figure 1, a view similar to Figure 2 with a cup-shaped heat transfer element.
Fig. 5 einen Schnitt durch einen Kopf eines Stabschwingers mit einem sternförmigen Wärmeübertragungselement und einem daran angepassten Gehäuse und5 shows a section through a head of a rod vibrator with a star-shaped heat transfer element and a housing adapted thereto and
Fig. 6 den Kopf eines Stabschwingers einer Darstellung ähnlich wie Fig. 2 unter Verwendung eines Wärmeübertragungselementes mit Kühlrippen.Fig. 6 shows the head of a bar oscillator of a representation similar to Fig. 2 using a heat transfer element with cooling fins.
Fig. 1 zeigt in einer nicht maßstäblichen perspektivischen Darstellung einen Ultraschall-Stabschwinger 1. Zu dem Ultraschall-Stabschwinger 1 gehören ein Resonator 2 sowie ein an dem Resonator 2 angeschlossenen Kopf 3. Der Resonator 2 ist über seine Länge durchgehend zylindrisch mit konstantem Durchmesser. An seinem von dem Kopf 3 abliegenden Ende weist er eine kegelförmige Spitze 4 auf.FIG. 1 shows an ultrasound rod oscillator 1 in a perspective representation that is not to scale. The ultrasonic rod oscillator 1 includes a resonator 2 and a head 3 connected to the resonator 2. The resonator 2 is continuously cylindrical over its length with a constant diameter. At its end remote from the head 3, it has a conical tip 4.
Der Kopf 3 ist an seiner Rückseite mit einem Gewindezapfen 5 versehen, der rohrförmig ist und aus dem ein elektrisches Kabel 6 herausführt, über das die elektrische Energie in den Kopf 3 eingespeist wird. Der Aufbau des Kopfes ist in Fig. 2 dargestellt.The head 3 is provided at its rear with a threaded pin 5 which is tubular and from which leads out an electrical cable 6, via which the electrical energy is fed into the head 3. The structure of the head is shown in Fig. 2.
Zu dem Kopf 3 gehören ein Verbindungselement 1 , ein piezoelektrischer Wandler 8, ein Wärmeübertragungselement 9 sowie ein becherförmiger Gehäusedeckel 10.The head 3 includes a connecting element 1, a piezoelectric transducer 8, a heat transfer element 9 and a cup-shaped housing cover 10.
Das Verbindungselement 7 ist ein einstückiger Körper aus Titan mit einem zylindrischen Fortsatz 11, dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Resonators 2 entspricht. In dem zylindrischen Fortsatz 11 ist eine Sackbohrung 12 mit einem Innengewinde koaxial angeordnet. Mit Hilfe der Sackbohrung 12 wird der Resonator 2 an dem Verbindungselement befestigt.The connecting element 7 is a one-piece body made of titanium with a cylindrical extension 11 whose outer diameter corresponds to the outer diameter of the resonator 2. In the cylindrical extension 11, a blind bore 12 is arranged coaxially with an internal thread. With the help of the blind bore 12 of the resonator 2 is attached to the connecting element.
Das Verbindungselement 7 bildet im Anschluss an den Fortsatz 11 einen Flansch 13, der über einen Rücksprung in einen Gewindefortsatz 14 übergeht und der Teil des Gehäuses des Kopfes 3 ist. Der Gewindefortsatz 14 ist rohrförmig und umgibt einen Zapfen 15, der mechanisch fest mit dem zylindrischen Fortsatz 11 verbunden ist.The connecting element 7 forms following the extension 11, a flange 13, which merges via a recess in a threaded extension 14 and is the part of the housing of the head 3. The threaded extension 14 is tubular and surrounds a pin 15 which is mechanically fixedly connected to the cylindrical extension 11.
Zwischen dem Zapfen 15 und dem Gewindestück 14 ist eine Art Membrane ausgebildet, um den Flansch 13 bzw. das Gewinde 14 maximal von den Schwingungen zu entkoppeln, die von dem piezoelektrischen Wandler 8 in den Fortsatz 11 eingespeist werden.Between the pin 15 and the threaded part 14, a kind of membrane is formed to decouple the flange 13 and the thread 14 from the vibrations, which are fed by the piezoelectric transducer 8 in the extension 11 maximum.
Das Verbindungselement 7 ist ein aus dem Vollen gearbeitetes Titanstück und somit einstückig.The connecting element 7 is a piece of titanium worked from the solid and thus in one piece.
Der zu dem Fortsatz 11 koaxiale Zapfen 15 bildet eine Planfläche 16 auf dem der piezoelektrische Wandler 8 aufliegt. Der piezoelektrische Wandler 8 setzt sich im gezeigten Ausführungsbeispiel aus insgesamt β piezoelektrischen Keramikscheiben 17 zusammen, zwischen denen Elektroden 18 eingefügt sind. Die Elektroden 18 sind jeweils auf einer Seite mit Anschlussfahnen 19 versehen, an die Stromzuleitungen 20 angeschlossen sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zeigen drei der Anschlussfahnen 19, bezogen auf Fig. 2, nach oben und insgesamt drei nach unten. Die jeweils auf einer Seite liegenden Anschlussfahnen 19 sind elektrisch parallel geschaltet, womit sich, elektrisch gesehen, ein Zweipol ergibt, in den die speisende oder anregende Wechselspannung mit einer Frequenz von üblicherwiese größer 25 kHz eingespeist wird.The projection 11 to the coaxial pin 15 forms a plane surface 16 on which the piezoelectric transducer 8 rests. The piezoelectric transducer 8 is composed in the illustrated embodiment of a total of β piezoelectric ceramic discs 17, between which electrodes 18 are inserted. The electrodes 18 are each provided on one side with terminal lugs 19, to which power supply lines 20 are connected. In the embodiment shown, three of the terminal lugs 19, based on Fig. 2, upwards and a total of three downwards. Each lying on one side terminal lugs 19 are electrically connected in parallel, which, in electrical terms, results in a dipole, in which the feeding or stimulating AC voltage with a frequency of üblicherwiese greater than 25 kHz is fed.
Sowohl die Keramikscheiben 17 als auch die scheibenförmigen Elektroden 18 sind scheibenförmige Ringe mit planen Stirnflächen.Both the ceramic discs 17 and the disc-shaped electrodes 18 are disc-shaped rings with flat end faces.
Die am weitesten rechts in Fig. 3 liegende Elektrode 18 bildet das rechte Stirnende des piezoelektrischen Wandlers 8, während die am weitersten links liegende Keramikscheibe 17, die unmittelbar an dem Zapfen 16 anliegt, das linke Stirnende darstellt. Wie zu erkennen ist, ist der piezoelektrische Wandler 8 im Wesentlichen zylindrisch mit planen Stirnflächen.The electrode 18 lying furthest to the right in FIG. 3 forms the right front end of the piezoelectric transducer 8, while the leftmost ceramic disk 17, which bears directly against the pin 16, represents the left front end. As can be seen, the piezoelectric transducer 8 is substantially cylindrical with planar end faces.
Das Wärmeübertragungselement 9 ist in Gestalt eines zylindrischen Rohres mit planen Stirnende 22 und 23 ausgeführt. Die Mantelfläche 24 ist zylindrisch.The heat transfer element 9 is designed in the form of a cylindrical tube with flat front end 22 and 23. The lateral surface 24 is cylindrical.
Auf der von den piezoelektrischem Wandler 8 abliegenden Seite des Wärmeübertragungselements 9 befindet sich eine reibmindernde Stahlscheibe 25, die mit Hilfe einer Mutter 26 gegen den piezoelektrischen Wandler 8 angepresst wird. Die Mutter 26 ist auf einen gestrichelt angedeuteten Gewindezapfen 27 aufgeschraubt, der anderenends in dem Zapfen 16 des Verbindungselementes 7 verankert ist. Sowohl der Gewindezapfen 27 als auch die Mutter 26 bestehen aus Titan, während das Wärmeübertragungselement 9 aus Aluminium hergestellt ist. Zufolge dieser Anordnung ist die am weitesten rechts befindliche Elektrode 18 eine Elektrode, die gleichzeitig auch die am weitesten links befindliche Keramikscheibe 17 speist .On the side remote from the piezoelectric transducer 8 side of the heat transfer element 9 is a friction-reducing steel plate 25 which is pressed by means of a nut 26 against the piezoelectric transducer 8. The nut 26 is screwed onto a threaded pin 27 indicated by dashed lines, which is anchored at the other end in the pin 16 of the connecting element 7. Both the threaded pin 27 and the nut 26 are made of titanium, while the heat transfer element 9 is made of aluminum. As a result of this arrangement, the rightmost electrode 18 is an electrode which simultaneously feeds the leftmost ceramic disk 17 as well.
Das Wärmeübertragungselement 9 weist zwischen seinen beiden Stirnflächen 22 und 23 eine akustische Länge von λ/2 auf. Die Länge des piezoelektrischen Wandlers 8, einschließlich der Scheibe 25 der Mutter 26 und dem Zapfen 16, der bis zur Gehäusewand reicht, hat eine Länge von λ/4. Das rechtsseitige Ende der Mutter 26 liegt somit auf einem Schwingungsbauch bei der Resonanzfrequenz.The heat transfer element 9 has between its two end faces 22 and 23 an acoustic length of λ / 2. The length of the piezoelectric transducer 8, including the disk 25 of the nut 26 and the pin 16, which extends to the housing wall, has a length of λ / 4. The right end of the nut 26 is thus on a vibration at the resonant frequency.
Der Gehäusedeckel 10 ist, wie gezeigt, becherförmig und setzt sich aus einem Kragen 28 und einem Becherboden 29 zusammen, aus dem der Gewindezapfen 5 hervorsteht. An seinem freien Ende ist der Kragen 28 mit einem Innengewinde 31 versehen, das im montierten Zustand mit dem Gewinde 14 verschraubt ist.The housing cover 10 is, as shown, cup-shaped and is composed of a collar 28 and a cup bottom 29, from which the threaded pin 5 protrudes. At its free end, the collar 28 is provided with an internal thread 31 which is screwed in the assembled state with the thread 14.
Der Kragen 28 bildet eine zylindrische Gehäuseinnenwand 32. Der Durchmesser, den die Gehäuseinnenwand 32 definiert ist, ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Außenumfangsflache 24 der Wärmeübertragungselement 9. Im montierten Zustand liegt die Gehäuseinnenwand 32 an einer Stelle, wie dies in Fig. 2 durch gestrichelte Linien 33 verdeutlich ist. Die Innenwand 32 bildet somit mit der Außenumfangsflache 24 einen engen, zylindrischen Spalt 34 mit einer Dicke zwischen 0,5 mm und 5 mm und der Länge des Wärmeübertragungselements 9. Hierdurch wird der Wärmewiderstand zu der Außenseite des Gehäuses 10 stark vermindert.The collar 28 forms a cylindrical housing inner wall 32. The diameter that the housing inner wall 32 is defined is slightly larger than the outer diameter of the outer peripheral surface 24 of the heat transfer element 9. In the assembled state, the housing inner wall 32 lies in a position as shown in FIG Dashed lines 33 is illustrated. The inner wall 32 thus forms, with the outer peripheral surface 24, a narrow, cylindrical gap 34 having a thickness between 0.5 mm and 5 mm and the length of the heat transfer element 9. As a result, the thermal resistance to the outside of the housing 10 is greatly reduced.
Wie die Figur ferner erkennen lässt, ist der maximale Außendurchmesser des piezoelektrischen Wandlers 8, einschließlich der vorstehenden Anschlussfahnen 19, kleiner als es dem Außendurchmesser der Wärmeübertragungselement 9 bzw. dem Innendurchmesser des Innenraums 32 entspricht.As the figure further shows, the maximum is Outer diameter of the piezoelectric transducer 8, including the protruding terminal lugs 19, smaller than the outer diameter of the heat transfer element 9 and the inner diameter of the inner space 32 corresponds.
Um die elektrischen Anschlussleitungen an dem Wärmeübertragungselement 9 vorbei zu führen, enthält dieses zwei Längsnuten, die wegen der Darstellung nicht zu erkennen sind. Das Anschlusskabel 6 führt durch den rohrförmigen Gewindezapfen 5 hindurch.In order to pass the electrical connection lines past the heat transfer element 9, this contains two longitudinal grooves, which are not visible because of the representation. The connecting cable 6 passes through the tubular threaded pin 5 therethrough.
Wenn der Ultraschall-Stabschwinger 1, der mit dem Kopf 3 gemäß Fig. 2 ausgestattet ist, betrieben wird, entsteht in dem piezoelektrischen Wandler 8 Wärme. Diese Wärme wird zum Teil über den Zapfen 16 und den an dem Fortsatz 11 angeschlossenen Resonator 2 in das Bad abgeleitet. Auf diese Weise erhält das linke Ende des piezoelektrischen Wandlers 8 eine gewisse Kühlung. Das rechte Ende gibt seine Wärme an die Wärmeübertragungselement 9 ab. Das Wärmeübertragungselement 9 in Gestalt des Aluminiumrohrs transportiert die Wärme durch den engen Luftspalt 34 zu dem Kragen 28 des Gehäusebechers 10 und von dort in das Bad.When the ultrasonic rod vibrator 1 equipped with the head 3 of FIG. 2 is operated, heat is generated in the piezoelectric transducer 8. This heat is derived in part via the pin 16 and connected to the extension 11 resonator 2 in the bath. In this way, the left end of the piezoelectric transducer 8 receives some cooling. The right end releases its heat to the heat transfer element 9. The heat transfer element 9 in the form of the aluminum tube transports the heat through the narrow air gap 34 to the collar 28 of the housing cup 10 and from there into the bath.
Das rechte Ende des piezoelektrischen Wandlers 8 erfährt also eine wesentlich bessere Kühlung als beim Stand der Technik. Beim Stand der Technik würde das rechte Ende lediglich insoweit gekühlt werden, wie über den schlecht Wärme leitenden, weil die aus Titan bestehenden Bolzen 27 Wärme in Richtung auf den Resonator 2 abgeführt würde. Durch die Verwendung des Wärmeübertragungselements 9 wird zusätzlich der Gehäusebecher 10 mit herangezogen, um aus dem piezoelektrischen Wandler 8 die Wärme in das Bad zu übertragen. Die Keramikscheiben 17 sind keine guten Wärmeleiter. Die Anordnung nach Fig. 2 wird folglich die maximale Über- temperatur in einem Bereich zeigen, der zwischen den beiden Stirnenden des piezoelektrischen Wandlers liegt, es ist vorteilhaft, wenn das Wärmeübertragungselement 9 gemäß Fig. 3 in den piezoelektrischen Wandler 8 eingefügt wird. Wie die Figur erkennen lässt, befinden sich insgesamt vier Keramikscheiben 17 zwischen dem Wärmeübertragungselement 9 und dem Verbindungselement 7, während zwei Keramikscheiben 17 zwischen dem Wärmeübertragungselement 9 und der Beilegscheibe 25 angeordnet sind. Hierdurch wird das rechte Stirnende des geteilten piezoelektrischen Wandlers 8 über die Mutter 26 und den Bolzen 27 gekühlt, der dazwischen liegende Teil mit Hilfe der Wärmeübertragungselement 9 in Richtung auf das Gehäuse 10 und das linke Ende des piezoelektrischen Wandlers 8 über das Verbindungselement 7 zu dem Resonator 2.The right end of the piezoelectric transducer 8 thus experiences a much better cooling than in the prior art. In the prior art, the right end would only be cooled to the extent that it would conduct over the poorly heat conductive because the titanium pin 27 would dissipate heat toward the resonator 2. By using the heat transfer element 9, the housing cup 10 is additionally used to transfer heat from the piezoelectric transducer 8 into the bath. The ceramic discs 17 are not good heat conductors. The arrangement according to FIG. 2 will consequently show the maximum excess temperature in a region which lies between the two front ends of the piezoelectric transducer, it is advantageous if the heat transfer element 9 according to FIG. 3 is inserted into the piezoelectric transducer 8. As the figure reveals, a total of four ceramic discs 17 are located between the heat transfer element 9 and the connecting element 7, while two ceramic discs 17 are arranged between the heat transfer element 9 and the washer 25. Thereby, the right front end of the divided piezoelectric transducer 8 is cooled via the nut 26 and the bolt 27, the intermediate part by means of the heat transfer member 9 toward the housing 10 and the left end of the piezoelectric transducer 8 via the connecting member 7 to the resonator second
Der Wärmewiderstand bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 3 wird von der Fläche des Ringspaltes 34 und dessen Dicke bestimmt. Der Wärmewiderstand ist umgekehrt proportional zur Fläche und umgekehrt proportional zur Dicke.- Die Dicke des Spaltes 34 lässt sich aus fertigungstechnischen Gründen unter ein bestimmtes technisches Maß nicht reduzieren, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Wärmeübertragungselement 9 die Innenseite 32 berührt. Dieser Effekt muss unbedingt vermieden werden, weil sonst hierüber Ultraschallenergie in das Gehäuse 10 eingekoppelt würde. Hinsichtlich der Fläche des Spaltraums sind auch Grenzen gesetzt, weil der Kopf im Durchmesser nicht beliebig anwachsen kann.The thermal resistance in the embodiments according to FIGS. 2 and 3 is determined by the area of the annular gap 34 and its thickness. The thermal resistance is inversely proportional to the surface and inversely proportional to the thickness.- The thickness of the gap 34 can not be reduced for manufacturing reasons below a certain technical level, without the risk that the heat transfer element 9 touches the inside 32. This effect must be avoided at all costs, because otherwise ultrasonic energy would be coupled into the housing 10. With regard to the surface of the gap, there are also limits, because the head can not grow arbitrarily in diameter.
Eine Vergrößerung der Kühlfläche lässt sich mit der Ausführungsform nach Fig. 4 erzielen.An enlargement of the cooling surface can be with the Achieve embodiment of FIG. 4.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 weist das Wärmeübertragungselement 9 die Gestalt eines Bechers mit einem Boden 36 und einem Kragen 37 auf. Der Kragen des Bechers zeigt von dem piezoelektrischen Wandler 8 weg, d.h. in Fig. 4 nach rechts. Der Boden 36 liegt zwischen dem rechten Ende des piezoelektrischen Wandlers 8 und der zentralen Befestigungsmutter 26. Der Boden 36 ersetzt die Stahlscheibe 25, d.h. der Becher 37 besteht vorzugsweise wenigstens im Bereich des Bodens 36 aus der polierten Stahlscheibe.In the embodiment of Fig. 4, the heat transfer element 9 has the shape of a cup with a bottom 36 and a collar 37. The collar of the cup faces away from the piezoelectric transducer 8, i. in Fig. 4 to the right. The bottom 36 lies between the right end of the piezoelectric transducer 8 and the central mounting nut 26. The bottom 36 replaces the steel disk 25, i. the cup 37 is preferably at least in the region of the bottom 36 of the polished steel disc.
Es besteht keine zwingende Notwendigkeit bei dieser Ausführungsform der Wärmeübertragungselement 9, den Boden 36 und den Kragen 37 einstückig zu machen. Es genügt, wenn sichergestellt ist, dass der Wärmewiderstand am Übergang von dem Boden 36 zu dem Becherkrage 37 klein ist gegenüber dem Wärmewiderstand, den das Wärmeübertragungselement 9 gegenüber dem Gehäuse 10 zeigt.There is no urgent need in this embodiment of the heat transfer element 9 to make the bottom 36 and collar 37 integral. It is sufficient if it is ensured that the thermal resistance at the transition from the bottom 36 to the cup collar 37 is small compared to the thermal resistance, the heat transfer element 9 relative to the housing 10 shows.
Der Kragen 37 ist sowohl außen zylindrisch als auch innen, d.h. er begrenzt einen zylindrischen Innenraum. Um die gewünschte große Wärmeübertragungsfläche zu erhalten, ist der Gehäusebecher 10 abweichend von dem vorherigen Ausführungsbeispiel mit einem nach innen ragenden zylindrischen Zapfen 38 versehen. Der Zapfen 38 ist als hohles Gebilde ausgeführt, so dass die Badflüssigkeit darin zirkulieren kann.The collar 37 is both cylindrical outside and inside, i. he limits a cylindrical interior. In order to obtain the desired large heat transfer surface, the housing cup 10 is provided deviating from the previous embodiment with an inwardly projecting cylindrical pin 38. The pin 38 is designed as a hollow structure, so that the bath liquid can circulate therein.
Im montierten Zustand bildet der Kragen 28 des Gehäusebechers 10 den zylindrischen Spalt 34 mit geringer Weite, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 3. Ein weiterer Zylinderspalt mit ähnlich geringer Spaltweite entsteht zwischen der zylindrischen Innenwand des Kragens 37 und dem Zapfen 38.In the assembled state, the collar 28 of the housing cup 10 forms the cylindrical gap 34 with a small width, as in the embodiment of Figures 2 and 3. Another cylinder gap with similarly small gap width arises between the cylindrical inner wall of the collar 37 and the pin 38th
Damit ist das becherförmige Wärmeübertragungselement 9 in der Lage, sowohl an der Außenseite als auch an der Innenseite des Kragens 37 Wärme auf den Gehäusebecher 10 und von dort in das Bad abzuführen.Thus, the cup-shaped heat transfer element 9 is able to dissipate heat to the housing cup 10 and from there into the bath both on the outside and on the inside of the collar 37.
Eine weitere Möglichkeit die Fläche des Luftspalts zwischen der Wärmeübertragungselement 9 und dem becherförmigen Gehäuse 10 zu vergrößern, veranschaulicht Fig. 5.Another way to increase the area of the air gap between the heat transfer element 9 and the cup-shaped housing 10 is illustrated in FIG. 5.
Während bei den vorherigen Ausführungsbeispielen das Wärmeübertragungselement 9, abgesehen von Nuten für elektrische Verbindungen, weitgehend rotationssymmetrisch ist, weist das Wärmeübertragungselement 9 nach Fig. 5 im Querschnitt gesehen eine sternförmige Struktur auf. Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den Kopf 3 rechtwinklig zu der Längsachse bzw. parallel zu der Achse längs derer sich die Ultraschallwellen ausbreiten, und zwar durch das Wärmeübertragungselement 9. Zu erkennen ist der mittlere Zugbolzen 27 und das sternförmige Wärmeübertragungselement 9. Es setzt sich gedanklich aus einem Kreisring und von diesem ausgehenden dreieckförmigen Zacken zusammen.While in the previous embodiments, the heat transfer element 9, except for grooves for electrical connections, is largely rotationally symmetrical, has the heat transfer element 9 of FIG. 5 seen in cross-section on a star-shaped structure. Fig. 5 shows a section through the head 3 at right angles to the longitudinal axis or parallel to the axis along which propagate the ultrasonic waves, by the heat transfer element 9. Evident is the middle draw bolt 27 and the star-shaped heat transfer element 9. It settles mentally composed of a circular ring and of this outgoing triangular spikes together.
Der Kragen 28 des Gehäuses 10 weist eine Innenwand 32 auf, die komplementär sternförmig ausgebildet ist. Eine solche Struktur kann beispielsweise durch Senkerodieren oder durch Stanzen von entsprechenden Lamellen erzeugt werden.The collar 28 of the housing 10 has an inner wall 32 which is complementary star-shaped. Such a structure can be produced for example by sinking EDM or by punching of corresponding slats.
An die Stelle der Verschraubung über das Gewinde 14 und das Gewinde 31 tritt eine Verbindung über Zuganker, die durch Bohrungen 41 hindurch führen. Die miteinander fluchtende Bohrungen 41 sind sowohl an einem überstehenden Bund des Bodens 29 des Gehäuses 10 als auch bei dem Flansch 13 vorgesehen.In place of the screw through the thread 14 and the thread 31 enters a connection via tie rods, the pass through holes 41 therethrough. The mutually aligned bores 41 are provided both on an overhanging collar of the bottom 29 of the housing 10 and in the flange 13.
Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 bis 5 betreffen Ultraschall-Stabschwinger, die voll untergetaucht eingesetzt werden können. Bei diesen Stabschwingern befindet sich der Kopf 3 ebenfalls im Bad.The embodiments according to FIGS. 2 to 5 relate to ultrasonic rod vibrators which can be used fully submerged. In these bar vibrators, the head 3 is also in the bathroom.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines Ultaschall- Stabschwingers 1, dessen Kopf 3 außerhalb des Bads angeordnet ist. Mit dem Flansch 13 ist der Kopf 3 an der Behälterwand befestigt. Das Gehäuse 10 befindet sich in der freien Atmosphäre. Es genügt wenn sich die weitere Beschreibung auf die Unterschiede zu den vorigen Ausführungsformen beschränkt .Fig. 6 shows an embodiment of an ultrasound rod vibrator 1, the head 3 is arranged outside the bath. With the flange 13 of the head 3 is fixed to the container wall. The housing 10 is in the free atmosphere. It is sufficient if the further description is limited to the differences from the previous embodiments.
Um eine gute Kühlwirkung zu erzielen, ist der Kragen 28 des Gehäusebechers 10 mit einer Vielzahl von Luftlöchern 42 versehen, durch die die Außenatmosphäre hindurch zirku- lieren kann. Um den piezoelektrischen Wandler 8 besser zu kühlen, wird ein Wärmeübertragungselement 9 verwendet, das auf seiner Außenseite eine Vielzahl von Kühlrippen 43 trägt. Bei dieser Ausführungsform kommt es nicht darauf an, den Spalt zwischen dem Wärmeübertragungselement und dem Gehäuse 10 möglichst klein zu bekommen. Vielmehr geht es hierbei darum, möglichst viel Wärme über die Kühlrippen 43 an die durch die Luftlöcher 42 zirkulierende Luft abzugeben.In order to achieve a good cooling effect, the collar 28 is provided the housing cup 10 having a plurality of air holes 42 through which the outside atmosphere can pass circulates lose. In order to cool the piezoelectric transducer 8 better, a heat transfer element 9 is used, which carries on its outer side a plurality of cooling fins 43. In this embodiment, it is not important to get the gap between the heat transfer element and the housing 10 as small as possible. On the contrary, it is a question of giving as much heat as possible via the cooling ribs 43 to the air circulating through the air holes 42.
Das Wärmeübertragungselement 9 nach Fig. 6 ist in der gleichen Weise angeordnet, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Es kann auch mittig in dem piezoelektrischen Wandler 8, entsprechend Fig. 2, positioniert werden.The heat transfer member 9 of Fig. 6 is arranged in the same manner as in the embodiment It can also be positioned centrally in the piezoelectric transducer 8, corresponding to FIG. 2.
Die Länge der Wärmeübertragungselement 9 in axialer Richtung ist wiederum so gewählt, dass am Ende der Spannmutter 26 der Schwingungsbauch der stehenden Welle liegt. Während die Durchtrittsstelle durch die Wand, die in dem Verbindungselement 7 ausgebildet ist, auf der Position des Schwingungsknotens liegt.The length of the heat transfer element 9 in the axial direction is in turn chosen so that at the end of the clamping nut 26 of the antinode of the standing wave is. While the passage point through the wall, which is formed in the connecting element 7, is located on the position of the vibration node.
Die Kühlrippen sind in Fig. 6 lediglich schematisch dargestellt. Es versteht sich, dass die Querschnittsgestalt und der Durchmesser der Kühlrippen 43 auch nach schalltechnischen Gesichtspunkten dimensioniert wird, um ein Abbrechen aufgrund der induzierten Schallschwingungen zu vermeiden.The cooling fins are shown in Fig. 6 only schematically. It is understood that the cross-sectional shape and the diameter of the cooling fins 43 is also dimensioned according to sound technical aspects, in order to avoid a break due to the induced sound vibrations.
Ein Ultraschall-Stabschwinger weist ein Wärmeübertragungselement auf, das wärmetechnisch gut mit dem piezoelektrischen Wandler gekoppelt ist. Es sorgt dafür, dass der Wärmewiderstand zur umgebenden Atmosphäre oder zum Gehäus,e und damit z'um Bad bei untergetauchten Stabschwinger verringert wird. An ultrasonic rod oscillator has a heat transfer element that is thermally coupled well with the piezoelectric transducer. It ensures that the thermal resistance to the surrounding atmosphere or to the housing, and thus to the bath is reduced with submerged rod oscillators.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Ultraschall-Stabschwinger (1) zur Erzeugung von Ultraschall in Flüssigkeiten, mit einem Gehäuse (10,13), das einen Innenraum begrenzt und das wenigstens eine Außenwand (28,29) aufweist, deren Innenseite (32) dem Innenraum zugekehrt ist, mit einer piezoelektrischen Wandlereinrichtung (8), die zwei Stirnenden aufweist und die in dem Gehäuse (10) untergebracht ist, mit einem Resonator (2), der sich außerhalb des Gehäuses (10,13) befindet, mit einem Verbindungselement (7), über das die Wandlereinrichtung (8) mit dem Resonator (2) verbunden ist und das wenigstens zum Teil aus einer Außenwand (13) des Gehäuses (10,13) hervorsteht, mit einem Wärmeübertragungselement (9), das wärmeleitend mit dem piezoelektrischen Wandler (8) verbunden ist und das wenigstens eine Fläche (24) aufweist, die unter Bildung eines Spalts (34) neben der Innenseite (32) einer Außenwand (28) verläuft, um die Verlustwärme des piezoelektrischen Wandlers (8) auf die Außenwand (28) zu übertragen.1. Ultrasonic rod oscillator (1) for generating ultrasound in liquids, comprising a housing (10, 13) which delimits an interior space and which has at least one outer wall (28, 29) whose inner side (32) faces the interior, with a piezoelectric transducer device (8) having two ends and housed in the housing (10) with a resonator (2) located outside the housing (10, 13) with a connector (7) in that the transducer device (8) is connected to the resonator (2) and that projects at least in part from an outer wall (13) of the housing (10, 13), with a heat transfer element (9) which is heat-conducting with the piezoelectric transducer (8). is connected and which has at least one surface (24) extending adjacent to the inside (32) of an outer wall (28) forming a gap (34) to transfer the heat loss of the piezoelectric transducer (8) to the outer wall (28) ,
2. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum einen zylindrischen Querschnitt aufweist. •2. ultrasonic rod vibrator according to claim 1, characterized in that the interior has a cylindrical cross-section. •
3. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) an seiner Außenseite zylindrisch ist.3. Ultrasonic rod vibrator according to claim 1, characterized in that the heat transfer element (9) is cylindrical on its outer side.
4. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 2, da- durch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) eine von der Zylinderform abweichende prismatische Gestalt, vorzugsweise eine sternförmigen Gestalt aufweist.4. Ultrasonic rod vibrator according to claim 2, characterized in that the heat transfer element (9) has a deviating from the cylindrical shape prismatic shape, preferably a star-shaped shape.
5. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum einen von der Zylinderform abweichenden prismatischen Querschnitt aufweist, wobei die Grundfläche des Prisma, zumindest angenähert, sternförmig ist.5. ultrasonic rod vibrator according to claim 1, characterized in that the interior has a deviating from the cylindrical shape prismatic cross section, wherein the base surface of the prism, at least approximately, is star-shaped.
6. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sternförmige Grundfläche sich gedanklich aus einer Zentralfläche und von dieser Zentralfläche ausgehenden Armen zusammensetzt.6. Ultrasonic rod oscillator according to claim 1, characterized in that the star-shaped base surface is composed of a central surface and outgoing from this central surface arms.
7. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme untereinander gleiche Gestalt aufweisen.7. ultrasonic rod vibrator according to claim 1, characterized in that the arms have mutually the same shape.
8. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme, im Querschnitt gesehen, etwa dreieckförmig sind.8. ultrasonic rod vibrator according to claim 1, characterized in that the arms, seen in cross section, are approximately triangular.
9. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10,13) eine zylindrische Außenfläche (28) aufweist.9. ultrasonic rod vibrator according to claim 1, characterized in that the housing (10,13) has a cylindrical outer surface (28).
10. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäusteil (10) im Wesentlichen die Gestalt eines zylinderförmigen Bechers (28,29) aufweist .10. Ultrasonic rod oscillator according to claim 1, characterized in that a housing part (10) has substantially the shape of a cylindrical cup (28,29).
11. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 10, da- durch gekennzeichnet, dass der Gehäusteil (10) in dem zylinderförmigen Becher (28,29) einen Einsatz enthält, der einen prismatischen Innenraum begrenzt.11. Ultrasonic rod transducer according to claim 10, characterized characterized in that the housing part (10) in the cylindrical cup (28,29) contains an insert which defines a prismatic interior.
12. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite des Spaltes (34) zwischen 0,5 mm und 3 mm liegt.12. Ultrasonic rod oscillator according to claim 1, characterized in that the width of the gap (34) is between 0.5 mm and 3 mm.
13. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7) einen Bund (13,14) aufweist, . dessen Außendurchmesser größer ist als die lichte Weite des Innenraums.13. Ultrasonic rod transducer according to claim 1, characterized in that the connecting element (7) has a collar (13,14),. whose outer diameter is greater than the inside diameter of the interior.
14. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Wandlerein- richtung (8) aus einer Anzahl nebeneinander liegender piezoelektrischer Scheiben (17) gebildet ist, zwischen denen Elektroden (18) eingefügt sind.14. Ultrasonic rod oscillator according to claim 1, characterized in that the piezoelectric transducer device (8) is formed from a number of juxtaposed piezoelectric discs (17), between which electrodes (18) are inserted.
15. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Wandlereinrichtung (8) zwei Stirnenden aufweist und dass das Wärmeübertragungselement (9) an einem Stirnende angeordnet ist.15. Ultrasonic rod oscillator according to claim 1, characterized in that the piezoelectric transducer device (8) has two front ends and that the heat transfer element (9) is arranged at a front end.
16. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Wandlereinrichtung (8) zwei Abschnitte aufweist, die akustisch hintereinander geschaltet sind und dass das Wärmeübertragungselement (9) zwischen die beiden Abschnitte eingefügt ist.16. Ultrasonic rod vibrator according to claim 1, characterized in that the piezoelectric transducer device (8) has two sections which are acoustically connected in series and that the heat transfer element (9) is inserted between the two sections.
17. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) in Richtung parallel zur Schwingungsachse eine Länge von λ/2 aufweist.17. Ultrasonic rod transducer according to claim 1, characterized in that the heat transfer element (9) in the direction parallel to the axis of oscillation, a length of has λ / 2.
18. Ültraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) die Gestalt eines Bechers aufweist, wobei der Boden (36) des becherförmigen Wärmeübertragungselements (9) mit einer Stirnseite der piezoelektrischen Einrichtung (8) akustisch und wärmeleitend gekoppelt ist.18. Ültraschall-rod transducer according to claim 1, characterized in that the heat transfer element (9) has the shape of a cup, wherein the bottom (36) of the cup-shaped heat transfer element (9) with an end face of the piezoelectric device (8) is coupled acoustically and thermally conductive ,
19. Ültraschall-Stabschwinger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10,13) eine Vertiefung (38) aufweist, die unter Ausbildung eines engen Spaltes in den Innenraum des becherförmigen Wärmeübertragungs- elemnets (9) eingreift.19. Ültraschall rod vibrator according to claim 18, characterized in that the housing (10,13) has a recess (38) which engages to form a narrow gap in the interior of the cup-shaped Wärmeübertragungs- elemnets (9).
20. Ültraschall-Stabschwinger (1) zur Erzeugung von Ultraschall in Flüssigkeiten, mit einer piezoelektrischen Wandlereinrichtung (8), die zwei Stirnenden aufweist, mit einem Resonator (2), mit einem Verbindungselement (7) zum Verbinden der Wandlereinrichtung (8) mit dem Resonator (2), mit einem Wärmeübertragungselement (9) , das wärmeleitend mit dem piezoelektrischen Wandler (8) verbunden ist und das wenigstens eine Fläche aufweist, die gegenüber der umgebenden Atmosphäre einen geringeren Wärmewiderstand bildet als die piezoelektrische Einrichtung (8) .20. Ültraschall rod oscillator (1) for generating ultrasound in liquids, comprising a piezoelectric transducer means (8) having two ends, with a resonator (2), with a connecting element (7) for connecting the transducer means (8) with the Resonator (2), comprising a heat transfer element (9), which is thermally conductively connected to the piezoelectric transducer (8) and which has at least one surface which forms a lower thermal resistance to the surrounding atmosphere than the piezoelectric device (8).
21. Ültraschall-Stabschwinger nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (10) , das durchlüftet ist.21. Ültraschall rod vibrator according to claim 20, characterized in that a housing (10) which is ventilated.
22. Ültraschall-Stabschwinger nach Anspruch 20, da- durch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) zur Durchlüftung Lüftungslöcher (42) enthält.22. Ültraschall rod vibrator according to claim 20, characterized in that the housing (10) for ventilation contains ventilation holes (42).
23. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 20 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) eine gegliederte Oberfläche nach Art eines Kühlkörpers aufweist .23. Ultrasonic rod vibrator according to claim 20, characterized in that the heat transfer element (9) has an articulated surface in the manner of a heat sink.
24. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Wandlereinrichtung (8) einen Stapel aus einzelnen piezoelektrischen Scheiben (17) aufweist, zwischen denen Elektroden (18) angeordnet sind.24. Ultrasonic rod transducer according to claim 20, characterized in that the piezoelectric transducer means (8) comprises a stack of individual piezoelectric discs (17), between which electrodes (18) are arranged.
25. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) in die piezoelektrische Wandlereinrichtung (8) eingefügt ist.25. Ultrasonic rod vibrator according to claim 20, characterized in that the heat transfer element (9) in the piezoelectric transducer means (8) is inserted.
26. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verbindungseinrichtung (7) zum Teil außerhalb des Gehäuses (10,13) befindet. 26. Ultrasonic rod vibrator according to claim 1 or 20, characterized in that the connecting device (7) is located partly outside the housing (10, 13).
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