Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie

Abstract

 In einer Vorrichtung (1) und einem Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten mit oder ohne Feststoffanteilen insbesondere zur Beschallung von Reinigungsbädern, wird mittels eines rohrförmigen Körpers (3), der auf ein ganzzahliges Vielfaches der akustischen Länge (λ/2) der Betriebsfrequenz zur Erzeugung von Querkontraktionen an deren Dehnungsknoten abgestimmt ist Schwingenergie in die Flüssigkeit eingeleitet. Aussen- und Innendurchmesser des Körpers (3) werden so gewählt, dass die Oberfläche (5) des Körpers maximiert ist und dass die longitudinale Resonanzfrequenz trotzdem unterhalb der radialen Resonanzfrequenz liegt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie mit den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Patentansprüche.

[0002] Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind aus EP 44 800 A2 oder aus EP 455 837 bekannt. Solche erfindungsgemässe Vorrichtungen weisen einen mit wenigstens einem Ultraschallwandler verbundenen Resonator auf, der in seiner Längsachse auf ein ganzzahliges Vielfaches der akustischen Länge λ/2 der Betriebsfrequenz abgestimmt ist und der die Querkontraktion der Dehnungswellen auf die Flüssigkeit überträgt. Dabei wird vorteilhaft ein Rohrkörper von einigen Millimetern Wandstärke verwendet. Durch die Wahl von Innen- und Aussendurchmessern ist es möglich, die Radialkomponenten der Schwingungen zu optimieren, indem die natürliche Radialresonanzfrequenz mit der Longitudinalresonanzfrequenz zusammenfällt.

[0003] In WO 98/47632 wird ein Gerät zur Einkoppelung von Ultraschall in eine Flüssigkeit beschrieben, dessen rohrförmiger Resonator so ausgelegt ist, dass sowohl für longitudinale als auch für transversale Schwingungen des Mantels die Resonanzbedingung erfüllt ist. Die Resonatorlänge und der Aussendurchmesser sowie die Dicke der Rohrwand werden dabei aufeinander abgestimmt. Der Hohlraumresonator soll auf seiner gesamten Länge oder auf mindestens einem überwiegenden Teil seiner Länge die Form eines innen- und aussenzylindrischen Rohres haben. Das vom Konverter entfernten Ende soll vorzugsweise mit einem als Halbkugelschale ausgebildeten Abschluss versehen sein.

[0004] Bei dieser Geometrie treten im Bereich der Radialresonanz eine Vielzahl von Nebenresonanzen auf. Es ist deshalb schwierig, den Generator auf der Radialfrequenz zu betreiben. Ausserdem ist es in Realität schwierig, einen Resonator zu bauen, der die in dieser Schrift angegebenen Bedingungen erfüllt. Aus der US 4 016 436 ist ein Resonator bekannt, der radial angeregt wird.

[0005] Mit bekannten Vorrichtungen können bereits zufriedenstellende Resultate erzielt werden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Vorrichtungen und Verfahren weiter zu verbessern, insbesondere deren Wirksamkeit und Standzeit zu erhöhen. Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

[0006] Werden Ultraschallschwingungen mit ausreichend grosser Amplitude auf eine Flüssigkeit übertragen, so wird die Flüssigkeit auseinander gerissen und es entstehen Hohlräume (Dampfblasen). Steigt nun der Druck im Laufe der Schwingung wieder an, so brechen diese Hohlräume zusammen. Diesen Effekt nennt man Kavitation.

[0007] Beim Kollaps werden im Inneren der Blasen Temperaturen bis zu einigen Tausend Grad Celsius und Drücke von bis zu 10'000 bar freigesetzt. Kollabiert eine Blase in einer homogenen Umgebung so verhält sich die Blase punktsymmetrisch. Kollabiert die Blase in der Nähe einer Unstetigkeit, z.B. einer Wand, so verursacht sie eine auf die Wand gerichtete Strömung mit sehr hoher Geschwindigkeit. Diese Strömungen führen gerade an Rohrschwingern zur Materialabtragung bzw. Kavitationsschäden, was langfristig zur Zerstörung des Resonators führt. Ein weiterer Effekt einer zu starken Kavitation ist, dass in der Nähe der Resonatoroberfläche (Nahfeld) ein sogenannter Kavitationsschirm entsteht. Dieser Schirm hemmt die Ausbreitung des Schallfeldes in der Flüssigkeit, d.h. die Wirkung des Schalles ist über grössere Distanzen (Fernfeld) nicht mehr gewährleistet.

[0008] An die Erzeugung eines homogenen Schallfeldes in einer Flüssigkeit sind deshalb gewisse Rahmenbedingungen geknüpft. Die Oberfläche des Resonators sollte möglichst gross sein und es dürfen an der zu übertragenden Oberfläche keine zu hohen Amplituden vorherrschen. Eine grosse Oberfläche bedeutet Rohrresonatoren mit einem grossen Aussendurchmesser. Die Erfindung beruht nun darauf, die Dimensionierung des Resonators so zu optimieren, dass bei möglichst geringer Kavitation an der Rohroberfläche entsteht und eine möglichst grosse Energie in die Flüssigkeit übertragen werden kann. Gleichzeitig soll auch ein genau definierbarer Betriebszustand des Resonators gewährleistet werden. Der Aussendurchmesser des Resonators kann deshalb nicht beliebig gross gewählt werden, da besonders bei langen Rohren mit mehreren λ/2-Stücken verschiedene Quer- und Biegeschwingungen auftreten, vor allem dann, wenn die angeregte Longitudinalfrequenz in der Nähe der Radialfrequenz liegt.

[0009] Sind mehre Retsonanzfrequenzen vorhanden, besteht die Möglichkeit, dass der Generator den Resonator nicht auf der gewünschten Longitudinalfrequenz anregt. Vor allem unter der nicht linearen akustischen Last ist so kein eindeutiger Betrieb mehr möglich. Dies kann am Generator zu Spannungs- und Stromüberhöhung führen, was zu hohen Blindleistungen führt und dem Konverter schadet oder langfristig zum Ausfall führt.

[0010] Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Schallwandler und einem daran angeschlossenen, etwa rohrförmig ausgebildeten Resonator, dessen Wand mit der Flüssigkeit in Berührung bringbar ist. Das Ende des Resonators ist am Ort eines longitudinalen Schwingungsmaximums an eine Stirnfläche des Schallwandlers angeschlossen. Die Gesamtlänge des Resonators wird dabei auf ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge der vom Schallwandler in den Resonator eingespeisten Longitudinalschwingung abgestimmt. Der Resonator wird derart dimensioniert, dass der Wert der longitudinalen Resonanzfrequenz wenigstens 0,6 mal den Wert der radialen Resonanzfrequenz beträgt. Aufgrund dieser Bedingung wird die mit der Flüssigkeit in Kontakt bringbare Oberfläche des Resonators maximiert. Gleichzeitig wird der Wert der longitudinalen Resonanzfrequenz jedoch kleiner als der Wert der radialen Resonanzfrequenz gewählt. Die Beziehung zwischen radialer und longitudinaler Resonanzfrequenz erfüllt folgende Formel:

[0011] Damit wird sichergestellt, dass ein eindeutiger Betriebsmodus vorliegt. Die Werte der radialen bzw. longitudinalen Resonanzfrequenzen können insbesondere durch gezielte Wahl des Aussendurchmessers und des Innendurchmessers bzw. der Länge des Resonators eingestellt werden.

[0012] Näherungsweise entspricht die radiale Resonanzfrequenz für einen rohrförmigen Körper etwa dem Quotient aus Schallgeschwindigkeit im Körper und mittlerem Umfang des Resonators. Unter mittlerem Umfang wird in diesem Zusammenhang näherungsweise das arithmetische Mittel von Innen- und Aussenumfang verstanden. Die Schallgeschwindigkeit in rohrförmigen Resonatoren kann aufgrund der Materialverformmung beim Herstellvorgang (gewalzte Rohre) unterschiedlich zur Schallgeschwindigkeit im Rohmaterial sein. Zum Berechnen der radialen Resonanzfrequenz muss dies berücksichtigt werden. Die radiale Resonanzfrequenz wird ausserdem durch die Geometrie des Resonators (z.B. Endabschluss) beeinflusst. In der Realität können sich deshalb Abweichungen von der Formel ergeben.

[0013] Der Resonator kann vorteilhaft genau rohrförmig ausgebildet sein. Es ist aber auch denkbar, einen Resonator in der Form eines polygonalen Hohlprofils zu verwenden.

[0014] Der rohrförmige Körper des Resonators kann im Inneren mit Flüssigkeit gefüllt oder von Flüssigkeit durchfliessbar ausgebildet sein.

[0015] In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Resonator ausserdem Flächen auf, die senkrecht zu der longitudinalen Schwingungsrichtung stehen. Der Vorteil von solchen senkrechten Flächen besteht darin, dass der Resonator ausser den Querschwingungen auch Longitudinalschwingungen in die Flüssigkeit eintragen kann.

[0016] Es ist ausserdem denkbar, das Ende des rohrförmigen Resonators mit einem akustischen Transformator oder mit einem zusätzlichen Schallwandler zu schliessen. Ausserdem ist es auch möglich, innerhalb des Resonators einen oder mehrere zusätzliche Schallwandler vorzusehen, welche den Resonator longitudinal antreiben und der Leistungserhöhung dienen.

[0017] Besonders zufriedenstellende Resultate werden erzielt, wenn der Resonator so dimensioniert wird, dass der Wert der longitudinalen Resonanzfrequenz mehr als 0,7, insbesondere mehr als 0,8 mal den Wert der radialen Resonanzfrequenz beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass mit einer solchen Dimensionierung die Rohroberfläche pro λ/₂-Abschnitt und damit die in die Flüssigkeit einstrahlbare Energie maximiert wird, während der Betriebszustand des Resonator nach wie vor genau definiert bleibt.

[0018] Unter longitudinaler Resonanzfrequenz wird im Rahmen dieser Anmeldung die longitudinale Grundresonanz verstanden. Im Fall von Resonatoren, deren Länge ein Vielfaches der halben Anregungswellenlänge beträgt, ist dies die Anregungswellenlänge.

[0019] Selbstverständlich ist es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar und vorteilhaft, den Resonator ein- oder beidseitig anzuregen und/oder zusätzliche Elemente wie Amplitudentransformation bewirkende Zwischenstücke einzusetzen.

[0020] Beim erfindungsgemässen Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschall in Flüssigkeiten wird ein Schallwandler und ein daran angeschlossener, hohl ausgebildeter Resonator eingesetzt. Die Wand des Resonators wird mit der Flüssigkeit in Berührung gebracht. Ein optimaler Betrieb wird dadurch erzielt, dass der Resonator longitudinal mit einer Frequenz angeregt wird, die unterhalb der radialen Resonanzfrequenz des Resonators liegt, jedoch grösser als 0,6 mal die Radialfrequenz des Resonators ist.

[0021] In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Anregungfrequenz so gewählt bzw. der Resonator so ausgebildet, dass die longitudinale Resonanzfrequenz grösser als 0,7 mal die radiale Resonanzfrequenz, besonders bevorzugt grösser als 0,8 mal die radiale Resonanzfrequenz ist.

[0022] Die Erfindung wird im Folgenden in Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

schematische Darstellung einer einseitig angeregten, erfindungsgemässen Vorrichtung,

Figur 2

Längsschnitt durch einen Ausschnitt des Resonators in vergrösserter Darstellung,

Figur 3

schematische Darstellung einer beidseitig angeregten, erfindungsgemässen Vorrichtung,

Figur 4a, 4b

schematische Darstellungen eines Resonators mit senkrecht zur longitudinalen Schwingungsrichtung stehenden Flächen und

Figur 5

schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Resonators mit mehreren Ultraschallwandlern.

[0023] In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 gezeigt. Die Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Schallwandler 2 und aus einem Resonator 3, der mit dem Schallwandler 2 verbunden ist.

[0024] Der Schallwandler 2 und der Resonator 3 sind in bekannter Weise aufgebaut. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise in der EP 44 800 gezeigt. Der Inhalt dieser Publikation wird ausdrücklich in den Inhalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.

[0025] Der Resonator 3 ist auf der einen Seite mit einem akustischen Transformator 8 verschlossen, welcher am Ende die Longitudinal-Amplitude verkleinert. Auf der anderen Seite ist der Resonator mit einem Transformationsstück 9 mit dem Schallwandler 2 verbunden.

[0026] Der Schallwandler 2 ist typischer Weise als piezo elektrischer Konverter ausgebildet. Es können aber auch andere Wandler, z.B: magnetorestriktive eingesetzt werden. Die Länge des Transformationsstücks 9 bzw. des Transformators 8 beträgt λ/2, wobei λ die Wellenlänge bezeichnet, mit welcher der Resonator 3 durch den Schallwandler 2 longitudinal angeregt wird.

[0027] Die Länge L des Resonators 3 ist ausserdem so gewählt, dass sie ebenfalls λ/2 bzw. ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2 beträgt. Typischerweise kann der Resonator verhältnismässig lang ausgebildet sein, beispielsweise wie in EP 44 800 gezeigt eine Länge von 2,5 mal λ oder auch mehr (bis zu 20 λ/₂) aufweisen.

[0028] Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik durch die gezielte Optimierung der Leistungsfähigkeit durch Vergrösserung bzw. Maximierung der mit der Flüssigkeit in Kontakt bringbaren Oberfläche 5. Dabei wird der mittlere Durchmesser des Resonators 3 trotzdem derart gewählt, dass ein kontrollierbarer Betriebszustand erreicht wird.

[0029] In Figur 2 ist ein vergrösserter Ausschnitt des Resonators 3 im Schnitt gezeigt. Der Resonator 3 ist rohrförmig ausgebildet und weist eine zylindrische Wand 4 mit einer Dicke a auf

[0030] Ausgehend von einer vorbestimmten Anregungsfrequenz wird die Länge L des Resonators 3 dimensioniert. Ebenso wird ausgehend von der Anregungs-Frequenz der Durchmesser des Resonators 3 so dimensioniert, dass die Oberfläche 5 so gross wie möglich wird, dass die radiale Resonanzfrequenz fr aber grösser ist als die Anregungfrequenz bzw. die longitudinale Resonanzfrequenz f_r.

[0031] Die radiale Resonanzfrequenz f_r beträgt näherungsweise

[0032] In Realität ergeben sich Abweichungen (Schallgeschwindigkeit hängt vom Walzvorgang ab, Endstücke beeinflussen die Geometrie).

[0033] Der mittlere Umfang ergibt sich rechnerisch aus dem mittleren Durchmesser d_m. Der mittlere Durchmesser entspricht näherungsweise dem arithmetischen Mittel des äusseren Durchmessers d_A und des inneren Durchmessers d_I.

[0034] Der innere Durchmesser d_I bzw. der äussere Durchmesser d_A werden also in Abhängigkeit der longitudinalen Anregungsfrequenz f_l so gewählt, dass f_l mehr als 0,6 mal die radiale Resonanzfrequenz f_r, jedoch weniger als die radiale Resonanzfrequenz f_r beträgt.

[0035] In einem typischen Ausführungsbeispiel ist der Resonator aus rostfreiem Stahl ausgebildet.

[0036] Der Resonator 3 wird durch den Konverter 2 mit einer Frequenz von 25 kHz angeregt. Der Innendurchmesser d_I beträgt 45 mm und der Aussendurchmesser beträgt 55 mm. Bei diesem Resonator wurde eine Radialresonanzfrequenz f_r von 33,2 kHz gemessen.

[0037] Die longitudinale Anregungs- bzw. Resonanzfrequenz f_l beträgt also 0,753 f_r. Die Länge L des Resonators beträgt 180 mm, dies entspricht zwei mal 2 λ/₂.

[0038] In Figur 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, gemäss welchem der Resonator 3 beidseitig mit einem Schallwandler 2 angeregt wird. Die beiden Schallwandler 2 arbeiten im Gleichtakt oder Gegentakt synchron miteinander.

[0039] In Figur 4a ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Resonators 3 gezeigt. Der Resonator 3 ist auf seiner Aussenfläche mit senkrecht zur longitudinalen Schwingungsrichtung verlaufenden Flächen 7 versehen. Die Flächen 7 dienen zum Einleiten von Longitudinalschwingungen in die Flüssigkeit.

[0040] Figur 4b zeigt ein Ausführungsbeispiel in dem die Flächen 7 als Vertiefung in der Aussenfläche des Resonators 3 gebildet werden.

[0041] In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 gezeigt, bei welcher zur Leistungserhöhung eine Vielzahl von Schallwandlern 2 vorgesehen sind, wobei innere Schallwandler 2 innerhalb des Resonators 3 angeordnet sind.

[0042] Die Erfindung ist nicht auf die konkrete Ausgestaltung des Resonators, insbesondere nicht auf dessen Form oder auf Anzahl oder Verteilung von Schallwandlern beschränkt. Wesentlich ist, dass die Oberfläche 5, welche Ultraschallenergie in die umgebende Flüssigkeit abgibt maximiert wird, während gleichzeitig die Dimension des Resonators so gewählt wird, dass die longitudinale Anregungsfrequenz f_l unterhalb der radialen Resonanzfrequenz f_r bleibt.

Ansprüche

1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Beschallung von Reinigungsbädern,

mit wenigstens einem Schallwandler (2) und einem daran angeschlossenen, etwa rohrförmig ausgebildeten Resonator, dessen Oberfläche (5) mit der Flüssigkeit in Berührung bringbar ist,

wobei wenigstens ein Ende des Resonators (3) am Ort eines longitudinalen Schwingungsmaximums an eine Stirnfläche des Schallwandlers (2) angeschlossen ist und wobei die Gesamtlänge (L) des Resonators (3) auf ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge (λ/2) der vom Schallwandler (2) in den Resonator (3) eingespeisten Longitudinalschwingung abgestimmt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (3) derart dimensioniert ist, dass insbesondere der Aussendurchmesser (d_A) und der Innendurchmesser (d_I) so gewählt sind, dass der Wert der longitudinalen Resonanzfrequenz (f_l) wenigstens 0,6 mal den Wert (λ_r) der radialen Resonanzfrequenz beträgt und dass die longitudinale Resonanzfrequenz (f_l) kleiner ist als die radiale Resonanzfrequenz (f_r).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aus einem zylindrischen Profil besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein polygonales Hohlprofil aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper im Innern mit Flüssigkeit gefüllt oder von Flüssigkeit durchfliessbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator Flächen (7) aufweist, die etwa senkrecht zur longitudinalen Schwingungsrichtung stehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Schallwandler (2) abgewandte Ende des Resonators (3) mit einem akustischen Transformator (8) oder einem weiteren Schallwandler (2) abgeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Resonators (3) wenigstens ein weiterer Schallwandler (2) angeordnet ist, um den Resonator (3) longitudinal anzutreiben.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (3) derart dimensioniert ist, dass die longitudinale Resonanzfrequenz mehr als 0,7, insbesondere mehr als 0,8 mal den Wert der radialen Resonanzfrequenz (f_r) beträgt.

9. Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten, mittels eines Schallwandlers und eines daran angeschlossenen, hohl ausgebildeten Resonators, dessen Wand mit der Flüssigkeit in Berührung gebracht wird, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator longitudinal mit einer Frequenz (f_l) angeregt wird, die unterhalb der radialen Resonanzfrequenz (f_r) des Resonators liegt, jedoch grösser als 0,6 mal die radiale Resonanzfrequenz (f_r) des Resonators (3) ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (3) mit einer longitudinalen Frequenz (f_l) angeregt wird, die mehr als 0,7, insbesondere mehr als 0,8 mal den Wert der radialen Resonanzfrequenz (f_r) beträgt.

Zeichnung