SE456971B - Ultraljudsinstrument - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 456 971 2, Deras uppkomst hänger samman med sättet att_ utforma ultra- ljudsgivaren (vanligen innehållande en eller flerapiezoelektriska kristaller) och dess anslutning mot kärlet.Undertonerna är således inte orsakade av det elektriska kraftsystemet i sig, utan har ett akustiskt ursprung.

Idag finns två konstruktioner på marknaden. Den vanligaste är cylindersymmetrisk och ärfäst vid kärlets undersida. Ett konformat framstycke limmas mot kärlet med konens bas (typisk diameter 45 mm) som anliggningsyta. Den andra ändan av konen (typisk diameter 35 mm) ansluts mot en eller ett par piezo- elektriska kristaller. Konens höjd är omkring 18 mm.I ett utförande finns två piezokristaller med- diameter 35 mmoch tjocklek 6 mm staplade på varandra. På piezokristallernasbaksida finns en kort cylinder (bakstycke), diametern 35 mmoch tjocklek 10 mm. Denna givare hålls ihop av en bult som gár längst givarens centrumaxel. Elektroder förser piezokristallernamed spänning. den totala tjockleken är 40 mm, och givaren har en arbetsfrekvens på 40 lkHw, motsvarande en svängningsresonans i givaren. I denna utformning betecknas framstycket som positivtkonat. Denna givare förmår transmittera högst ca 50 watt ultraljud till badet, enligt tillverkaren. Den troliga orsakentill denna begränsning är att ultraljudet måste transmitteras genom en begränsad yta (diameter 45 mm) till badet, varför intensiteten blir hög. När denna intensitet blir för hög bildas en gkavitationskudde i vätskan utanför givaren, som effektivt begränsar effektöverföringen Theodor F Hueter & Richard H Bolt,Sonics, Wiley, New York, 1955, sidan 232). Om man behöver mer ultraljudseffekt i badet, man anbringa flera givare. måste Den andra typen av givare betecknas som en pannkaka innehållande en piezoelektrisk kristall i form av en platta som anbringas mot kärlet med dess plansida som anliggningsyta. En sådan givare har en diameter av storleksordningen 40 mm. Sådana givare är mycket enkla, men har en reletivt låg verkningsgrad, varför de används främst i applikationer där den önskade ultraljudseffekten är låg.

Den akustiska böjvågslängden i dessa kärl är omkring 10 mm för 10 15 20 25 30 35 456 971 frekvenser omkring 40 kflw. Anliggningsytorna hos givarna ovan är därför flera böjvågsländer stora, och ungefär lika stora som en ljudvågslängd i vatten vid dessa frekvenser. Detta gör att det ultraljud som alstras i givarna stràlas ut mot fluidumet genom just denna yta, så att ultraljudets intensitet är ungefär ultraljudseffekten dividerad med anliggningsytan. Vidare innebar detta att en "skuggvinkel" bildas, så att endast den del av badets volym som finns inom en beräkningsbar vinkel fràn norma1en(vanligen mellan 45 och 60 grader) bestràlas direkt med ultraljud. För att få ett starkt ultraljudsfält i fluidemet màsteintensiteten utanför givaren fluidumet vara hög.

Det är just denna höga ultraljudsintensitet som ger upphov till undertoner och hörbart ljud. Höga ultraljudsintensiteter bör man undvika, dels därför att de innebär en begränsning på den effekt som kan transmitteras till badet, och dels därför att de ger upphov till undertoner och hörbartljud. Det senare har studerats ingående av Werner Lauterborn mfl (se exempelvis Physic Today, January 1986, sid S-4, och referenser däri). Givaren enligt uppfinningen är så konstruerad att denna höga intensitet inte föreligger och undertonerna uteblir. Detta har ástadkommits genom att tillverka en givare som närmast motsvarar den första av de tvâ givarna ovan, men med ett negativt konat framstycke, enligt figur 1. Resultatet är att ultraljudet stràlas in i fluidumet från kärlets alla begränsningsytor, varvid intensiteten hàlles låg medan den totala effekten förblir hög, eller t o m kan höjas.

Effektbegränsningen per givare uteblir, Ultraljudsbadet enligt uppfinningen är tyst. liksom skuggvinkeln.

Nya rön visar att högre ultraljudsfrekvenser (över ca 50 kHz) kan vara effektivare för exempelvis rengöring av molekyler smuts från metallytor an lägre ultraljudsfrekvenser (under ca 50 kHz) (D H McQueen, Ultrasonios 24, 273 (1986)). Ultraljudsgivaren enligt uppfinningen är så konstruerad att den kan användas vid flera olika arbetsfrekvenser, exempelvis ca 45 kHz, ca 100 kHz, och ca 170 kHz, till och med samtidigt. Detta har gjorts i ett bestämt syfte: att kunna arbeta med låga och höga ultraljudsfrekvenser samtidigt. Det visade sig att kombinationen av làga och, höga d45e 971 7 10 15 20 25 30 35 ultraljudsfrekvenser samtidigt ger en snabbare och därmed effektivare rengöring än en enda frekvens, förutsatt att den totala ultraljudseffekten i de bägge fallen är väsentligen den densamma. Detta är ett viktigt kännetecken hos uppfinningen.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetäcken Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstakomma en apparat som kan alstra en tyst ultraljudsgivare som kan transmittera höga ultraljudseffekter till fluider och som kan användas vid flera olika frekvenser, antingen en och en eller i kombination.

Ultraljudseffekten i ett fluidum i ett kärl förblir hög samtidigt som ultraljudsintensiteten vid kärlets begränsningsytor hålles relativt låg. Detta leder till att undertoner uteblir och till att ulraljudsbestrålningen av ett föremål i fluidumet sker från många olika håll samtidigt. Apparaten kännetecknas av att diametern resp. diagonalen på ultraljudsgivarens anliggningsyta (1) mot kärlet är mindre än eller lika med böjvågslängden i kärlets material och ljudvågslängden i vätskan.

Beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas med hänvisning till några bifogade ritningar visande ett utförings- exempel samt resultat av vetenskapliga försök med prototyput- rustningar.

Figur 1 visar en variant av en givare enligt uppfinningen. Den består i huvudsak av ett framstycke 3 med en negativt konat utformning 2 mot givarens anliggningsyta 1 mot kärlet, en piezoelektrisk kristall 5 och en elektrod 4, och ett bakstycke 6.

Figur 2 visar matresultat framtagna med ett prototypinstrument enligt uppfinningen. Mätresultaten visar att ultraljudsinstru- mentet enligt uppfinningen gör metallytor rena snabbare än dagens kommersiella instrument.

Beskrivningjv utföringsexempel av 10 15 20 25 30 35 456 971 En givare enligt uppfinningen visas i ett utförande i figur l.

De mätresultat som visas i figur 2 har erhållits med en givare väsentligen konstruerad enligt vad som visas i figur l. Denna givare hade en anliggningsyta l med diameter 7 mm. Framstycket 3 tillverkades i duraluminium, som har för metaller relativt låg akustisk impedans. Framstyckets totala längd var 25 mm, och den negativt konade delen 2 hade en längd av ll mm. Koningen bör uppvisa en kontinuerlig övergång mellan den stora diametern (25 mm) och den mindre (7 mm). Givarens bakstycke 6 är tillverkad i stål, som har en för metaller relativt hög akustisk impedans.

Den är 24,9 mm lång. Således bör framstycket tillverkas i material med låg akustisk impedans, och bakstycket i hög akustisk impedans. Mellan framstycket och bakstycket anbringas en piezoelektrisk kristall 5 (tjocklek 2 mm) och en elektrod 4. I de givare som användes i experimenten fanns också en tunn keramik- för att elektriskt isolera framstycket av säkerhetsskäl. Elektrisk ström med önskad frekvens kopplas till givaren i figur 1 medelst elektroden och bakstycket. I experimentet användes en givare med två på varandra staplade piezoelektriska kristaller med ytteligare två elek- troder. Givaren enligt figur 1 har visats sig ha en något högre verkningsgrad än givaren i exprimenten. skiva mellan elektroden och framstycket, Hela givaren är ihoplimmad med värmehärdad epoxylim, till skillnad mot de flesta kommersiella givare som hålls ihop medelst en central bult. Det har visat sig att limmet fungerar bra och underlättar tillverkningen. Givarens anliggningsyta 1 limmas mot stålkärlet (väggtjocklek ca 0,4 mm) med detta lim. I detta utförande är givarens tre lägsta svängningsresonanser ca 45 kHz, ca 100 kHz, och ca 170 kHz. En och samma givare kan användas för vilken som helst av dessa frekvenser, och den kan leverera drygt 100 watt akustisk effekt till ett vattenbad i det anbringade kärlet.

Givetvis kan givaren ges andra dimensioner, beroende på vilka frekvenser man önskar generera och vilka effekter man vill kunna Givaren behöver heller inte vara ihoplimmad, hantera . utan kan 10 15 20 25 30 35 456 971 bultas ihop. Vidare kan man byta ut de olika materialen (duralu- minium och stål) mot andra material om så är önskvärt i viss tillämpning. Man behöver inte använda piezoelektriskt material som omvandlarelement, utan magnetostroktiva material och andra material kan användas. Det viktiga är att givarens anliggningsyta 1 är mindre än eller av samma storleksordning som böjvågslängden i kärlet eller ljudvåglängden i det fluidum som skall exciteras med ultraljudet.

En 0,6mm tjock keramikskiva har placerats mellan framstycket och elektroden för att isolera framstycket och kärlet elektriskt från det elektriska systemet. Man kan givetvis använda andra material än just keramik, och andra tjocklekar. Det kan också vara fördelaktigt att utnyttja keramikskivan (eller motsvarande) i ett mekaniskt stödsystem för givaren som helhet. Som bekant, bör man undvika mekaniska kontakter till ultraljudsgivare som kan störa resonansbilden eller suga bort ultraljudet på ett icke önskvärt sätt. Ett sätt att åstakomma en mekanisk kontakt som inte är behäftad med dessa nackdelar är att anbringa det mekaniska, stödet i eller nära en hastighetsnod i givaren.

Keramikskivan är belägen nära en sådan nod, och kan därför användas som stödpunkt utan att störa givarens funktion i övrigt.

I figur 2 visas mätresultat erhållna med givare väsentligen enligt givaren i figur 1. Här visas hur fort ett fingeravtryck från en titanyta bearbetas med ultraljud (ca 40 watt i 0,9 liter vatten vid 25°C, eller ekvivalenta effekter i större bad). Längst vertikalaxeln visas hur många procent av fingeravtrycken har försvunnit (uppmätt elektroniskt medelst Galvani-potentialen, se exempelvis D H McQueen, "Electrochemical evaluation of ultrasonic cleaning: the Galvani potential", Ultrasonics gg, 49 (1986), och längst horisontalaxeln visas tiden. Den längsta kurvan, utan symboler, har erhållits i ett kommersiellt instrument som arbetar med en frekvens på 47 kflw och som alstrar starka hörbara toner.

De övriga kurvorna har erhållits med tysta ultraljudsinstrument enligt uppfinningen. Kurvan. märkt "+" gäller 45 kHz; kurvan märkt med rutor gäller 100 kHz: kurvan märkt med trianglar gäller 170 kHz. Den högsta kurvan, märkt med "x", gäller en kombination 10 15 20 25 30 35 456 971 av 45 kHz ultraljud (halva effekten) och 170 kHz ultraljud (halva effekten), med total ultraljudseffekt lika med den ultraljudsef- fekt som användes för de tre andra matningarna enligt uppfinnin- gen. Liknande kurvor har erhållits för industriell polerpasta i stället för fingeravtryck. Förloppet går fortare när man använder högre temperaturer och bättre lösningsmedel.

Det är klart att det kommersiella instrumentet uppvisar den sämsta rengöringsförmågan. Detta kan bero på att ultraljudet strålas in i badet från en begränsad yta definierad av givarens anliggningsyta, varvid en skuggvinkel uppstår. Föremålet för rengöringen bestrålas huvudsakligen från en enda riktning. De övriga kurvorna, för instrument enligt uppfinningen, visar stigande rengöringseffektivetet. När frekvensen höjs får man snabbare rengöring, i enlighet med den teori som framlades av 273 (1986)). Den högsta kurvan visar något nytt. Man skulle kunna tänka sig att en samtidig kombi- nation av låga och höga ultraljudsfrekvenser skulle ge resultat som motsvarar ett medelvärde av dessa två frekvenser var för sig.

Sá är inte fallet, utan man får ett oväntat och positivt resultat. Orsaken till detta oväntade positiva resultat är okänd.Den kan upprepas med industriell polerpasta på titanytor.

Givaren enligt uppfinningen är synnerligen väl lämpad för att utnyttja detta positiva resultat, då den kan användas vid två eller flera frekvenser samtidigt. Givetvis är det lämpligt att frekvenserna skall vara olika, exempelvis skall den ena frekven- sen vara minst femtio procent högre en den andra. Detta utesluter i och för sig inte att man väljer 20 kHz och 30 kHz, men det framgår av figur att det vore bättre att arbeta med den ena frekvensen vara minst femtio procent högre än den andra. Detta utesluter i och för sig inte att man väljer 20 kHz och 30 kHz, men det framgår av figur 2 att det vore bättre att arbeta med den ena frekvenser mellan ca 30 kHz och ca 50 kHz, frekvensen över ca 100 kHz.

McQueen (Ultrasonics gå, och den andra Man skall inte glömma att högre och att högre frekvenser kan bättre tränga in i trånga utrynunen i tillexempel fin mekanik än vad lägre frekvenser kan göra. frekvenser kan vara mer effektiva vid rengöring, 10 15 456 971 Uppfinningen är givetvis inte begränsad till de ovan angivna exemplen utan kan varieras inom ramen för de principerna som har berörts. Vidare är uppfinningens tillämpning inte begränsad till rengöring av fasta föremål i vätske bad, typ finmekanik, elektriska och elektroniska kompotenter (kretskort, keramik- substrat, kiselskivor, integrerade kretsar, etc), optiska komponenter (linser, filter, fiberoptik, etc), mm, även om ultraljud har visat sig vara utmärkt bra för rengöring. av ytmonterade kretskort (se Jan Wimpemyr & Carl Gunnar Bergendahl, “tvättning av ytmonterade kretskort", IVF Resultat 85612, september 1985 (Sveriges Mekanförbund). Uppfinningen kan med fördel tillämpas inom processindustrier, exempelvis vid elektro- kemiska processer typ elektroplátering, biokemiska processer typ cellodling, katalytiska processer typ avloppsrening, separerings- processer typ ultrafiltrering kromatografi, utläkningsprocesser, mm. Vidare är det frekvensomfàng som avses här inte begränsad vare sig nertill eller upptill. Givarens effekt kan utökas till flera hundra watt eller minskas till ett fåtal watt, exempelvis genom att ändra givarens diameter. 14./

Claims (3)

Q 456 971 PATENTKRAV

1. l. Apparat för att bringa en i ett kärl befintlig vätska i rörelse medelst ultraljud för rengöring och/eller penetrering av ett i vätskan åtminstone partiellt nedsänkt föremål, och innefattande minst en ultraljudsgivare (1-6) anordnad i fast kontakt med kärlet, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att diametern resp. diagonalen pá ultraljudsgivarens anliggnings- yta (l) mot kärlet är mindre än eller lika med böjvàgslängden i kärlets material och ljudvàgslängden i vätskan.

2. Apparat enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att ultraljudsgivaren är anordnad att avge en kombination av höga och låga frekvenser, antingen överlagrade från samma givare eller olika frekvenser från olika givare.

3. Apparat enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att givarens med kärlet förbundna framstyoke (3) vid ena ändpartiet är utformad som en stympad kon eller liknande med konkav mantelyta (2), att konans toppyta (1) är anliggningsyta mot kärlet, vilket är fast förbundet med anliggningsytan via ett förband, lämpligen ett limförband.