EP1859436B1 - Ultraschall-stabschwinger zur erzeugung von ultraschall in flüssigkeiten - Google Patents

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EP1859436B1
EP1859436B1 EP06700984A EP06700984A EP1859436B1 EP 1859436 B1 EP1859436 B1 EP 1859436B1 EP 06700984 A EP06700984 A EP 06700984A EP 06700984 A EP06700984 A EP 06700984A EP 1859436 B1 EP1859436 B1 EP 1859436B1
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EP
European Patent Office
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rod
heat transfer
transfer element
ultrasonic resonator
shaped ultrasonic
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EP06700984A
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EP1859436B8 (de
EP1859436A1 (de
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Dieter Weber
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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 discs is about 300 ° C. If the ceramic disks are heated up to this temperature or higher, the piezoelectric effect disappears irreversibly.
  • the piezoelectric transducer is to operate in continuous operation, a clear safety margin must be maintained by the Curie temperature.
  • the temperature at the surface of the ceramic converter may not exceed about 150 ° C.
  • a permissible excess temperature of only 20 ° C remains.
  • 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 that forms an extremely poor heat conductor, so that the heat through the housing wall is practically not dissipated.
  • the ultrasonic rod oscillator has a housing in a transducer element, with which a heat sink is thermally coupled.
  • the heat sink is provided on its outside with a plurality of cooling fins extending in the longitudinal direction of the heat transfer element.
  • the housing is traversed by air and has an inlet and a plurality of outlet openings through which cool air flows into the housing or escapes from it.
  • US 3,772,538 A describes an ultrasonic vibrator comprising a housing, a transducer unit with piezoelectric ceramic discs, a rear acoustic resonator block attached to and accommodated together with the transducer unit inside the housing, and a front resonator in the form of a horn attached to the transducer unit is and protrudes from the housing.
  • the rear resonator block is substantially sleeve-shaped and has a cylindrical outer peripheral surface, which is arranged at a significant distance to the inside of the housing.
  • the housing is open to the atmosphere at the rear, and a fan is provided to introduce a flow of cooling air through the rear housing side and to drive it forward through the gap between the inside of the housing and the outside of the rear resonator block and the transducer unit.
  • US 2003/0015218 A1 describes an ultrasonic cleaning device with a liquid cooled by a cooled ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic transducer is adhered to a substantially cylindrical heat transfer element, on the peripheral surface of which a circumferential liquid channel is formed.
  • the heat transfer element is sealed against the surrounding housing by means of two O-rings which are located around the circumference of the heat transfer element on both axial sides of the liquid passage.
  • connection ports for supplying and discharging cooling fluid to and from the fluid passage are arranged in the housing.
  • the ultrasonic rod oscillator according to the invention has a resonator on which a coupling element of the piezoelectric transducer is coupled ultrasonically.
  • the coupling element forms 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.
  • the length of the heat transfer element is in the area which is integrated into the sound paths, chosen so that this does not disturb the acoustic conditions become.
  • the heat transfer element has 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. From this situation, 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. 1 shows in a non-scale perspective view of an ultrasonic rod oscillator 1.
  • the ultrasonic rod oscillator 1 includes a resonator 2 and a connected to the resonator 2 head 3.
  • 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 construction of the head is in Fig. 2 shown.
  • To the head 3 include a connecting element 7, a piezoelectric transducer 8, a heat transfer element 9 and a cup-shaped housing cover 10th
  • 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 hole 12 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 after 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 embodiment shown from a total of 6 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.
  • three of the terminal lugs 19, based on Fig. 2 up and a total of three down.
  • Each lying on one side terminal lugs 19 are electrically connected in parallel, which, seen electrically, a two-pole results in the dining or stimulating AC voltage with a frequency ofmenerwiese 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 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 is also the leftmost ceramic disk 17 at the same time fed.
  • 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 disc 25, 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 defines a cylindrical housing inner wall 32.
  • the diameter defined by the housing inner wall 32 is slightly greater than the outer diameter of the outer peripheral surface 24 of the heat transfer element 9.
  • the housing inner wall 32 is in place as shown in FIG Fig. 2 is illustrated by dashed lines 33.
  • the inner wall 32 thus forms, with the outer peripheral surface 24, a narrow, cylindrical gap 34 having a thickness of 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 outer diameter of the piezoelectric transducer 8, including the protruding terminal lugs 19, is smaller than the outer diameter of the heat transfer element 9 or the inner diameter of the interior 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 heat would be dissipated in the direction of the resonator 2 via the poorly heat conductive pin 27 made of titanium.
  • 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 after Fig. 2 will therefore show the maximum overtemperature in a range that is between the two Front ends of the piezoelectric transducer is, it is advantageous if the heat transfer element 9 according to Fig. 3 is inserted into the piezoelectric transducer 8.
  • 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.
  • the thermal resistance in the embodiments of the Fig. 2 and 3 is determined by the area of the annular gap 34 and its thickness.
  • the thermal resistance is inversely proportional to the area and 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.
  • Fig. 4 has the heat transfer element 9 the shape of a cup with a bottom 36 and a collar 37 on.
  • the collar of the cup points away from the piezoelectric transducer 8, ie in FIG Fig. 4 to the right.
  • the bottom 36 is located between the right end of the piezoelectric transducer 8 and the central fastening nut 26.
  • the bottom 36 replaces the steel plate 25, ie 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 the Figures 2 and 3 .
  • Another cylinder gap with similarly small gap width is formed 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 illustrates Fig. 5 .
  • the heat transfer element 9 is largely rotationally symmetrical, the heat transfer element 9 after 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 is mentally from a Circular ring and from 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 embodiments of the Fig. 2 to 5 concern ultrasonic rod vibrators, which can be used fully submerged. In these bar vibrators, the head 3 is also in the bathroom.
  • An ultrasonic rod oscillator has a heat transfer element that is thermally coupled well with the piezoelectric transducer. It ensures that the thermal resistance is reduced to the surrounding atmosphere or the housing and thus the bathroom with submerged rod vibrator.

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Abstract

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 Gehäuse und damit zum Bad bei untergetauchten Stabschwinger verrinert wird.

Description

  • 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.
  • 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.
  • Der elektrische Wandler besteht aus mehreren piezoelektrischen Keramikscheiben. Die Curietemperatur der Keramikscheiben liegt bei ca. 300°C. 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. 150°C nicht übersteigen. Bei einer Badtemperatur von ca. 130°C bleibt somit eine zulässige Übertemperatur von nur noch 20°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.
  • Die mit dem Wandler zu erzeugende Ultraschallenergie wird damit von der Übertemperatur des Wandlers begrenzt.
  • 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.
  • DE 2 211 774 A1 beschreibt einen Ultraschall-Stabschwinger, der als nächster Stand der Technik angesehen wird, auf dem der Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 basiert. Der Ultraschall-Stabschwinger weist in einem Gehäuse ein Wandlerelement auf, mit dem ein Kühlkörper thermisch gekoppelt ist. Der Kühlkörper ist an seiner Außenseite mit einer Vielzahl von Kühlrippen versehen, die in Längsrichtung des Wärmeübertragungselementes verlaufen. Das Gehäuse ist von Luft durchströmt und weist eine Einlass- sowie mehrere Auslassöffnungen auf, durch die kühle Luft in das Gehäuse einströmt bzw. aus diesem entweicht.
  • US 3 772 538 A beschreibt einen Ultraschallschwinger, der ein Gehäuse, eine Wandlereinheit mit piezoelektrischen Keramikscheiben, einen hinteren akustischen Resonatorblock, der an der Wandlereinheit angebracht und gemeinsam mit dieser im Innern des Gehäuses untergebracht ist, und einen vorderen Resonator in Form eines Horns aufweist, das an der Wandlereinheit angebracht ist und aus dem Gehäuse herausragt. Der hintere Resonatorblock ist im Wesentlichen hülsenförmig und weist eine zylindrische Außenumfangsfläche auf, die im deutlichen Abstand zu der Innenseite des Gehäuses angeordnet ist. Das Gehäuse ist an der hinteren Seite zur Atmosphäre offen, und es ist ein Gebläse vorgesehen, um einen Kühlluftstrom durch die hintere Gehäuseseite einzuleiten und durch den Spalt zwischen der Gehäuseinnenseite und der Außenseite des hinteren Resonatorblocks und der Wandlereinheit nach vorne zu treiben.
  • US 2003/0015218 A1 beschreibt eine Ultraschallreinigungsvorrichtung mit einem über eine Flüssigkeitskühlung gekühlten Ultraschallwandler. Der Ultraschallwandler ist an einem im Wesentlichen zylindrischen Wärmeübertragungselement angeklebt, an dessen Umfangsfläche ein umlaufender Flüssigkeitskanal ausgebildet ist. Das Wärmeübertragungselement ist gegen das umgebende Gehäuse mittels zweier O-Ringe abgedichtet, die sich rings um den Umfang des Wärmeübertragungselementes zu beiden axialen Seiten des Flüssigkeitskanals befinden. An gegenüberliegenden radialen Seiten sind in dem Gehäuse Verbindungsanschlüsse zur Zuführung und Ableitung von Kühlflüssigkeit zu bzw. aus dem Flüssigkeitskanal angeordnet.
  • Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung einen Ultraschallwandler zu schaffen, der eine größere Ultraschallenergie erzeugen kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Ultraschall-Stabschwinger mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • 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 einen 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß der anderen Lösung ist vorgesehen ein Wärmeübertragungselement 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. Das Wärmeübertrasungselement hat eine Länge von λ/2, 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die einzelnen Maßnahmen hinsichtlich Oberflächengestalt, Einfügung oder becherförmige Gestalt bzw. durchgehender Gestalt lassen sich in vielfältiger Weise miteinander kombinieren.
  • 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.
  • Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.
  • 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.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
  • Fig. 1
    einen Ultraschall-Stabschwinger, in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung;
    Fig. 2
    den Kopf des Stabschwingers nach Fig. 1 in einer Seitenansicht mit geöffnetem Gehäuse;
    Fig. 3
    den Kopf des Stabschwingers in einer Darstellung ähnlich Fig. 2 mit einer anderen Positionierung des Wärmeübertragungselementes;
    Fig. 4
    den Kopf des Stabschwingers nach Fig. 1 in einer ähnlichen Darstellung wie in Fig. 2 mit einem becherförmigen Wärmeübertragungselement;
    Fig. 5
    einen Schnitt durch einen Kopf eines Stabschwingers mit einem sternförmigen Wärmeübertragungselement und einem daran angepassten Gehäuse und
    Fig. 6
    den Kopf eines Stabschwingers in einer Darstellung ähnlich wie Fig. 2 unter Verwendung eines Wärmeübertragungselementes mit Kühlrippen.
  • 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 angeschlossener 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.
  • 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.
  • Zu dem Kopf 3 gehören ein Verbindungselement 7, ein piezoelektrischer Wandler 8, ein Wärmeübertragungselement 9 sowie ein becherförmiger Gehäusedeckel 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Verbindungselement 7 ist ein aus dem Vollen gearbeitetes Titanstück und somit einstückig.
  • 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 6 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.
  • Sowohl die Keramikscheiben 17 als auch die scheibenförmigen Elektroden 18 sind scheibenförmige Ringe mit planen Stirnflächen.
  • Die am weitesten rechts in Fig. 3 liegende Elektrode 18 bildet das rechte Stirnende des piezoelektrischen Wandlers 8, während die am weitesten 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.
  • Das Wärmeübertragungselement 9 ist in Gestalt eines zylindrischen Rohres mit planen Stirnende 22 und 23 ausgeführt. Die Mantelfläche 24 ist zylindrisch.
  • Auf der von dem 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.
  • 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 des Zapfens 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.
  • 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.
  • Der Kragen 28 bildet eine zylindrische Gehäuseinnenwand 32. Der Durchmesser, den die Gehäuseinnenwand 32 definiert, ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Außenumfangsfläche 24 des Wärmeübertragungselementes 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 Außenumfangsfläche 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.
  • Wie die Figur ferner erkennen lässt, ist der maximale Außendurchmesser des piezoelektrischen Wandlers 8, einschließlich der vorstehenden Anschlussfahnen 19, kleiner als es dem Außendurchmesser des Wärmeübertragungselementes 9 bzw. dem Innendurchmesser des Innenraums 32 entspricht.
  • 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.
  • 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 das 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.
  • 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 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 Übertemperatur 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 des Wärmeübertragungselementes 9 in Richtung auf das Gehäuse 10 und das linke Ende des piezoelektrischen Wandlers 8 über das Verbindungselement 7 zu dem Resonator 2.
  • 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 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.
  • Eine Vergrößerung der Kühlfläche lässt sich mit der Ausführungsform nach Fig. 4 erzielen.
  • 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.
  • Es besteht keine zwingende Notwendigkeit, bei dieser Ausführungsform das 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 Becherkragen 37 klein ist gegenüber dem Wärmewiderstand, den das Wärmeübertragungselement 9 gegenüber dem Gehäuse 10 zeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Fläche des Luftspalts zwischen dem Wärmeübertragungselement 9 und dem becherförmigen Gehäuse 10 zu vergrößern, veranschaulicht 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Gehäuse und damit zum Bad bei untergetauchten Stabschwinger verringert wird.

Claims (19)

  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 Außenfläche (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,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Ultraschall-Stabschwinger (1) untertauchbar ist, das Wärmeübertragungselement (9) in Richtung parallel zur Schwingungsachse eine Länge von λ/2 aufweist,
    die Außenfläche (24) des Wärmeübertragungselementes (9) und die Innenseite (32) des Gehäuses (10,13) derart passend zueinander gestaltet sind, dass sich längs des Umfangs ein im Wesentlichen gleichmäßiger Spalt (24) ergibt, und
    die Weite des Spaltes (34) zwischen 0,5 mm und 3 mm beträgt.
  2. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum einen zylindrischen Querschnitt aufweist.
  3. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) an seiner Außenseite zylindrisch ist.
  4. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) eine von der Zylinderform abweichende prismatische Gestalt aufweist.
  5. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) eine sternförmige Gestalt aufweist.
  6. 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.
  7. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sternförmige Grundfläche sich aus einer Zentralfläche und von dieser Zentralfläche ausgehenden Armen zusammensetzt.
  8. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme untereinander gleiche Gestalt aufweisen.
  9. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme, im Querschnitt gesehen, etwa dreieckförmig sind.
  10. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10,13) eine zylindrische Außenfläche (28) aufweist.
  11. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseteil (10) im Wesentlichen die Gestalt eines zylinderförmigen Bechers (28,29) aufweist.
  12. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (10) in dem zylinderförmigen Becher (28,29) einen Einsatz enthält, der einen prismatischen Innenraum begrenzt.
  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.
  14. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Wandlereinrichtung (8) aus einer Anzahl nebeneinander liegender piezoelektrischer Scheiben (17) gebildet ist, zwischen denen Elektroden (18) eingefügt sind.
  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.
  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.
  17. Ultraschall-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. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10,13) eine Vertiefung (38) aufweist, die unter Ausbildung eines engen Spaltes in den Innenraum des becherförmigen Wärmeübertragungselemnets (9) eingreift.
  19. Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) wenigstens eine Fläche aufweist, die gegenüber der umgebenden Atmosphäre einen geringeren Wärmewiderstand bildet als die piezoelektrische Einrichtung (8).
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