EP1859436B1

EP1859436B1 - Ultraschall-stabschwinger zur erzeugung von ultraschall in flüssigkeiten

Info

Publication number: EP1859436B1
Application number: EP06700984A
Authority: EP
Inventors: Dieter Weber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-01-13
Also published as: EP1859436B8; BRPI0607338B1; WO2006087053A1; PL1859436T3; US7688681B2; BRPI0607338A2; ES2392946T3; JP2008529777A; JP5243802B2; EP1859436A1; DK1859436T3; US20080212408A1; DE102005007056A1; CN101142619A; CN101142619B

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

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.
Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum einen zylindrischen Querschnitt aufweist.
Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) an seiner Außenseite zylindrisch ist.
Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) eine von der Zylinderform abweichende prismatische Gestalt aufweist.
Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (9) eine sternförmige Gestalt aufweist.
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.
Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sternförmige Grundfläche sich aus einer Zentralfläche und von dieser Zentralfläche ausgehenden Armen zusammensetzt.
Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme untereinander gleiche Gestalt aufweisen.
Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme, im Querschnitt gesehen, etwa dreieckförmig sind.
Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10,13) eine zylindrische Außenfläche (28) aufweist.
Ultraschall-Stabschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseteil (10) im Wesentlichen die Gestalt eines zylinderförmigen Bechers (28,29) aufweist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).