DE19724189C2 - Rohrförmige elektroakustische Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine rohrförmige elektroaku­ stische Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall­ energie nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In der Ultraschall-Leistungstechnik haben sich bei den niederfrequenten Anwendungen für industrielle Zwecke, wie zum Beispiel in der Ultraschallreinigung und sonochemischen Prozeßtechnik, überwiegend piezo­ elektrische Wandlersysteme durchgesetzt. In der Rei­ nigungstechnik werden sogenannte Ultraschall-Tauch­ schwinger, - Schwingplatten oder direkt mit piezo­ elektrischen Wandlern bestückte Metallwannen für die Flüssigkeitsbeschallung verwendet. Überwiegend sind die Wandler sandwichartig aufgebaut und arbeiten in longitudinalem Schwingungsmodus und sind je nach Lei­ stung zu Gruppen auf der Beschallungsfläche verdrah­ tet und werden mit einem hochfesten Kleber auf eine Edelstahlmembran geklebt. Dieses Verfahren gestattet die Einbringung größerer Ultraschallenergien bis hin zu einigen Kilowatt Ultraschallleistung pro Badvolu­ men nur über ebene Flächen. Für den Aufbau einer ef­ fizienten rohrförmigen Vorrichtung mit konzentrischer Rundstrahlcharakteristik ist es nicht geeignet.

In der Prozeßtechnik und insbesondere bei den Durch­ flußreaktoren gibt es verschiedene Bauformen für eine intensive Beschallung flüssiger oder pastöser Medien. Aus der Labortechnik bekannt sind sogenannte Ultra­ schall-Desintegratoren, die zwar hochintensiv, aber über eine sehr kleine Fläche Ultraschallenergie in kontinuierlich arbeitende Reaktorgefäße abstrahlen. Diese Reaktoren sind meist sehr klein und der Durch­ satz ist entsprechend gering. Es sind auch sogenannte Ultraschall-Rohrresonatoren bekannt, die über eine größere Abstrahlfläche verfügen, je nach Länge und Durchmesser, und für rohrförmige Durchflußreaktoren mit entsprechendem Flüssigkeitsdurchsatz verwendet werden. In der DE 30 27 533 ist ein derartiger Reso­ nator beschrieben. Dabei ist der Resonator als Me­ tallrohr ausgebildet und seine Gesamtlänge ist auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der von einem Schallwandler in den Resonator einge­ speisten Longitudinalschwingung abgestimmt. Das eine Ende des Metallrohrs ist an der Stirnseite mit dem Schallwandler verbunden, während das andere Ende mit­ tels eines Transformationsstückes abgeschlossen ist.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Ausführungsform ist die begrenzte und verglichen mit den in der Reini­ gungstechnik applizierten Systemen sehr kleine piezo­ elektrische Antriebsleistung von meist nur einem oder zwei Wandlern. Dazu kommt, daß die longitudinale Ultraschallamplitude der Wandler-Antriebsfläche in eine transversale Rohrschwingung über eine Querschnittsän­ derung des Rohres umgewandelt wird, wodurch eine niedrige Flächenleistung gegeben ist.

In der EP 0 455 837 ist ein Stabwandler beschrieben, der ähnlich dem geschilderten Rohrresonator aufgebaut ist. Der Unterschied besteht in der longitudinalen Ultraschallanregung eines Vollstabes bei seiner Reso­ nanzfrequenz durch einen oder zwei jeweils stirnsei­ tig montierten piezoelektrischen Wandlern. Auch hier sind die Nachteile in der begrenzten Anregungsenergie und notwendigen transversalen Schwingungstransforma­ tion begründet. Auch die DE 41 38 713 offenbart einen stabförmigen Ultraschallschwinger mit einer begrenz­ ten Anzahl von Antriebswandlern.

Die US-Patentschrift 3 139 603 beschreibt eine Vor­ richtung zur radialen Schwingungsanregung, wie sie etwa in der Sonartechnik eingesetzt wird. Hierin er­ zeugen mechanische, tangential gekoppelte und gleich­ phasig angesteuerte Piezoelemente eine niederfrequen­ te Radialschwingung, die über einen Ölmantel auf ein Außenrohr übertragen wird. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß eine kostenaufwendige genaue Abstimmung der einzelnen Bauteile auf ein bestimmtes Rohr nötig ist, um die Funktion der Vorrichtung sicherzustellen. Außerdem ermöglicht die Anordnung nur sehr geringe Schwingungsleistungen, die für die Sonartechnik zwar ausreichend sein können, für die Ultraschallreinigung bereits aufgrund der ungenügenden mechanischen Kopp­ lung zwischen Schwingelementen und Außenrohr jedoch nicht anwendbar ist.

Das Deutsche Gebrauchsmuster 92 00 559 U1 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall. Es werden hierin auf einem ebenen Kopplungsträger matrixartig angeordnete elektroaku­ stische Wandler gezeigt. Diese Vorrichtung nach dem Stand der Technik offenbart jedoch keine elektroaku­ stische Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschalle­ nergie mit einer Rundstrahlcharakteristik.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Herstellung und der Montage einfache rohrförmige elektroakustische Vorrichtung zu schaffen, mit der eine große Ultraschalleistung erzielt werden kann, wobei die Abstrahlung der Schallenergie in flüssige oder pastöse Medien mit einer Rundstrahlcharakteris­ tik möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß die gattungsgemäßen Kopplungsträger langgestreckt sind (es entsteht quasi ein Wandler­ streifen, dessen Länge durch die gewünschte Anzahl an Schwingungssystemen bzw. Wandlern gegeben ist), wird der Grundstein zu einer einfach aufgebauten Vorrich­ tung mit Rundstrahlcharakteristik gelegt. Durch An­ ordnen mehrerer solcher Kopplungsträger mit elektroa­ kustischen Wandlern konzentrisch und in Längsrichtung in einem Rohr, wobei die Kopplungsträger mit der In­ nenwandung des Rohres verbunden sind, entsteht eine rohrförmige Vorrichtung mit sehr hoher Flächenlei­ stung. Die Ultraschallenergie jedes Einzelwandlers kann direkt über die rohrförmige "Membran" abgegeben werden. Aufgrund der Verteilung der Kopplungsträger über den Innenumfang des Rohres wird eine vorteilhaf­ te Rundstrahlcharakteristik in das umgebende flüssige oder pastöse Medium erzielt.

Der erfindungsgemäße Aufbau gestattet eine wesentli­ che Verbesserung und Vereinfachung der Herstellungs­ technologie und Verfügbarkeit hoher Ultraschalleis­ tungen für industriell nutzbare rohrförmige Ultra­ schallreaktoren im niederfrequenten Leistungsbereich von ca. 20 kHz bis 100 kHz.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Dadurch, daß der Abstand der Wandler auf dem Kopp­ lungsträger entsprechend der gewünschten longitudina­ len Arbeitsfrequenz, die für alle Wandler gleich ist, bestimmt wird, wird vermieden, daß schädliche Biege­ schwingungen des streifenförmigen und mit Wandlern versehenen Kopplungsträgers entlang seiner Längsachse entstehen, wodurch ein guter Wirkungsgrad erzielt wird.

Vorteilhafterweise ist der die Wandler verbindende Kopplungsträger in der zur Schwingungsrichtung orthogonal stehenden Abstrahlebene in der Form bzw. Kontur der Rohrinnenfläche der Vorrichtung ausgebildet, wo­ durch eine gute Ankopplung an die Rohrwand und somit eine gute Schwingungsübertragung erreicht wird.

Zur guten Abstrahlung ist auch die frequenzabhängige Breite des Kopplungsträgers entsprechend der longi­ tudinalen Arbeitsfrequenz der Wandler gewählt und auch hier werden Biegewellen verhindert.

Die jeweils sich ergebende runde oder auch eckige Querschnittsfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedingt grundsätzlich eine vorteilhafte Rundstrahl­ charakteristik in das umgebende flüssige oder pastöse Medium.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorder- und Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des bei der er­ findungsgemäßen Vorrichtung verwende­ ten Kopplungsträgers mit Wandlern als Wandlerstreifen,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung mit einem ec­ kigen Rohr, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit ei­ nem runden Rohr.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist eine Mehr­ zahl von piezoelektrischen Ultraschallwandlern 1 auf, die mit einem langgestreckten Kopplungsträger 2 ver­ bunden sind und so einen Wandlerstreifen 3 bilden. Jeder Wandler 1 weist die typischen Bestandteile ei­ nes im longitudinalen Schwingungsmodus arbeitenden Wandlers auf, bei dem zwei übereinanderliegende pie­ zokeramische Lochscheiben 4 einerseits mit einem Druckstück 5, vorzugsweise aus Stahl, und anderer­ seits mit dem Kopplungsträger 2, vorzugsweise aus Aluminium verbunden sind. Die Teile werden in Über­ einanderlage durch eine zentrale Schraube 6 fest mit­ einander verspannt. Der Kopplungsträger 2 ist in sei­ nem Querschnitt trapezförmig ausgebildet und weist eine Länge 1 auf, die durch die Arbeitsfrequenz und die Anzahl der Wandler 1 bestimmt ist. Der Abstand zwischen den Wandlern 1 ist entsprechend ihrer Ar­ beitsfrequenz derart gewählt, daß sich keine Biege­ wellen im Kopplungsträger 2 ergeben. Zwischen den zwei piezokeramischen Lochscheiben 4 ist ein strei­ fenförmiges Band 7 aus elektrisch leitendem Material angeordnet und über die zentrale Schraube 6 mit den anderen Bauteilen verspannt und dient als elektri­ scher Verbindungsleiter zwischen den piezokeramischen Lochscheiben 4 der einzelnen Wandler. Das elektrisch leitende Band 7 ist mit einer Hochfrequenzquelle 8 verbunden, wobei der Masseanschluß an den Stirnenden des Kopplungsträgers 2 vorgesehen ist. Die Breite ist ebenfalls frequenzabhängig und für eine größtmögliche Abstrahlfläche so gewählt, daß keine Biegewellen auf­ treten.

In Fig. 2 ist schematisch die Vorrichtung zur Erzeu­ gung von Ultraschall dargestellt, wobei mehrere Wand­ lerstreifen 3 in einem Rohr 10 befestigt sind. Das Rohr 10 weist einen fünfeckigen Querschnitt auf, wo­ bei im Ausführungsbeispiel fünf Wandlerstreifen 3 in Längsrichtung des Rohres mit dessen Innenwänden bei­ spielsweise durch Klebung verbunden sind. Dabei liegt die Abstrahlfläche 9 des jeweiligen Kopplungsträgers 2 fest an der Wand an, so daß die Rohrwand eine Mem­ bran für die Wandlerstreifen 3 bildet. Im Ausfüh­ rungsbeispiel können die Abstrahlflächen 9 während des Herstellungsprozesses der Vorrichtung zuerst mit den die Membranen bildenden Wänden, die beispielswei­ se aus Edelstahlblech bestehen, verklebt werden, wo­ bei daraufhin die einzelnen Wände zu dem Rohr 10 zu­ sammengeschweißt werden können. Bei dieser Art der Herstellung kann die Vorrichtung durch gegeneinander versetzte Wandlerstreifen 3 kompakter gebaut werden oder auch für beliebig größere Durchmesser ausgebil­ det werden. Bei einem von vornherein geschlossenen Rohr muß der Rohrdurchmesser so gewählt werden, daß die Wandlerstreifen 3, ohne sich gegeneinander zu stören, nebeneinanderliegen können.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darge­ stellt, wobei hier ein rundes Rohr 11 gewählt wurde, und es sind drei Wandlerstreifen 3 über den Innenum­ fang des Rohrs 11 verteilt, wobei die Außenkonturen der Abstrahlflächen 9 der Kopplungsträger 2 exakt an den Innendurchmesser des Rohres 11 aus Edelstahl an­ gepaßt sind. Die Anzahl der nahe beieinanderliegenden Querschnitts-Segmentflächen der Wandlerstreifen 3 steht im festen Verhältnis zum Rohrdurchmesser und sorgt für eine optimale Rundstrahlcharakteristik die­ ser Ausführungsform.

Die Wandlerstreifen 3 werden hier mit einer Hilfsvor­ richtung versetzt vormontiert, mit Kleber versehen in das Rohr 11 geschoben und anschließend mit der Hilfs­ vorrichtung auseinander gedrückt.

Die rohrförmige Vorrichtung entsprechend Fig. 2 und Fig. 3 wird an den jeweiligen Enden des Rohres 10, 11 mit nicht dargestellten Deckeln und/oder Flanschan­ schlüssen verschlossen. Durch diese wird der elektri­ sche Anschluß für die Wandler 1 zum Verbinden mit dem Hochfrequenzgenerator bzw. Ultraschallgenerator 8 als Energiequelle geführt. Nur die Länge 1 der Wandler­ streifen 3 bzw. die Anzahl der Wandler 1 begrenzen die mögliche Gesamtleistung der Vorrichtung.

Claims (9)

1. Elektroakustische Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallenergie zum Einstrahlen in flüssige oder pastöse Medien mit quer zu ihrer Schwin­ gungsrichtung auf mindestens einem Kopplungsträ­ ger (2) angeordneten elektroakustischen Wandlern (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsträger (2) langgestreckt sind und daß mehrere Kopplungsträger (2) mit elektro­ akustischen Wandlern (1) konzentrisch und in Längsrichtung eines Rohres (10, 11) mit dessen Innenwandung verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand zwischen den elektro­ akustischen Wandlern (1) auf dem Kopplungsträger (2) derart gewählt ist, daß bei der gewünschten longitudinalen Arbeitsfrequenz keine Biegewellen auftreten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Breite des Kopplungsträ­ gers (2) entsprechend der Arbeitsfrequenz ge­ wählt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsträger (2) an ihrer Verbindungsfläche mit dem Rohr (10, 11) bzw. an ihrer Abstrahlfläche (9) an die Kon­ tur der Innenwandung des Rohres (10, 11) ange­ paßt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsträger (2) mit Wandlern (1) gleichmäßig über den Innen­ umfang des Rohres (10, 11) verteilt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (10, 11) an seinen Enden mit Deckeln und/oder Flanschan­ schlüssen verschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rohres (10, 11) kreisförmig oder mehreckig ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsträger (2) mit dem Rohr (10, 11) verklebt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der jewei­ ligen Kopplungsträger (2) und die Anzahl der Wandler (1) entsprechend der gewünschten Ultra­ schalleistung gewählt sind.