WO1998047632A1

WO1998047632A1 - Gerät zur einkopplung von ultraschall in ein flüssiges oder pastöses medium

Info

Publication number: WO1998047632A1
Application number: PCT/EP1998/002404
Authority: WO
Inventors: Vladimir Abramov; Oleg Abramov
Original assignee: Tech Sonic Gesellschaft Für Ultraschall-Technologie Mbh
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1998-10-29
Also published as: EP0975440A1; EP0975440B1; DE59805004D1; ATE221420T1; US6429575B1; DE19717397A1

Abstract

Bei einem Gerät (10) zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium mit einem Wechselspannungsgenerator (23), der auf Frequenzen zwischen 1 kHz und 100 kHz ausgelegt ist, einem mit der Ausgangs-Wechselspannung des Generators zu hohfrequenten longitudinalen mechanischen Schwingungen ansteuerbaren, magnetostriktiven oder piezoelektrischen Transducer (12), einem zylindrisch-stabförmigen Wellenleiter (27), der durch den Transducer zu longitudinalen resonanten Schwingungen anregbar ist und einem mit dem Wellenleiter akustisch gekoppelten, rohrförmigen Hohlraumresonator (17), der die longitudinalen resonanten Schwingungen in bezüglich seiner Längsachse (14) transversale Schwingungen umsetzt, deren Schwingungsenergie in das mit Ultraschall zu behandelnde Medium (11) einkoppelbar ist, ist der Hohlraumresonator (17) so ausgelegt, daß sowohl für longitudinale als auch für transversale Eigenschwingungen seines Mantels (18) die Resonanzbedingung erfüllt ist.

Description

Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen. Ein derartiges Gerät ist Gegenstand einer eigenen, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung (DE 195 39 195 AI) .

Bei einem bekannten Gerät ähnlicher Art (US-PS 4,016,436) ist ein einseitig an einen rohrförmigen Hohl- raumresonator angesetzter Wellenleiter vorgesehen, der mittels eines piezoelektrischen Transducers, der seinerseits elektrische Wechselspannungs-Ausgangssignale eines Wechselspannungsgenerators in longitudinale mechanische Schwingungen umwandelt, zu resonanten longitudinalen Schwingungen anregbar ist. An diesen Transducer ist mechanisch fest in einem flanschförmigen Bereich desselben der Hohlraumresonator akustisch angekoppelt.

Bei einem weiteren Gerät ähnlicher Art (US-PS 5,200,666) wird an beiden Enden des rohrförmigen Resonators, der zur Konversion longitudinaler Schwingungen in transversale Schwingungen vorgesehen ist, mittels je eines Transducers Ultraschall-Energie eingekoppelt.

Es ist auch bekannt (US-PS 4,537,511), einen rohrförmigen Hohlraumresonator zu verwenden, der an beiden Enden abgeschlossen ist und von einer Seite her mit dem mittels eines Transducers eingekoppelten Ultraschall beaufschlagt wird. Bei all diesen Geräten wird die Länge des Hohlraumresonators gleichsam in einer ersten Näherung gemäß der Beziehung

L = nC₀/2f_r (A)

gewählt, in der n eine ganze Zahl bedeutet, mit c₀ die Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigen Resonator und mit f_r die mechanische Resonanzfreuquenz des mit dem Transducer akustisch gekoppelten, zur Einleitung von Ultraschall in den Resonator benutzten Wellenleiters bezeichnet ist. Die Schallgeschwindigkeit c₀, ist durch die Beziehung

gegeben, in der mit E der Elastizitätsmodul (Young¹ scher Modul) und mit p das spezifische Gewicht des Resonator- Materials bezeichnet ist.

Soweit durch eine Wahl der Resonatorlänge gemäß der erstgenannten Beziehung (A) suboptimale Ergebnisse erzielt werden, wird üblicherweise durch Versuche eine Korrektur der Resonatorlange ermittelt, was jedoch nur dann rationell ist, wenn anschließend eine größere Zahl solcher Gerate mit dieser durch Versuche ermittelten, optimalen Lange gebaut werden können. Spezialgerate, die nur in geringen Stuckzahlen gebaut werden, sind daher sehr teuer. Es kommt hinzu, daß bei einem solchen Vorgehen das Resultat oftmals relativ weit vom möglichen Optimum entfernt ist, was jedoch hingenommen wird, da das Gerat durch Nutzung eines leistungsstarken Frequenzgene- rators und Transducers für den Einsatzzweck geeignet hergestellt werden kann. Auch derartige Gerate sind wegen der erforderlichen Uberdimensionierung ihrer elektrischen Versorgung und des Transducers teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Gestaltung eines eingangs genannten Geräts anzugeben, das einen gunstig hohen Übertragungs-Wirkungsgrad ergibt, und, nachdem es einmal ausgelegt ist, nicht, zumindest nicht nen- nenswerter Nachbearbeitungen bedarf, um auf einen Betrieb mit optimalem Wirkungsgrad ausgelegt werden zu können, insbesondere ein Gerat, das mit einer vorgegebenen Auslegung mit einem nahe dem optimalen Wirkungsgrad liegenden Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch eine Auslegung des Hohlraumresonators entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelost.

Eine hiernach sich ergebende Abweichung der Resonatorlange L von der Beziehung (A) kann relativ klein sein, so daß die erfindungsgemaße Auslegung gegenüber der Beziehung (A) nur eine entsprechend geringfügige Verbesserung ergibt, kann jedoch in praktischen Fallen auch um fast 40% von dem durch die Beziehung (A) gewinnbaren Resultat abweichen, so daß, verglichen mit einem solchen Fall, die erfindungsgemaße Auslegung ein wesentlich besseres Resultat ergibt.

Auch für die gemäß Anspruch 2 angegebene, geschlossene Gestaltung des Hohlraumresonators wird durch die erfin- dungsgemaße Auslegung seiner Lange L, seines Außendurchmessers D und seiner Wanddicke eine sehr genaue Abstimmung auf die Resonanzbedingungen erzielt. In der ge- schlossenen Konfiguration des Hohlraumresonators ist dieser gemäß den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4 mit einem fluiden Kühlmedium spülbar und kann in diesem Fall mit Vorteil zur Ultraschallbehandlung von Metallschmel- zen eingesetzt werden, um im erkalteten, "harten", Zustand des behandelten Materials eine möglichst feine und homogene Korngröße zu erzielen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5, bevorzugt in Ko bi- nation mit denjenigen des Anspruchs 6 läßt sich eine insbesondere für die Ultraschall-Behandlung von Flüssigkeiten vorteilhafte Intensivierung der Kavitationsblasenbildung im behandelten Material erzielen.

Die Gestaltung des Geräts gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 ergibt den Vorteil einer weitgehend homogenen Verteilung der in ein Behandlungsgut eingestrahlten Ultraschall-Energie .

In den Gestaltungen des Resonators des erfindungsgemäßen Geräts gemäß den Merkmalen der Ansprüche 8 und 9 wird eine Transportwirkung entlang des Resonatormangels erzielt, die im Ergebnis zu einer gleichmäßigeren Behandlung des "stromenden" Gutes führt.

Durch die gemäß Anspruch 10 vorgesehene "exzentrische" Anordnung des Resonator-Innenraums gegenüber der zentralen Langsachse seiner äußeren Mantelfläche wird eine Richtwirkung bezüglich des abgestrahlten Ultraschall- Feldes erzielt, derart, daß über den dunnerwandigen Bereich des ResonatorMantels mehr Ultraschallen rgie abgestrahlt wird als über seinen dickerwandigen Mantelbereich . Die durch die Merkmale des Anspruchs 11 dem Grundgedanken nach und in zweckmäßigen Ausgestaltungen durch die Merkmale der Ansprüche 12 und 13 näher spezifizierte Gestaltung des Geräts mit einer aus mehreren Hohlraumreso- natoren bestehenden, insgesamt langgestreckt-stabförmi- gen Ultraschallquelle hat den Vorteil einer raumsparenden Anordnung der Transducer innerhalb von Resonator- Elementen und bietet auch die Möglichkeit, besonders hohe Schalleistungen in das Behandlungsgut einzustrahlen. In Kombination hiermit ist es zweckmäßig, wechselspan- nungs-gesteuerte Transducer als Spannungs-Schallwandler einzusetzen und hierbei einander in Längsrichtung der Ultraschallquelle benachbarte Transducer gegenphasig anzusteuern.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Geräts zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges Medium, mit einem ma- gnetostriktiven Transducer, der mittels eines Wellenleiter-Systems an einem zylindrisch- rohrförmigen Hohlraum-Resonator an gekoppelt ist,

Fig. la die Amplitudenverteilung longitudinaler und transversaler Ultraschall-Schwingungen, zu de- nen der Transducer und der Resonator anregbar sind,

Fig. 2 ein Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemaßen Geräts mit innerhalb von Hohlraumresonator- Elementen angeordneten piezoelektrischen Trans- ducern,

Fig. 2a die Amplitudenverteilung longitudinaler und transversaler akustischer Schwingungen, zu denen der Transducer und der Hohlraumresonator des jeweiligen Elements anregbar sind,

Fig. 3a bis 3e spezielle Gestaltungen von Hohlraumreso- natoren, die in Geräten gemäß den Fig. 1 und 2 einsetzbar sind und

Fig. 4 einen Resonator mit Kühlsystem.

In der Fig. 1 ist insgesamt mit 10 ein Gerät bezeichnet, mittels dessen Ultraschall in einem Frequenzbereich von 5 bis 50 kHz in ein fluides Medium 11, das dünnflüssig oder pastös oder auch fluid-ähnlich, z.B. feinkörnig- pulverförmig sein kann, einkoppelbar ist. Das Gerät um- faßt einen insgesamt mit 12 bezeichneten Transducer, der in Form einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstromes angebotene elektrische Energie in (Ultra-) Schalleistung umsetzt, durch die ein insgesamt mit 13 bezeichnetes Wellenleitersystem zu erzwungenen longitudinalen Schwin- gungen, d.h. Schwingungen, deren Auslenkungen in Richtung der zentralen Längsachse 14 des Geräts 10 erfolgen, angeregt wird, deren Amplitudenverlauf durch die strichpunktiert eingezeichnete Verteilungskurve 16 der Fig. la in Relation zu den geometrischen Abmessungen des Trans- ducers 12, des Wellenleitersystems 13 und eines mit diesem akustisch gekuppelten Hohlraumresonators 17 wiedergegeben ist, der seinerseits durch die longitudinalen Schwindungen des Wellenleitersystems 13 zu longitudinalen und transversalen Ultraschall-Schwingungen angeregt wird, d.h. auch zu Schwindungen des Resonatormantels 18, der Auslenkungen radial bezüglich der zentralen Längsachse 14 des Geräts 10 erfolgen. Die Amplutudenvertei- lung dieser transversalen Schwindungen, zu denen der Hohlraumresonator 17 anregbar ist, ist durch die auszgeogene Amplituden-Verteilungs urve 19 der Fig. la wiedergegeben. Der Hohlraumresonator 17 ist so ausgelegt, daß er sowohl hinsichtlich der longitudinalen als auch hinsichtlich der transversalen Eigenschwingungen seines beim dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen, d.h. auf dem größten Teil seiner Länge L, zylin- drisch-rohrförmigen ausgebildeten Mantels 18 der Resonanzbedingung genügt.

Für das in der Fig. 1 dargestellte spezielle Ausfüh- rungsbeispiel ist vorausgesetzt, daß der Transducer 12 als magnetostriktiver Transducer für sich bekannter Bauart ausgebildet ist, dessen lediglich schematisch angedeuteter Schwingkörper 21 durch Bestromung seines eben- falls nur schematisch angedeuteten Feld-Wicklungssystems 22 im Takt des von einem Wechselstromgenerator 23 bereitgestellten Wechselstromes zu den Ultraschall- Schwingungen angeregt wird. Der Schwingkörper 21 des Transducers 12 ist im Sinne einer starken Schwingungs- kopplung fest mit einem kegelstumpfförmig angeordneten Konzentrator 24 des Wellenleitersystems 13 verbunden, der seinerseits, z.B. durch eine Schraub-Verbindung 26 fest mit einem weiteren, der Grundform nach zylindrischen, ebenfalls als Konzentrator wirkenden Wellenleiter 27 gekoppelt ist, mit dem wiederum der Hohlraumresonator 12 im Sinne einer starken akustischen Kopplung fest verbunden ist, wobei diese Verbindung mittels eines nicht eigens dargestellten Gewindes realisiert sein kann. Der Schwingkörper 21 des Transducers, der mit diesem verbundene Konzentrator 24 und der weitere zylindrische Wellenleiter 27 des Wellenleitersystems 13 sowie der Hohlraumresonator 17 sind auf dieselbe mechanische Reso- nanzfrequen ausgelegt, auf die auch die Frequenz des zur Bestromung des Feldwicklungssystems 22 des Transducers 12 genutzten Wechselstroms abgestimmt ist, der von dem Generator 23 geliefert wird.

Bei dieser -Abstimmung entspricht die in Richtung der Längsachse 14 gemessene Länge des Schwingkörpers 21 des Transducers 12 einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der longitudinalen akustischen Schwindungen im magnetostriktiven Transducer-Material. In einer übli- chen Gestaltung des Schwingkörpers 21 entspricht dessen Länge der halben Wellenlänge seiner resonanten longitudinalen Eigenschwingung.

Auch die axiale Ausdehnung des kegelstumpfförmig darge- stellten Konzentrators 24 entspricht üblicherweise der halben Wellenlänge seiner longitudinalen resonanten Eigenschwingung, die, wegen der Materialabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit, einen anderen Wert haben kann als die ResonanzWellenlänge im Schwingkörper 21 des Transdu- cers.

Auch die axiale Länge des zweiten Wellenleiters 27 bzw. Konzentrators des Wellenleitersystems 13 entspricht der halben Resonanz-Wellenlänge im Wellenleiter-Material. Dieser zweite Wellen-Konzentrator 27 hat auf seiner gesamten Länge, abgesehen von einem in axialer Richtung nur wenig ausgedehnten, radialen Außenflansch 28, der zur Fixierung des Wellenleitersystems 13 sowie des Hohlraumresonators 17 an einem Reaktorgefäß 29 vorgesehen ist, das das fluide Medium 11 enthält, denselben Außendurchmesser D₀, dem auch der Außendurchmesser des Hohlraumresonators 17 entspricht.

Der zweite "zylindrische" Wellenkonzentrator 27 ist an der dem ersten Konzentrator 24 zugewandten Seite als ^•"massiver" Zylinder ausgebildet und an seiner dem Hohlraumresonator 17 zugewandten Seite topfförmig gestaltet, wobei die Dicke δ des zylindrischen Topfmantels 31 des zweiten Wellenkonzentrators 27 gleich der Dicke des zylindrischen Resonatormantels 28 ist. Die axiale Tiefe des zylindrischen Topfmantels 31, der die Schwingungs- Konzentration auf den Mantel des Hohlraumresonators 17 vermittelt, entspricht einem Viertel der Resonanz- Wellenlänge der longitudinalen Schwindungen im Material des zweiten Wellenkonzentrators 27. Demgemäß ist der Befestigungsflansch 28 in einer Knotenebene der longitudinalen akustischen Schwindungen angeordnet, die über den zweiten Wellenkonzentrator 27 in den Hohlraumresonator 17 eingekoppelt werden, der dadurch sowohl zu longitudinalen wie auch zu transversalen Schwingungen resonant angeregt wird, durch deren Wirkung die Ultraschall- Behandlung des fluiden Mediums 11 erfolgt.

Der Hohlraumresonator 17 ist an seinem vom Transducer 12 entfernt angeordneten Ende halbkugelschalenförmig abgeschlossen, wobei der Außenradius R_c dieses Resonator- Abschlusses den Wert D₀/2 und die Dicke δ dieses kugel- schalenförmigen Resonator-Abschlusses 32 der Dicke δ des zylindermantelförmigen Abschnitts 18' des Resonatormantels 18 entspricht. Um optimale geometrische Abmessungen des Hohlraumresonators 17 zu erreichen ist es notwendig, daß dieser die Resonanzbedingung sowohl für longitudinale als auch radiale Schwingungsformen erfüllt, dies unter der Bedin- gung, daß die Schwingungsanregung durch longitudinale akustische Schwingungen vorgegebener Frequenz erfolgt und daß auch der akustische Widerstand der Last des zu behandelnden Mediums adäquat berücksichtigt wird.

Demgemäß ist die zwischen der ringförmigen Stirnfläche 31 des Resonatormantels 18, mit der dieser an den zylin- dermantelförmigen Abschnitt 31 des zweiten Wellenkonzentrators 27 anschließt, und dem entferntesten Punkt 34 des kugelschalenförmigen Resonator-Abschlusses 32 gemes- sene Länge L des Hohlraumresonators 17 so gewählt, daß sie der folgenden Beziehung genügt:

\R ΔL

L = );n= 1,2,3,..

2t n(l- (1)

1 + Vl + ΔL

In dieser Beziehung ist mit f_r die "Resonanz"-Frequenz bezeichnet, auf die der Hohlraumresonator 17 ausgelegt sein soll. Sie ist im allgemeinen durch die Frequenz des Wechselstromgenerators 23 bestimmt, bei der dieser am effektivsten arbeitet.

Mit C_I ist die Schallgeschwindigkeit im Material bezeichnet, aus dem der Hohlraumresonator besteht.

Sie ist durch die folgende Beziehung gegeben:

In dieser Beziehung ist mit E der Young'sche Elastizitätsmodul des Resonatormaterials bezeichnet, mit μ der Poisson'sche Querkontraktionskoeffizient des Resonator- Materials und mit p_R die Dichte des Resonator-Materials.

Der Außendurchmesser Do des Hohlraumresonators 17 ist gemäß der folgenden Beziehung gewählt:

D_n = "1R + (1 + ΔD) (3) πf.

Die in der Beziehung (1) enthaltene Größe ΔL und die in der Beziehung (3) enthaltene Größe ΔD genügen den folgenden Relationen:

Diese Relationen gelten in sehr guter Näherung, wenn gleichzeitig die durch die nachfolgende Relation ausge- drückte Nebenbedingung erfüllt ist:

δ(D₀-δ)-C,_R-p_R D₀P_LC_L

aus der sich die Wanddicke δ des Resonators ergibt.

In der Beziehung (5) ist mit C_ir die Schallgeschwindigkeit im Resonator-Material bezeichnet, mit C die Schallgeschwindigkeit in dem der Ultraschall-Behandlung unterworfenen "Last "-Medium und mit p_L die Dichte des zu behandelnden Mediums 11. Die in den Beziehungen (4) und

(4') enthaltenen Größen a und b werden, gleichsam als

Schnittpunkts-Koordinaten zweier Funktionen aι(y) und a₂(y) bestimmt, d.h. durch Aufsuchen der Lösung:

aι(b) = a₂(b) = a,

Diese Funktionen werden nachfolgend als Funktionen des gemeinsamen Parameters y der Einfachheit halber ledig- lieh mit ai und a₂ bezeichnet. Sie sind implizit durch die folgenden Beziehungen gegeben:

ξ(a₁,J_n)ß(a₁) + μ(a„N_n)(l-G(a₁))-μ(y,J_n)G(a₁) + μ(y,N_n) = 0

(6/1)

κ,(a₂) q(a₂,J ß(a₂) + q(a₂,N (l-G(a₂)--^ [ _Lqq(<.yy_>>JJ_n„)ΛGA(aa₂₂)--qq(θy',,NiN_nn);]j =^: 0 κ,(a₂)'

( 6/2 :

κf(x) = k?-k'(x) (6/3)

κ²(x) = k²-k²(x) C6/4

k²(x) = k^{2 2}(x) (6/5)

(l-2v)(b²-x²)-x² ^K (*) = („l-2ήv..)(b,²2-x²), ⁽6/⁷ v²x ξ(x,Z_n) = Z_n+l(x)- (6/8)

(n+l)(l-v) z.(^χ)

v(a(x)-κ²(x)1 dZ_n+,(x) .μ(x,Z_n) = Z_n+1(x) + (6/10)

(l-v)κ²(x) dx

mit: θ(x = a,odera₂) = l;θ(x = y) = c²

G.(x,N_π) ^G(X)°r Gl(xτnV) ^(6/11)

G,(x,Z_n) = μ(x,J_n)[ξ(y,Z_n) ₊ξ(x,N_n)]-ξ(x,J_n)[μ(y,Z_n) +μ(x,N_n)]

(6/13)

C = - - (6/14)

E C = .. , (6/15)

2p_R(l + v)

Die beiden ersten Gleichungen (6/1) und (6/2) bilden ein transzendentes Gleichungssystem für die Funktionen a_ι(y) und a₂(y), in dem mit J_n die bekannten Besselfunktionen und mit N_n die ebenfalls bekannten Neumann ' sehen Funktionen bezeichnet sind. Diese Funktionen J_n und N_n haben als Argument jeweils diejenige Variable ai, a oder y mit der sie durch die weiteren Funktionen μ(x,Z_n), ξ(x,Z_n) und q(x,Z_n) verknüpft sind. In diesen Beziehungen steht "x" für die möglichen Variablen ai, a₂ oder y und Z_n für die jeweiligen Zylinderfunktionen, nämlich die Besselfunktionen J_n oder die Neumann' sehen Funktionen N_n.

Die Funktionen ξ, q und μ sind, mit entsprechender Notation, jeweils durch die Beziehungen (6/8), (6/9) und (6/10) definiert, wobei die in der Beziehung (6/10) enthaltene Funktion θ (x) durch die folgenden Relationen gegeben ist:

θ (x = ai oder a₂) = 1 und 3 (x = y) = c^:

C ist seinerseits durch die Beziehung (6/14) gegeben, in der mit Cι_R die Schallgeschwindigkeit der longitudinalen Schwingungen im Resonator und mit C_t die Schallgeschwindigkeit der transversalen Ultraschällschwingungen im Resonator bezeichnet sind. Diese "transversale" Schallgeschwindigkeit genügt ihrerseits der Beziehung (6/15), in der mit p_R die Dichte des Resonatormaterials, mit E des- sen Young ' scher Elastizitätsmodul und mit v die Pos- son'sche Querkontraktionskonstante des Resonatormaterials bezeichnet sind.

Die in den Gleichungen (6/1) und (6/2) weiter genannten Funktionen ß, deren Argument einmal die Funktion ai und einmal die Funktion a₂ sein kann, ist in allgemeiner

Form durch die Beziehung (6/13) angegeben. Die weiter in den Gleichungen (6/1) und (6/2) enthaltenen Funktionen G sind durch die Beziehungen (6/11) und (6/12) angegeben. Die in der Gleichung (6/10) enthaltenen Funktionen κ² sind wiederum in allgemeiner Form durch die Beziehung

(6/7) und die Beziehungen (6/3), (6/4), (6/5) und (6/6) definiert, wobei in der Beziehung (6/6) Cι_R, zum einen für C_JLR und zum anderen für C_t steht.

Durch die Beziehung (6/6) sind Wellenzahlen ki und k_t der longitudinalen und transversalen Schwingungen des Resonators bei der Resonatorfrequenz f_r angegeben.

Das Gleichungssystem (6/1) und (6/2) kann durch Variation des Parameters y auf einfache Weise ausgewertet wer- den.

Das in der Fig. 2, auf deren Einzelheiten nunmehr Bezug genommen sei, dargestellte weitere Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Geräts zur Ultraschall- Behandlung von flüssigen oder pastösen Medien ist nach Aufbau und Funktion zu dem anhand der Fig. 1 erläuterten weitgehend analog, so daß eine Erläuterung auf konstruktive Unterschiede bezüglich des Geräts 10 gemäß Fig. 1 beschränkt werden kann. Soweit für Elemente des Geräts 10' gemäß Fig. 2 dieselben Bezugszeichen verwendet werden wie bei der Erläuterung des Geräts 10 der Fig. 1 geschehen, soll dies den Hinweis auf die Baugleichheit oder -Analogie bedeuten und auch den Verweis auf die Beschreibung des Geräts 10 anhand der Fig. 1.

Bei dem Gerät 10' gemäß Fig. 2 besteht die insgesamt mit 35 bezeichnete Ultraschallquelle aus mehreren Hohlraum- resonatoren, die entlang einer gemeinsamen zentralen Längsachse 1 ' angeordnet und fest miteinander verbunden sind. In einem "äußeren" Hohlraumresonator 17', dessen zylindrischer Mantel 18' mit dem Montageflansch 28 zur außenseitigen Befestigung an dem lediglich schematisch angedeuteten Reaktorgefäß 29 versehen ist, und einem "inneren" Hohlraumresonator 17, der gleichsam am weite- sten innerhalb des Reaktorgefäßes angeordnet ist und beim dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiel dieselbe Form hat wie der anhand der Fig. 1 erläuterte Hohlraumresonator 17, sind mehrere identisch ausgebilde- te Hohlraumresonatoren 17 ' ' als Zwischenelemente vorgesehen, von denen der Einfachheit halber lediglich eines dargestellt ist. Diese "Zwischen"-Hohlraumresonatoren .17'' sind der Grundform nach topfförmig gestaltet mit einem stabilen Boden 36 der Dicke L_B und einem rohrför- mig-zylindrischen Mantel 18'. Sämtliche Resonatoren 17, 17' und 17'' haben dieselbe Länge L, dieselben Dicken δ ihrer zylindrischen Mantelabschnitte und denselben Außendurchmesser D₀, entsprechend den anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 erläuterten Auslegungs- Kriterien, wobei die Bodendicke L_B klein gegen die Länge L gewählt werden muß, was als diesbezügliches Auslegungskriterium genügt (z.B.: L_B<L/10) .

Die zwischen dem äußeren Hohlraumresonator 17 ' und dem halbkugelschalenförmig abgeschlossenen Hohlraumresonator 17 angeordneten, topfförmig gestalteten Hohlraumresonatoren 17' ' sind im Bereich ihres Bodens 36 und im Bereich ihrer offenen Endabschnitte 37 mit komplementär gestalteten Außengewinden 38 und Innengewinden 39 glei- eher axialer Ausdehnung L_s, die kleiner ist als die Bodendicke L_B, versehen, mittels derer sie fest aneinander angeschraubt werden können, derart, daß die äußere Bodenfläche des einen Hohlraumresonators 17'' an einer inneren Ringschulter 42 des benachbarten Hohlraumresona- tors 17'' fest abgestützt ist. Dieselbe Art der festen Verbindung ist auch bezüglich des äußeren Hohlraumresonators 17' und des inneren, kugelschalenförmig abgeschlossenen Hohlraumresonators 17 mit dem jeweils benachbarten "Zwischen"-Resonator 17'' vorgesehen. In koaxialer Anordnung mit der zentralen Längsachse 14'' der Ultraschallquelle 35 ist am Boden 36 eines jeden der Zwischen-Resonatoren 17 ' ' ein insgesamt mit 42 bezeichneter Ultraschall-Transducer angekoppelt. Auch der innere Hohlraumresonator 17 des Geräts 10' ist durch eine Bodenplatte 36 abgeschlossen, an der der vom benachbarten topfförmigen Hohlraumresonator 17 ' ' aufgenommene Transducer 42 angekoppelt ist.

Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist lediglich dem äußeren Hohlraumresonator 17' nicht ein gleichsam eigener Transducer 42 zugeordnet. Dieser einseitig offen rohrförmig gestaltete Hohlraumresonator 17 ' wird gleichsam von dem Transducer 42 mit versorgt, der am Boden 36 des benachbarten topfförmigen Resonators 17' ' fest angekoppelt ist, z.B. mittels einer schematisch angedeuteten Schraubverbindung 43.

Als Transducer 42 werden bei dem Gerät 10' gemäß Fig. 2 zweckmäßigerweise piezoelektrische Transducer verwendet, die als elektromechanische Spannungs-Schwingungswandler eine lediglich schematisch angedeutete, insgesamt mit 44 bezeichnete piezoelektrische Säule haben, die durch An- Steuerung mit einer Wechselspannung zu in Richtung der zentralen Längsachse 14' verlaufenden "Dicken"- Schwindungen, d.h. longitudinalen Längenänderungen anregbar ist, die über einen Transducerblock 46, mittels dessen der Transducer 42 am Boden 36 des jeweils benach- barten Hohlraumresonators 17'' bzw. 17 befestigt ist, auf den jeweiligen Mantel 18 bzw. 18' bzw. 18-!' des jeweiligen Hohlraumresonators 17 ' ' bzw. 17 oder 17' übertragbar sind, wodurch dieser zu longitudinalen und transversalen Schwingungen anregbar ist. Das Gerät 10' ist insbesondere für eine Ultraschallbehandlung flüssiger Medien in Reaktorgefäßen 29 geeignet, die eine relativ große Tiefe haben und Medium in ent- sprechend großer "Schicht"-Dicke enthalten.

Zur Erläuterung einiger Varianten von Resonator- Gestaltungen, die in sinngemäßer Anpassung sowohl in dem Gerät 10 gemäß Fig. 1 als auch in dem Gerät 10' gemäß Fig. 2 Verwendung finden können, sei nunmehr auf die Fig. 3a bis 3e Bezug genommen.

Der Hohlraumresonator 17_a gemäß Fig. 3a hat die Grundform eines zylindrischen Rohres, das auf dem überwiegen- den Teil seiner Länge eine konstante 'Wanddicke δ, den Außendurchmesser D₀ und eine gemäß der Beziehung (1) gewählte Länge L hat. In regelmäßigen Abständen, vorzugsweise in Abständen L/2, wobei L durch die Beziehung (1) für n=l gegeben ist, ist der Hohlraumresonator 17_a mit äußeren, flanschförmigen Ringrippen 47 versehen, deren radiale Höhe h und deren in Richtung der Längsachse gemessene "axiale" Dicke 1 jeweils klein gegen den Außendurchmesser Do bzw. den axialen Abstand L/2 der Ringrippen 47 voneinander sind. "Klein" bedeutet hier einen Bruchteil um 1/10.

Durch diese Ringrippen 47, die in der Längsschnittdarstellung der Fig. 3a eine rechteckige Kontur mit zwei kreisförmigen peripheren Kanten 48 haben, wird, insbe- sondere im Bereich dieser Kanten 48, eine intensivere Kavitations-Blasenbildung in einer zu behandelnden Flüssigkeit erzielt und damit eine Verbesserung des Behandlungs-Wirkungsgrades . Dasselbe gilt sinngemäß für die Hohlraumresonatoren 17_c und 17_d gemäß den Fig. 3c und 3d mit Bezug auf eine spiralförmig verlaufende äußere Rippe 49 mit z.B. dreiecki- gem oder trapezförmigem Querschnitt (Fig. 3c) oder für die in der Art eines mehrgängigen Gewindes ausgebildete Außenstruktur des Resonators 17_d gemäß Fig. 3d, bei der sich die in der Querschnittsdarstellung sternförmige Außenkontur 51 des Hohlraumresonators 17_d ergibt, entspre- chend den spiralförmig verlaufenden konkaven Rillen 52 und den diese gegeneinander absetzenden, spitzen, radial äußeren Rippenkanten 53' der Rippen 53.

Eine dem Resonator 17_a ähnliche Resonator-Form hat der Hohlraumresonator 17_e gemäß Fig. 3e, dessen Innenraum einen konstanten Radius Ri hat, bei dem jedoch der Außenradius R(z) gemäß der Beziehung

R(z) = R₀+δR-sin(—) (7)

entlang der zentralen Längsachse 54 als z-Koordinate gesehen räumlich variiert.

In dieser Beziehung (7) sind mit R₀ der mittlere Radius des Mantels 55 des Hohlraumresonators 17_e bezeichnet, mit δ_R die Amplitude der Radiusänderung und mit z₀ die Periodenlänge der räumlichen Radiusvariationen der Resonator-Außenfläche 56, gesehen in Richtung der zentralen z-Achse 54. Es versteht sich, daß der Minimalwert des durch die Beziehung (7) gegebenen Radius R(z) größer sein muß als der Radius Ri der inneren Mantelfläche des Hohlraumresonators 17_e. Bei dieser Konfiguration des Hohlraumresonators 17_e kann die Periodizität der "Wellen"-Struktur der Resonator-Außenfläche 56 auch signifikant kleiner sein als die Resonatorlänge L.

Im Unterschied zu den anhand der Fig. 3a und 3c bis 3e erläuterten Varianten, die, abgesehen von einer spiralförmigen Außenstruktur (Fig. 3c und 3d) axialsymmetrisch bezüglich der jeweiligen zentralen Längsachsen sind, hat der Hohlraumresonator 17_b gemäß Fig. 3b eine insoweit von der zylindrischen Symmetrie abweichende Gestaltung, als die zentrale Längsachse 57 seiner durchgehenden zylindrischen Bohrung 58 außeraxial bezüglich der zentralen Längsachse 59 der äußeren zylindrischen Mantelfläche 61 angeordnet ist, so daß der Resonatormantel 64 nur bezüglich einer, sowohl die zentrale Längsachse 57 des Re- sonator-Hohlraumes 62 als auch die zentrale Längsachse 59 seiner äußeren Mantelfläche 61 enthaltenden Längsmittelebene 63 symmetrisch ausgebildet ist.

Bei dieser Gestaltung des Resonatormantels 64 variiert dessen Dicke zwischen einem Minimalwert δ_mm und einem Maximalwert δ_max. Der durch diese Gestaltung des Resonta- tormantels 64 erzielte Effekt besteht darin, daß eine Richtcharakteristik der Abstrahlung der Ultraschall- Wellen erzielt wird, derart, daß im dünnerwandigen Be- reich mehr Ultraschal--energie abgestrahlt wird als im dickerwandigen Bereich. Hohlraumresonatoren 17_b mit dieser Gestaltung können mit Vorteil z.B. in Eckbereichen oder Randbereichen eines großvolumigen Reaktionsgefäßes verwendet werden.

In einer speziell für die Behandlung von Schmelzen zweckmäßigen Gestaltung eines Geräts 10 gemäß Fig. 1 mit "durchgehendem", einheitlichem Resonator-Hohlraum 62 ist dieser mit einem in der Fig. 4 schematisch vereinfacht dargestellten^' Kühlsystem 70 versehen, mittels dessen der Resonatorhohlraum 62 mit Kühlflüssigkeit spülbar ist. Hierdurch wird im gesamten Volumen des zu behandelnden Materials, das letztlich bis zum Erstarren abgekühlt wird, eine wesentlich feinere und homogenere Verteilung der Korngröße erzielt, da wegen der Kühlung eine MikroKristallbildung zunächst in unmittelbarer Nähe des Resonators erfolgt, solche primären Mikrokristalle von dort jedoch wieder in den wärmeren Bereich diffundieren, was letztlich die homogenere Verteilung der Korngröße im Material bewirkt.

Dieses Kühlsystem 70 umfaßt ein bezüglich der zentralen Längsachse 14 des Hohlraumresonators 17 koaxiales Zu- fluß-Röhrchen 71, das über einen Versorgungskanal 72 des Wellenleiters 27 an eine Kühlmittelquelle 73 anschließbar ist und einen ebenfalls am Wellenleiter 27 vorgesehenen Abflußkanal 75, über den Kühlmedium aus dem Reso- natorHohlraum 62 zurück zur Kühlmittelquelle strömen kann.

Die Mündungsöffnung 76 des Zuf lußröhrchens 71 , über die das Kühlmittel in den Resonatorhohlraum 62 einströmt, ist in unmittelbarer Nähe des kugelschalenförmigen Reso- nator-Abschlusses 32 angeordnet .

Claims

Patentansprüche

1. Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium, mit

a) einem Wechselspannungsgenerator, der auf Frequenzen zwischen 1 kHz und 100 kHz ausgelegt ist, b) einem mit der Ausgangs-Wechselspannung des Ge- nerators zu hochfrequenten longitudinalen mechanischen Schwingungen ansteuerbaren, magne- tostriktiven oder piezoelektrischen Transducer, c) einem zylindrisch-stabförmigen Wellenleiter, der durch den Transducer zu longitudinalen resonanten Schwingungen anregbar ist d) und einem mit dem Wellenleiter akustisch gekoppelten, rohrförmigen Hohlraumresonator, der die longitudinalen resonanten Schwingungen in bezüglich seiner Längsachse transversale

Schwingungen umsetzt, deren Schwingungsenergie in das mit Ultraschall zu behandelnde Medium einkoppelbar ist, wobei e) der Hohlraumresonator so ausgelegt ist, daß er sowohl hinsichtlich longitudinaler als auch hinsichtlich transversaler Eigenschwingungen seines Mantels der Resonanzbedingung genügt,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Resonatorlänge L, der Außendurchmesser D₀ und die Dicke δ der Resonatorwand (18; 62) gemäß den Relationen

Do = Z - + (l + ΔD) ( 3 ) πf.

δ(D₀ - δ) • C_1R • p_E

L < — - — — (5 )

D₀P_LC_L

aufeinander abgestimmt sind, in denen mit Cj._R die Schallgeschwindigkeit der longitudinalen Ultra- schall-Schwingungen im Material des Hohlraumresonators (17; 17') bezeichnet ist, die durch die Beziehung

gegeben ist, mit

C_L die Schallgeschwindigkeit in dem der Ultraschall-Bestrahlung ausgestetzten Last-Material, mit p_R das spezifische Gewicht des Resonator-Materials, mit p_L das spezifische Gewicht des Last-Materials, mit E der Young'sche Elastizitätsmodul, mit die Poisson'sche Querkontraktionskonstante des

Resonator-Materials und mit f_r die Resonanzfreuqenz des Hohlraum-Resonators (17; 17'), wobei die Größen ΔL und ΔD den Beziehungen

ΔL = (4) a²-(l + ΔDy

und

« ^b2-^a2 (4')

genügen, in denen mit a und b die Schnittpunktskoordinaten zweier Funktionen aι(y) und a₂(y) gemäß der Relation aι(b)=a₂(b) = a bezeichnet sind, die in impliziter Form durch die Beziehungen geben sind:

ξ(a₁,J_n)ß(a₁) + μ(a₁,N_n)(l-G(a₁))-μ(y,J_n)G(a₁) + μ(y,N_n) = 0

(6/1)

q(a₂,J_n)ß(a₂) +q(a₂,N_n)(l-G(a₂)-^r [q(y _n)G(a₂)-q(y,N_n)] = 0

(6/2)

κ²(x) = k²-k²(x) (6/3)

κ,²(x) = k²-k²(x) (6/4)

k²(x) = k²κ²(x) (6/5)

v²x ξ(x,Z_n) = Z_n+1(x)-

(n+ l)(l-v) z„(^χ) (6/8)

(6/9) ^q( ' "^{) =} —d^{- " ~~} — ^{n+1 (X)}

v[&(x)-κ²(x)] dZ_n+1(x) μ(x,Z_n) = Z_n+1(x) + (6/10)

(l-v)κ²(x) dx

mit: θ(x = a,odera₂) = l;3(x = y) = c²

G_I(x,Z_B) = μ(x,J₁)[ξ(y,Z_B) +ξ(x_fN₁)]-ξ(x,J₁₁)[μ(y,Z₁₁) + μ(x,N_ll)]

(6/13)

C

C = -f (6/14)

(6/15)

* 2p_R(l + v)

gegeben sind, wobei mit C_t die Schallgeschwindigkeit der transversalen Ultraschallwellen bezeichnet ist ,

Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (17) auf seiner gesamten Länge, oder auf mindestens einem überwiegenden Teil seiner Länge die Form eines innen und außen zylindrischen Rohres hat, das aus seinem vom Transducer entfernten Ende mit einem vorzugsweise als Halbkugelschale (32) ausgebildeten Abschluß versehen ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Hohlraumresonators (17) mit einem fluiden Kühlmedium spülbar ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Kühlmittels zum Hohlraum des Resonators über ein zentrales, zur Längsachse (14) koaxiales Röhrchen erfolgt, dessen Mündungsöffnung in der Nähe des Resonatorabschlusses (32) angeord- net ist, und die Rückführung des Kühlmediums über einen im Wellenleiterblock des Transducers angeordneten Abflußkanal erfolgt.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Resonator (17_a;17_e) an seiner Außenseite mindestens in Zonen hoher Auslenkungsamplituden longitudinaler Schwingungsrichtung mit Ringrippen (47) versehen ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringrippen (47) die Form radialer Flansche mit scharf kantigen peripheren Rändern (48) haben, wobei die radiale Ausdehnung h dieser Ringrippen klein gegen den Außendurchmesser Do des rohrförmi- gen Grundkörpers des Resonators (17_a) ist und die axiale Dicke 1 dieser Rippen klein gegen den Wert L/2 (für n=l) .

7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenradius R(z) des Hohlraumresonators (17_e) gemäß der Beziehung

R(z) = R₀+δR-sin(—) z₀

in der mit Ro der mittlere Radius des Resonatormantels (55) mit δR die Amplitude der Radiusänderung und mit zo die Periodenlänge der Radiusvariation, gesehen in Richtung der zentralen Resonatorlängs- achse (54), bezeichnet sind.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (17_c;17_d) mindestens eine spiralförmig verlaufende äußere Rippe (49; 53) hat, deren radiale Ausdehnung klein gegen den Außendurchmesser Do ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Art eines mehrgängigen Gewindes mehrere spi- ralförmig verlaufende Außenrippen (53) am Resonatormantel vorgesehen sind.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale _^Längsachse (57) des zylindrischen Innenraums (58) des Hohlraumresonators (17_b) außeraxial bezüglich der zentralen Längsachse (59) seiner radial äußeren zylin- drischen Mantelfläche (61) oder der zylindrischen Hüllfläche seiner Außenstruktur (47; 49; 52, 53;56) angeordnet ist.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Hohlraum- Resonatoren (17, 17" und 17') derselben Länge L, desselben äußeren Durchmessers Do und derselben Resonanzfrequenz F_r in koaxialer Anordnung entlang einer gemeinsamen zentralen Längsachse in starker akustischer Kopplung zu einer insgesamt stabförmi- gen Ultraschallquelle (35) vereinigt sind, innerhalb derer jeweils im Innenraum von Resonatorelementen (17 ',17'') Transducer (42) angeordnet .sind, die über Wellenleiter (46) je an eine benachbarte Resonatorhohlräume gegeneinander absetzende Querwände (36) der durch die Resonatoren (17, 17 ' ' , 17 ' ) insgesamt gebildeten Ultraschallquelle (35) angekoppelt sind.

12. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das/die zwischen einem äußeren Resonatorelement

(17') und dem von diesem entfernt angeordneten inneren Resonator element (17) angeordnete (n) Resona- torelement (e) (17'') topfförmig gestaltet ist/sind, mit rohrförmig-zylindrischem Mantel (18') und einem stabilen Boden (36) , an dem der vom benachbarten

Resonatorelement (17'') aufgenommene Transducer

(42) angekoppelt ist, wobei die Bodendicke L_B klein gegenüber der axialen Ausdehnung des jeweiligen Resonatorelements (17 ',17'') ist.

13. Gerät nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die topfförmig gestalteten Hohlraumresonatoren (17'') im Bereich ihres Bodens

(36) und im Bereich ihrer offenen Endabschnitte

(37) mit einem Außengewinde (38) und einem dazu komplementären Innengewinde gleicher axialer Aus- dehnung L_s zur Befestigung mit den jeweils benachbarten Resonatorelementen (17,17'' und 17) versehen sind, wobei die axiale Ausdehnung L_s dieser Gewinde (38,39) signifikant kleiner ist als die Bodendicke L_B der topfförmig gestalteten Resonatorelemente (17'').

14. Gerät nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Transducer (42) wechsel- spannungsgesteuerte piezokeramische Wechselspan- nungs-Schallwandler haben.

15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß einander in Längsrichtung (42) der Ultraschallquelle (35) benachbarte Transducer gegenphasig ansteuerbar sind.