DE10153701C1

DE10153701C1 - Anordnung zum Reinigen von Erzeugnissen mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt wie Drähte, Profile, Rohre

Info

Publication number: DE10153701C1
Application number: DE10153701A
Authority: DE
Inventors: Holger Hielscher
Original assignee: Hielscher Systems GmbH
Current assignee: Hielscher Systems GmbH
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: CN1568231A; CN1246091C; JP2005525920A; WO2003037538A1; US20040250843A1; EP1439918B1; EP1439918A1; US7299662B2; ES2286297T3; JP4683841B2; DE50210173D1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Reinigen von Erzeugnissen mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt wie Drähte, Profile, Rohre in einer Vielfachanordnung mittels einer durch Ultraschall in einer Bohrung, die nur unwesentlich größer als der Durchmesser des zu reinigenden Erzeugnisses ist, angeregten Flüssigkeit, wobei die Reinigungsflüssigkeit die Bohrungen voll ausfüllend an einem Ende zugeführt und über das jeweils andere Ende der Bohrungen aus der Sonotrode herausgeleitet wird. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Reinigen von Erzeugnissen in Vielfachanordnung von Drähten, Rohren, Profilen mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt zu entwickeln, mit der gewährleistet ist, dass der eingebrachte Ultraschall eines Ultraschallwandlers am zu reinigenden Erzeugnis direkt einwirkt und eine effiziente Reinigung dadurch erzielt wird, dass nur das für die Reinigung notwendige Flüssigkeitsvolumen mit Ultraschall angeregt wird, wobei jede Komponente einer Vielfachanordnung möglichst gleichmäßig mit Ultraschall beaufschlagt werden soll, wird durch eine Anordnung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer als Längsschwinger ausgebildeten und in der Luft schwingenden Ultraschall-Sonotrode (1) der Dicke größer lambda/4 Bohrungen (3) quer zur Anregungsebene zur Durchführung des zu reinigenden Erzeugnisses (4) angeordnet sind, welche sich am äußeren Rand der Sonotrode (1) und annähernd in Reihe in beliebigen Abständen zueinander befinden, sodass die ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Reinigen von Erzeugnissen mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt wie Drähte, Profile, Rohre in Vielfachanordnung mittels einer durch Ultraschall angeregten Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bereits bekannt, Erzeugnisse mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt mittels Ultraschall und Flüssigkeit zu reinigen.

Die bekannten Verfahren, z. B. zur Reinigung von Draht, verwenden Tauchschwinger, die in mit Flüssigkeit gefüllte Behälter eingebracht sind. Die Ultraschallenergie der Tauchschwinger wird in die Flüssigkeit eingestrahlt. In der Flüssigkeit kommt es zur Kavitation, d. h. Flüssigkeit bricht infolge der hohen Energie auseinander, es entstehen Bläschen, deren Inneres mit unter Unterdruck stehendem Gas gefüllt ist. Die Gasbläschen implodieren, dabei wird hohe Energie frei und eine starke Mikroströmung entsteht. Diese Strömung wirkt auf die verschmutzte Oberfläche des zu reinigenden Gutes und entfernt Rückstände wie Fette, Öle oder dgl.

Bei den bekannten Einrichtungen bzw. den damit angewendeten Verfahren wird das zu reinigende Gut bzw. der Draht durch die Flüssigkeit eines großen Behälters, in der Regel eines Beckens, gezogen, in welchem eine Schalleistungsdichte von durchschnittlich 1 Watt pro cm² oder von 15 Watt pro Liter Flüssigkeit besteht, die nur mit hohem Energieaufwand auf die für Reinigungszwecke notwendige Größe gebracht werden kann. Die wirksame Leistung an der Drahtoberfläche liegt weit unter der Gesamtleistung des Ultraschallbeckens. Der Ultraschall wird nicht ausreichend zielgerichtet an der z. B. Drahtoberfläche wirksam, sodass ein hoher Energieeinsatz notwendig wird, um den Reinigungseffekt zu erzielen.

Aus den US 41 00 926 und US 40 46 592 sind Verfahren bekannt, bei denen eine allgemein bekannte zylindrische Sonotrode verwendet wird, durch die eine Durchführung, in der sich der zu reinigende Draht befindet, geführt wird. Die Reinigungsflüssigkeit wird in Kammern und in der Durchführung mit dem Draht in Kontakt gebracht. Die Sonotrode kommt mit dem Reinigungsmittel im Falle der US 41 00 926 gar nicht in Kontakt. Die Sonotrode muss in beiden Fällen ein relativ großes Wasservolumen anregen, so dass die Schallenergiekonzentration zu gering ist, um eine ausreichende Reinigungsleistung zu erzielen. Der Ultraschall wirkt nicht direkt genug an der Oberfläche des zu reinigenden Drahtes.

In der US 47 88 992 wird eine Vorrichtung zur Reinigung von Streifen beschrieben, mit der nur unwesentlich bessere Reinigungseffekte erreichbar sind, die jedoch für die Drahtreinigung ungeeignet und uneffektiv ist.

Das zu reinigende Band oder die Streifen werden in einer Reinigungskammer zwischen zwei getrennt voneinander mit unterschiedlichen Frequenzen schwingende Plattenschwinger geführt. Zwischen den Platten ist eine Reinigungs flüssigkeit eingeströmt, die durch die Schwingungen der Membranplatten angeregt auf die Oberfläche des zu reinigenden Bandes einwirkt. Die Plattenschwinger sind infolge ihrer Materialbeschaffenheit und der notwendigerweise geringen Dicke sowie der Geometrie der Platten nur für kleine Amplituden und damit kleine Abstrahlleistungen pro Flächeneinheit, d. h. kleine Schalleistungsdichte, und nur für bandförmige Erzeugnisse einsetzbar. Der Reinigungseffekt ist nicht befriedigend und für die Anwendung bei runden Querschnitten der zu reinigenden Erzeugnisse wie Drähten ungeeignet. Die Breite der Plattenschwinger kommt an der gewölbten Oberfläche von runden Querschnitten nicht zur Wirkung, direkt eingebrachte Schalleistung wird nur in einem kleinen Bereich genutzt. Es müssen zur Reinigung mehrere Ultraschallwandler eingesetzt werden.

Aus der DE 196 02 917 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, nach denen das zu reinigende Erzeugnis durch eine an den Durchmesser des Erzeugnisses angepasste Bohrung einer in der Luft schwingenden Ultraschall- Sonotrode geführt wird, in die Reinigungsflüssigkeit eingeströmt wird.

In der DE 197 06 007 C1 wird ein Verfahren beschrieben, nach dem das zu reinigende Erzeugnis durch eine Bohrung eines in der Luft schwingenden speziellen Biegeschwingers, der durch eine Ultraschall-Sonotrode zu Schwingungen angeregt wird, geführt wird, in die Reinigungsflüssigkeit eingeströmt wird.

Durch diese Verfahren wird bereits eine nur geringe Wassermenge direkt in einer Arbeitsbohrung der speziell ausgebildeten Sonotrode durch Ultraschall sehr intensiv angeregt. Es entsteht eine sehr hohe Schall- Leistungsdichte, mit der eine sehr direkte und effektive Reinigung durch ein intensives Kavitationsfeld erfolgt.

Ein zu reinigendes Erzeugnis, welches aus einer Vielfach anordnung von Drähten, Rohren, Profilen oder dgl. mit einem Durchmesser von mehreren Zentimetern besteht, kann nach diesen Verfahren nicht gereinigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Reinigen von Erzeugnissen in Vielfachanordnung von Drähten, Rohren, Profilen mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt zu entwickeln, mit der gewährleistet ist, dass der eingebrachte Ultraschall eines Ultraschallwandlers am zu reinigenden Erzeugnis direkt einwirkt und eine effiziente Reinigung dadurch erzielt wird, dass nur das für die Reinigung notwendige Flüssigkeitsvolumen mit Ultraschall angeregt wird, wobei jede Komponente einer Vielfachanordnung möglichst gleichmäßig mit Ultraschall beaufschlagt werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruches 1.

Danach ist die Anordnung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass in einer als Längsschwinger ausgebildeten und in der Luft schwingenden Ultraschall- Sonotrode der Dicke größer λ/4 Bohrungen quer zur Anregungsebene der Sonotrode zur Durchführung des zu reinigenden Erzeugnisses angeordnet sind, welche sich am äußeren Rand der Sonotrode und annähernd in Reihe in beliebigen Abständen zueinander befinden, sodass die Sonotrode in den Bohrungen sowohl als Dickenschwinger als auch als Längsschwinger wirksam ist, wobei die Reinigungs flüssigkeit die Bohrungen voll ausfüllend an einem Ende zugeführt und über das jeweils andere Ende der Bohrungen aus der Sonotrode herausgeleitet wird.

Durch die Verwendung einer speziellen dicken Sonotrode mit einer Vielzahl von Bohrungen am äußeren Sonotrodenrand vertikal zur Anregungsebene, durch die das zu reinigende Erzeugnis geführt wird, wird erreicht, dass mit einem einzigen Ultraschallwandler hoher Leistung, zum Beispiel von vier Kilowatt, eine effiziente Reinigung durch das Einwirken von Dickenschwingungen in den Bohrungen im Schwingungsknoten und von Längsschwingungen in den Bohrungen im Schwingungsmaximum und von Mischformen der Schwingungen in den Bohrungen dazwischen erreicht wird.

Durch die Konzentration des für die Reinigung wirksamen Flüssigkeitsvolumens in den Arbeitsbohrungen der dicken Sonotrode wird die eingebrachte Ultraschalleistung auf dieses kleine Volumen konzentriert, sodass mit geringem Energieaufwand ein intensives Kavitationsfeld entsteht, in dem eine hocheffektive Reinigung des durchlaufenden Erzeugnisses gewährleistet ist. Der Ultraschall wirkt innerhalb der Arbeitsbohrungen von allen Seiten in geringem Abstand intensiv auf die zum Beispiel Drahtoberfläche. Es wird eine 20- bis 100-fache Intensität der Schalleistung (bezogen auf die schallabstrahlende Fläche) gegenüber den bekannten Verfahren erreicht, so dass mit einem vergleichbaren Energieaufwand eine wesentlich größere km- Leistung bei zum Beispiel der Drahtreinigung erzielt wird. Es wird außerdem Reinigungsflüssigkeit eingespart, eine kleinere Anlage benötigt und eine höhere Durchlaufgeschwindigkeit des zu reinigenden Gutes erreicht. Die Umweltbelastung wird minimal. Der Einsatz von umweltbelastenden Reinigungsmitteln wird stark reduziert.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist für die effiziente Reinigung einer Vielfachanordnung von Drähten, Profilen, Rohren mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt, aber auch eines Drahtes, mehrerer Drähte, auch im Verbund einer Litze, anwendbar.

Für jeden Drahtdurchmesserbereich oder für jede Materialart kann die geeignete Ultraschalleistung ausgewählt und einge setzt werden. Die Schwingungsamplitude der Sonotrode kann je nach Anwendungsfall eingestellt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispieles einer dicken Sonotrode näher erläutert.

In der einzigen Fig. 1 ist in schematischer Schnittdarstellung eine Ultraschall-Sonotrode 1 gezeigt, die durch einen Ultraschallwandler 2 zu Ultraschall- Schwingungen US angeregt wird.

Als Sonotrode 1 ist eine "dicke" Sonotrode mit einem recht eckigen Querschnitt von größer λ/4 bis zu λ/2 gewählt, damit eine Wirksamkeit als Längs- und Dickenschwinger erreicht wird.

In im Schwingungsknoten der Ultraschallschwingungen US angeordnete Bohrungen 3 treten bei einer geeigneten Anordnung der Bohrungen Dickenschwingungen, in im Schwingungsmaximum angeordnete Bohrungen 3 treten Längsschwingungen auf. In den dazwischen angeordneten Bohrungen 3 treten entsprechend der Entfernung der Bohrung 3 vom Schwingungsmaximum Überlagerungen von Längsschwingungskomponenten und Dickenschwingungskompo nenten auf. Dadurch wird gewährleistet, dass jede Bohrung 3 eine etwa gleiche Beaufschlagung mit Ultraschall-Leistung erfährt.

Um eventuell in den Bohrungen 3 auftretende ungleichmäßige Ultraschallbeaufschlagungen zu kompensieren, die ja eine ungleichmäßige Reinigung der Komponenten einer Vielfach anordnung von Drähten bewirken würden, können zwei Sonotroden 1 zueinander versetzt hintereinander angeordnet sein.

Die Länge der Sonotrode 1 ist ein beliebiges Vielfaches von λ/2.

Die Sonotrode 1 weist entlang der Längsachse eine Vielzahl von Bohrungen 3 im oberen und unteren Randbereich auf, durch welche das zu reinigende Erzeugnis, z. B. eine Vielfachanordnung von Drähten 4, geführt wird.

Die Bohrungen 3 können unterschiedliche Durchmesser aufweisen, können im unterschiedlichen Abstand von der Außenkante der Sonotrode 1 angeordnet sein, wobei zweckmäßig ein Abstand zwischen der Bohrungsaußenkante und der Außenkante der Sonotrode 1 zwischen etwa 2 mm bis etwa 8 mm gewählt ist, und der Abstand zwischen den Bohrungen 3 kann unterschiedlich gewählt sein.

Für die Funktion der Anordnung reichen die Bohrungen 3 einer Reihe an der Außenkante der Sonotrode 1 aus.

Die zweite Reihe von Bohrungen 3, die in Bezug auf die Mittelachse der Sonotrode 1 jeweils symmetrisch angeordnete Bohrungen enthalten sollte, dient der Erhöhung der Lebensdauer der Sonotrode 1, die infolge der Kavitationen einem Verschleiß unterliegt, sie dient des weiteren zur Einhaltung der Symmetriebedingungen der Schallausbreitung.

Die Sonotrode 1 kann bei Verschleiß der Bohrungen 3 auf der einen Seite umgedreht und durch die Verwendung der Bohrungen 3 auf der anderen Seite weiter verwendet werden.

Wenn an die Sonotrode 1 ein für den jeweiligen Anwendungsfall ausreichend dimensionierter Ultraschallprozessor 2 angeschlossen wird, dann gerät die über die Bohrungen 3 eingeströmte Reinigungsflüssigkeit in Schwingungen, die sich von der Flüssigkeit auf die Oberfläche eines durch die Bohrungen 3 konzentrisch durchgeleiteten Drahtes übertragen. Es ist darauf zu achten, dass die Flüssigkeit die Bohrungen 3 voll ausfüllt.

Durch die Konzentration der eingestrahlten Ultraschalleistung auf das kleine Volumen in den Bohrungen 3 und insbesondere auf das Volumen zwischen der äußeren Wandung der Bohrungen 3 und den konzentrisch in den Bohrungen 3 geführten Drähten wird ein sehr intensives Kavitationsfeld gebildet, in dem eine sehr intensive Reinigung der Drahtoberfläche von allen Verschmutzungen erfolgt. Die gelösten Verunreinigungen werden mit der Reinigungsflüssigkeit zur jeweils anderen Seite der Bohrungen 3 herausgespült. Die Reinigungsflüssigkeit kann nach einer entsprechenden Aufbereitung dem Prozess erneut zugeführt werden.

Die Reinigungsflüssigkeit wird zweckmäßigerweise entgegengesetzt zur Drahtzugsrichtung an einem Bohrungsende eingeleitet und am jeweils anderen Bohrungsende ausgeleitet.

Die Sonotrode 1 schwingt mit einer in Abhängigkeit vom zu reinigenden Erzeugnis eingestellten Amplitude in der Luft. Die Sonotrode 1 ist vorzugsweise rechteckig ausgeführt, es kann jedoch auch eine runde Sonotrode 1 zum Einsatz kommen.

Die Leistungsfähigkeit wird nachfolgend an einer konkreten Ausführung der Anlage nach der Erfindung verdeutlicht.

Wenn beispielsweise eine Frequenz von zwanzig Kilohertz zum Einsatz kommt, dann beträgt λ/2 etwa 125 mm. Die Sonotrode 1 wird mit einem Querschnitt von beispielsweise 100 mm × 100 mm und einer beliebigen Länge eines Vielfachen von λ/2, zum Beispiel von 2000 mm, gewählt. Es werden in der Sonotrode 1 beispielsweise 100 Bohrungen 3 mit einem Durchmesser von jeweils 10 mm pro Reihe angeordnet. Wenn der Ultraschallwandler 2 mit einer Leistung von vier Kilowatt eingesetzt wird, dann wird jede Bohrung 3 mit etwa 40 Watt Ultraschall-Leistung beaufschlagt. Das entspricht einer Leistung von etwa 14 Watt/cm³ Bohrungsvolumen. Das Bohrungsvolumen beträgt etwa 7,85 cm³ und wird bei einem Drahtdurchmesser von 8 mm nochmals um etwa 5 cm³ reduziert, sodass etwa 2,85 cm³ Reinigungsflüssigkeit je Bohrung 3 anzuregen sind.

Nach dem Stand der Technik angewendete Reinigungsbäder erreichen einen Leistungseintrag von 0,015 bis 0,03 Watt/cm³.

Bezugszeichenliste

1

Ultraschall-Sonotrode

2

Ultraschall-Wandler

3

Bohrungen

4

Draht (zu reinigendes Erzeugnis)

Claims

1. Anordnung zum Reinigen von Erzeugnissen mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt wie Drähte, Profile, Rohre in einer Vielfachanordnung mittels einer durch Ultraschall in einer Bohrung (3), die nur unwesentlich größer als der Durchmesser des zu reinigenden Erzeugnisses ist, angeregten Flüssigkeit, wobei die Reinigungsflüssigkeit die Bohrungen (3) voll ausfüllend an einem Ende zugeführt und über das jeweils andere Ende der Bohrungen (3) aus der Sonotrode (1) herausgeleitet wird dadurch gekennzeichnet, dass in einer als Längsschwinger ausgebildeten und in der Luft schwingenden Ultraschall-Sonotrode (1) der Dicke größer λ/4 Bohrungen (3) quer zur Anregungsebene zur Durchführung des zu reinigenden Erzeugnisses (4) angeordnet sind, welche sich am äußeren Rand der Sonotrode (1) und annähernd in Reihe in beliebigen Abständen zueinander befinden, sodass die Sonotrode (1) in den Bohrungen (3) sowohl als Dickenschwinger als auch als Längsschwinger wirksam ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der jeweiligen Bohrungsaußenkante von der Außenkante der Sonotrode (1) mit etwa 2 mm bis 8 mm gewählt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (3) zur Erhöhung der Lebensdauer der Sonotrode (1) und zur Einhaltung von Symmetriebedingungen bei der Schallausbreitung in zwei Reihen in Bezug auf die Mittelachse/Längsachse der Sonotrode (1) weitgehend symmetrisch zueinander angeordnet sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) ein Rechteckprofil aufweist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sonotroden (1) zueinander versetzt hintereinander angeordnet sind, um eventuell auftretende ungleichmäßige Ultraschallbeaufschlagungen in den Bohrungen (3) zu kompensieren.