DE19854013C2 - Ultraschall-Sonotrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sonotrode zur Übertragung hoher Leistungen mit gleichzeitig hohen Amplituden.

Um Ultraschall zu erzeugen und in ein Medium mit einer gewünschten Leistung einzubringen, werden prinzipiell ein Ultraschall-Wandler (λ/2-Schwinger), der die eingebrachte elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandelt, und eine Sonotrode verwendet.

Die Sonotrode ist als ein Werkzeug anzusehen, über das die Ultraschall-Leistung an den Wirkungsort geleitet wird. Dabei können bedingt durch physikalische Abhängigkeiten zwischen der Ultraschall abstrahlenden Fläche der Sonotrode und der Amplitude des eingestrahlten Ultraschalls nur begrenzte Leistungen mit hoher Amplitude in das Medium eingebracht werden, die für einige industrielle Anwendungen nicht ausreichen. Die für die Übertragung einer vorgegebenen hohen Leistung mit einer vorgegebenen hohen Amplitude benötigte Abstrahlfläche kann mit vertretbarem Aufwand nicht bereitgestellt werden.

Bei der industriellen Anwendung von Ultraschall zum Emulgieren, Suspendieren, Homogenisieren von Substanzen aller Art in Flüssigkeiten, beim Desagglomerieren werden zunehmend höhere Leistungen bei gleichzeitig hohen Amplituden als nach dem Stand der Technik mit zumutbarem Aufwand möglich sind benötigt.

Nach dem allgemeinen Stand der Technik wird die Ultraschall-Leistung über die Stirnfläche einer Sonotrode in die Flüssigkeit eingestrahlt oder über die Strahlungsbäuche bei Stabsonotroden. Im letzteren Fall sind nur kleine Amplituden realisierbar, die für viele Anwendungen unzureichend wirksam sind.

Aus der DE 26 07 038 A1 ist ein Ultraschall- Geschwindigkeitstransformator bekannt, mit dem eine Vergrößerung der Amplitude eines Ultraschallgebers dadurch erreicht werden soll, dass an Knoten- und Bauchstellen der stehenden Welle dünne Platten befestigt werden, in denen Biegeschwingungen erregt werden, die in Flüssigkeit abgestrahlt werden.

Die Erzeugung von Biegeschwingungen hat den Nachteil, dass bei bereits geringer Kavitation sich durch Kavitationsverschleiß die Frequenz des Biegeschwingers verändert, sodass ständig eine neue Abstimmung der Frequenz erforderlich wird, um ein Schwingen in Resonanz zu erreichen.

Zur Vermeidung dieser Verstimmung muss die Eigen­ schwingung der Platten vermieden werden.

Aus der US 3 131 515 ist es bekannt, die Verstärkung der Amplitude durch das Aneinanderkoppeln von zwei Halbwellensonotroden zu erreichen.

Bei der Abstrahlung der Ultraschall-Leistung über die Stirnfläche einer Sonotrode können nicht beliebig hohe Amplituden und gleichzeitig hohe Leistungen in ein Medium abgestrahlt werden. Bei einer bestimmten Amplitude ist nur eine definierte höchste Leistung übertragbar, wenn der Durchmesser der Stirnfläche vorgegeben ist. Der Durchmesser einer Sonotrode sollte erfahrungsgemäß für einen λ/2-Schwinger maximal in der Größe von λ/4 gewählt sein, das entspricht z. B. einem Durchmesser von 50 mm bis 70 mm bei einer Frequenz von ca. 20 kHz. Diese physikalisch bedingte natürliche Grenze bewirkt, dass entweder mit kleinen Amplituden unter 20 µm eine größere Stirnfläche der Sonotrode oder mit einer höheren Amplitude eine kleinere Stirnfläche gewählt werden kann.

Mit den bekannten Sonotroden ist also bei einer vorgegebenen Amplitude der maximal mögliche Leistungs­ eintrag durch den begrenzten Sonotrodendurchmesser festgelegt. Die Forderung nach hohen Amplituden von 20 µm bis 200 µm bei gleichzeitig hohem Leistungseintrag ist mit den bekannten Sonotroden nicht erfüllbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Sonotrode zu entwickeln, mit der die Mängel der bekannten Sonotroden vermieden werden und mit der gewährleistet ist, dass hohe Leistungen mit gleichzeitig hohen Amplituden abgestrahlt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Ultraschall-Sonotrode nach der Erfindung zur Übertragung hoher Leistungen bei gleichzeitig hohen Amplituden, wobei die Sonotrode aus λ/2-Segmenten gebildet ist, die jeweils im Bereich des Schwingungsmaximums einen tellerförmigen Ring aufweisen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmentflächen der tellerförmigen Ringe geome­ trisch so ausgebildet sind, dass die Eigenfrequenz möglicher Biegeschwingungen sehr viel größer ist als die Eigenfrequenz der Sonotrode, sodass die Ringsegmentflächen eine Ultraschall-Leistung in Längsrichtung der Sonotrode übertragen.

Die nach der Erfindung aus λ/2-Segmenten gebildete Sonotrode weist jeweils im Bereich des Schwingungsmaximum einen tellerförmigen Ring auf, über dessen Ringsegmentfläche beidseitig Ultraschall- Leistung abgestrahlt wird. Durch beliebiges Aneinanderreihen von λ/2-Segmenten können hohe Amplituden und hohe Leistungen realisiert werden, die leicht an den gewünschten Anwendungsfall angepasst werden können. Es können Sonotroden mit Durchmessern bis etwa 70 mm modulförmig bis zur gewünschten Leistung aneinandergereiht mit hohen Amplituden realisiert werden. Die Sonotroden können industriell im kW- Leistungsbereich eingesetzt werden.

Es werden mit der Sonotrode nach der Erfindung Anwendungsbereiche erschlossen, die bisher einer Beschallung mit Ultraschall wegen unzureichendem Leistungseintrag nicht oder nur mit unbefriedigend hohem Aufwand und wenig zufriedenstellendem Ergebnis zugänglich waren. Mit der variabel gestaltbaren Sonotrode nach der Erfindung können in Verbindung mit einem exakt definierten, kontrollierbaren Leistungseintrag Anwendungen mit höherer Effektivität als bisher erschlossen werden, die den Eintrag von Ultraschall in Flüssigkeiten vorsehen wie das Emulgieren, Suspendieren, Homogenisieren, Beschleunigen von Lösungsvorgängen, Aufschließen von Zellen, Filtrieren und dgl.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel einer Sonotrode näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Seitenansicht einer Sonotrode mit vier λ/2- Segmenten,

Fig. 2 die schematische Seitenansicht eines der λ/2-Segmente und

Fig. 3 die schematische Seitenansicht einer Sonotrode mit Verbindungsstellen zwischen den Segmenten.

Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 besteht eine Sonotrode 1 beispielsweise aus vier λ/2-Segmenten 2, die jeweils einen tellerförmigen Ring 3 im Bereich des Schwingungsmaximums 7 aufweisen.

Die Sonotrode 1 mit den vier λ/2-Segmenten 2 ist monolithisch ausgeführt.

Die Fig. 3 zeigt die Sonotrode 1 in einer modularen Bauweise. Je nach Anwendungsfall werden n λ/2-Segmente 2 nach Fig. 2 über eine Verbindung 4, zum Beispiel eine Schraubverbindung, im Bereich des Schwingungsmaximums 7 aneinandergefügt.

Wenn die Sonotrode 1 mit einem nicht dargestellten HF- Generator mit Stufenhörnern (Schallwandler) zu Längsschwingungen 8 angeregt wird, dann können diese Längsschwingungen 8 über Ringsegmentflächen 5 der tellerförmigen Ringe 3 beidseitig in zum Beispiel eine Flüssigkeit abgestrahlt werden.

Es kann durch die Summation der Ringsegmentflächen 5 der tellerförmigen Ringe 3 und der Stirnfläche 6 des letzten λ/2-Segmentes 2 eine hohe Leistung bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte in die Flüssigkeit mit einem vertretbaren Aufwand für die Übertragung der Ultraschall-Leistung eingetragen werden.

Wenn für eine gewünschte Anwendung eine bestimmte Leistung bei einer bestimmten Amplitude eingestrahlt werden soll, dann wird die hierfür notwendige Abstrahl- Fläche bestimmt und danach die Anzahl n der benötigten λ/2-Segmente 2 für die Sonotrode 1 festgelegt.

Über Ultraschallprozessoren mit Leistungen im kW- Bereich und Sonotroden nach der Erfindung können große Leistungen mit hoher Schallintensität in Flüssigkeiten eingetragen und eine effiziente und kontrollierte Bearbeitung von Flüssigkeiten und eine gleichbleibende Qualität der Endprodukte erzielt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der beschriebenen Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Sonotrode

2

λ/2-Segment

3

tellerförmiger Ring

4

Verbindung

5

Ringsegmentfläche

6

Stirnfläche

7

Schwingungsmaximum

8

Schwingungsrichtung

Claims (4)

1. Ultraschall-Sonotrode zur Übertragung hoher Leistungen bei gleichzeitig hohen Amplituden, wobei die Sonotrode (1) aus λ/2-Segmenten (2) gebildet ist, die jeweils im Bereich des Schwingungsmaximums (7) einen tellerförmigen Ring (3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmentflächen (5) der tellerförmigen Ringe (3) geometrisch so ausgebildet sind, dass die Eigenfrequenz möglicher Biegeschwingungen sehr viel größer ist als die Eigenfrequenz der Sonotrode (1), sodass die Ringsegmentflächen (5) eine Ultraschall- Leistung in Längsrichtung der Sonotrode (1) übertragen.

2. Ultraschall-Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) monolithisch ausgebildet ist.

3. Ultraschall-Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die λ/2-Segmente (2) im Bereich des Schwingungsmaximums (7) eine Verbindung (4) aufweisen und über die Verbindung (4) beliebig aneinanderreihbar sind.

4. Ultraschall-Sonotrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das letzte λ/2-Segment (2) eine Stirnfläche (6) mit einem maximal möglichen Durchmesser aufweist, über die Ultraschall-Leistung abgestrahlt wird.