Búsqueda Imágenes Maps Play YouTube Noticias Gmail Drive Más »
Iniciar sesión
Usuarios de lectores de pantalla: deben hacer clic en este enlace para utilizar el modo de accesibilidad. Este modo tiene las mismas funciones esenciales pero funciona mejor con el lector.

Patentes

  1. Búsqueda avanzada de patentes
Número de publicaciónDE19854013 C2
Tipo de publicaciónConcesión
Número de solicitudDE1998154013
Fecha de publicación11 Jul 2002
Fecha de presentación12 Nov 1998
Fecha de prioridad12 Nov 1998
También publicado comoDE19854013A1
Número de publicación1998154013, 98154013, DE 19854013 C2, DE 19854013C2, DE-C2-19854013, DE19854013 C2, DE19854013C2, DE1998154013, DE98154013
InventoresHarald Hielscher
SolicitanteHielscher Gmbh
Exportar citaBiBTeX, EndNote, RefMan
Enlaces externos: DPMA, Espacenet
Ultraschall-Sonotrode Ultrasonic sonotrode traducido del alemán
DE 19854013 C2
Resumen  disponible en
Reclamaciones(4)  traducido del alemán
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. 1. ultrasonic sonotrode for transmitting high performance combined with high amplitudes, wherein the sonotrode (1) of λ / 2 segments (2) is formed, each in the range of oscillation maximum (7) have a plate-shaped ring (3), characterized in that the ring segment surfaces (5) of the plate-shaped rings (3) are formed geometrically in such a way that the natural frequency of possible flexure vibrations is very much greater than the natural frequency of the sonotrode (1), so that the ring segment surfaces (5) an ultrasonic power in the longitudinal direction of the horn (1) transfer.
2. Ultraschall-Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode ( 1 ) monolithisch ausgebildet ist. 2. ultrasonic sonotrode according to claim 1, characterized in that the sonotrode (1) is formed monolithically.
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. 3. ultrasonic sonotrode according to claim 1, characterized in that the λ / 2 segments (2) have in the region of the maximum oscillation (7) a compound (4) and can be freely fittable over the connection (4).
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. 4. ultrasonic sonotrode according to claims 1 to 3, characterized in that the last λ / 2 segment (2) has an end face (6) having a maximum diameter which is emitted via the ultrasonic power.
Descripción  traducido del alemán

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sonotrode zur Übertragung hoher Leistungen mit gleichzeitig hohen Amplituden. The invention relates to an ultrasonic sonotrode for transmitting high performance with simultaneously high amplitudes.

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. To generate ultrasound and introduce in a medium having a desired power, an ultrasonic transducer (λ / 2-vibrator) which converts the introduced electrical energy into mechanical vibrations, and a sonotrode in principle be used.

Die Sonotrode ist als ein Werkzeug anzusehen, über das die Ultraschall-Leistung an den Wirkungsort geleitet wird. The sonotrode is to be regarded as a tool, via which the ultrasonic power is conducted to the site of action. 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. In this case, can be introduced only limited benefits with high amplitude in the medium due to physical dependencies between the ultrasound radiating surface of the sonotrode and the amplitude of the radiated ultrasound that is not sufficient for some industrial applications. Die für die Übertragung einer vorgegebenen hohen Leistung mit einer vorgegebenen hohen Amplitude benötigte Abstrahlfläche kann mit vertretbarem Aufwand nicht bereitgestellt werden. The radiating required for the transmission of a predetermined high performance for a given high amplitude can not be provided at a reasonable cost.

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. In industrial applications of ultrasound for emulsifying, suspending, Homogenization of all kinds of liquids, in the deagglomeration higher performance combined with high amplitudes than in the prior art, with reasonable effort possible so does the demand.

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. According to the general prior art, the ultrasonic power is incident on the end face of a sonotrode in the liquid or on the radiation bellies at Stabsonotroden. Im letzteren Fall sind nur kleine Amplituden realisierbar, die für viele Anwendungen unzureichend wirksam sind. In the latter case, only small amplitudes can be realized that are insufficiently effective for many applications.

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. From DE 26 07 038 A1 an ultrasonic velocity transformer is known with which an increase in the amplitude of an ultrasonic transducer to be achieved in that at the node and belly points of the standing wave thin plates are attached, in which flexural vibrations are excited in liquid are emitted.

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. The generation of bending vibrations have the disadvantage that already at low cavitation by cavitation wear the frequency of the frequency oscillator changed so that continually a new tuning of the frequency is needed in order to achieve a resonate.

Zur Vermeidung dieser Verstimmung muss die Eigen schwingung der Platten vermieden werden. To avoid this upset the natural vibration of the plates must be avoided.

Aus der US 3 131 515 ist es bekannt, die Verstärkung der Amplitude durch das Aneinanderkoppeln von zwei Halbwellensonotroden zu erreichen. From US 3,131,515 it is known to achieve the gain of the amplitude by the coupling together of two Halbwellensonotroden.

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. In the radiation of the ultrasonic power on the end face of a horn can not be emitted in a medium arbitrarily high amplitude and at the same high performance. Bei einer bestimmten Amplitude ist nur eine definierte höchste Leistung übertragbar, wenn der Durchmesser der Stirnfläche vorgegeben ist. At a certain amplitude only a defined maximum power can be transferred, if the diameter of the end face is predetermined. 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. The diameter of a horn should be chosen according to experience for a λ / 2 oscillators maximum in the size of λ / 4, which corresponds to z. B. a diameter of 50 mm to 70 mm at a frequency of approximately 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. This physically induced natural boundary causes either with small amplitudes below 20 microns having a greater side of the horn or with a higher amplitude a smaller frontal area can be selected.

Mit den bekannten Sonotroden ist also bei einer vorgegebenen Amplitude der maximal mögliche Leistungs eintrag durch den begrenzten Sonotrodendurchmesser festgelegt. With the known horns so the maximum possible performance is at a predetermined amplitude entry through the limited sonotrode set. Die Forderung nach hohen Amplituden von 20 µm bis 200 µm bei gleichzeitig hohem Leistungseintrag ist mit den bekannten Sonotroden nicht erfüllbar. The demand for high amplitudes of 20 microns to 200 microns with a high power input can not be fulfilled with the known horns.

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. The invention is therefore an object of the invention to develop an ultrasonic horn with which the deficiencies of the known horns are avoided and is guaranteed with that high performance can be irradiated simultaneously with high amplitudes.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. According to the invention this object is achieved by the features of claim 1. 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. The ultrasound horn according to the invention for transmitting high performance combined with high amplitudes, wherein the sonotrode is formed from λ / 2 segments have a disk-shaped ring in each case in the area of the vibration peak is characterized in that the ring segment surfaces of the plate-shaped rings geometric figures trically are formed so that the natural frequency of possible flexure vibrations is very much greater than the natural frequency of the sonotrode, so that the ring segment surfaces transmit a ultrasonic power in the longitudinal direction of the sonotrode.

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. The horn formed after the invention of λ / 2 segments each has in the region of maximum oscillation on a plate-shaped ring on the ring segment surface on both sides ultrasonic power is radiated. Durch beliebiges Aneinanderreihen von λ/2-Segmenten können hohe Amplituden und hohe Leistungen realisiert werden, die leicht an den gewünschten Anwendungsfall angepasst werden können. By arbitrarily juxtaposition of λ / 2 segments high amplitude and high performance can be realized, which can be easily adapted to the desired application. Es können Sonotroden mit Durchmessern bis etwa 70 mm modulförmig bis zur gewünschten Leistung aneinandergereiht mit hohen Amplituden realisiert werden. It may horns with diameters up to about 70 mm module shaped to the desired performance strung together can be realized with high amplitudes. Die Sonotroden können industriell im kW- Leistungsbereich eingesetzt werden. The horns may be used industrially in the kW power range.

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. It will be developed with the horn of the present invention uses, which were not or only with great effort and little unsatisfactory satisfactory results available so far an ultrasonic irradiation due to insufficient power input. 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. With the variable a custom horn according to the invention can be used in conjunction with a well-defined, controllable power input applications with higher effectiveness than in the past to be developed, which provide for the use of ultrasound in liquids such as emulsifying, suspending, homogenizing, accelerating solution processes, the disruption of cells , filtration and the like.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel einer Sonotrode näher erläutert werden. The invention will be described hereinafter with reference to a drawing of an exemplary embodiment of a sonotrode. Es zeigen: In the drawings:

Fig. 1 die schematische Seitenansicht einer Sonotrode mit vier λ/2- Segmenten, Fig. 1 is a schematic side view of a sonotrode with four λ / 2 segments,

Fig. 2 die schematische Seitenansicht eines der λ/2-Segmente und Fig. 2 is a schematic side view of one of the λ / 2 segments, and

Fig. 3 die schematische Seitenansicht einer Sonotrode mit Verbindungsstellen zwischen den Segmenten. Fig. 3 is a schematic side view of a sonotrode with joints between the segments.

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. As shown in FIG. 1 is a sonotrode 1, for example from four λ / 2 segments 2 each having a plate-shaped ring 3 in the region of the maximum oscillation 7.

Die Sonotrode 1 mit den vier λ/2-Segmenten 2 ist monolithisch ausgeführt. The sonotrode 1 with the four λ / 2 segments 2 is designed monolithic.

Die Fig. 3 zeigt die Sonotrode 1 in einer modularen Bauweise. FIG. 3 shows the sonotrode 1 in a modular construction. 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. Depending on the application, n λ / 2 segments, joined 2 of Fig. 2 via a connection 4, for example a screw connection in the region of maximum vibration 7.

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. If the sonotrode 1 with a non-illustrated RF generator with stepped horns (transducer) is excited to longitudinal vibrations of 8, then the longitudinal vibrations can be radiated over 8 ring segment surfaces 5 of the dish-shaped rings 3 on both sides in for instance a liquid.

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. It can 5 of the dish-shaped rings 3 and the end face 6 of the last λ / 2 segment 2, a high performance can be combined with high power density introduced into the liquid with a reasonable effort for the transmission of ultrasonic output by the summation of the ring segment surfaces.

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. If a particular service is to be irradiated at a certain amplitude for a desired application, then the required for this radiating surface is determined, and then the number n of required λ / 2 segments 2 set for the sonotrode 1.

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. About ultrasonic processors with powers in the kW range and horns of the invention large loads with high sound intensity can be entered in liquids and an efficient and controlled processing of liquids and consistent quality of the end products are obtained.

Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. The invention is not limited to the embodiment described herein. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der beschriebenen Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Rather, it is possible to realize by a combination of the features described modification and other embodiments without departing from the scope of the invention.

Bezugszeichenliste Reference numeral list

1 1

Sonotrode Sonotrode

2 2

λ/2-Segment λ / 2 segment

3 3

tellerförmiger Ring plate-shaped ring

4 4

Verbindung Connection

5 5

Ringsegmentfläche Ring segment surface

6 6

Stirnfläche Face

7 7

Schwingungsmaximum Oscillation maximum

8 8

Schwingungsrichtung Vibration direction

Citas de patentes
Patente citada Fecha de presentación Fecha de publicación Solicitante Título
DE2607038A1 *20 Feb 197625 Ago 1977Mo I Khim MashUltrasonic speed transformer with stepped concentrator - has variable-section core acoustically connected to concentrator
US3131515 *4 Ene 19605 May 1964Bell Telephone Labor IncMethods and apparatus employing torsionally vibratory energy
Citada por
Patente citante Fecha de presentación Fecha de publicación Solicitante Título
US767351628 Dic 20069 Mar 2010Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic liquid treatment system
US77036988 Sep 200627 Abr 2010Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic liquid treatment chamber and continuous flow mixing system
US771235328 Dic 200611 May 2010Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic liquid treatment system
US778567412 Jul 200731 Ago 2010Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Delivery systems for delivering functional compounds to substrates and processes of using the same
US794718412 Jul 200724 May 2011Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Treatment chamber for separating compounds from aqueous effluent
US799832212 Jul 200716 Ago 2011Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic treatment chamber having electrode properties
US80342868 Sep 200611 Oct 2011Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic treatment system for separating compounds from aqueous effluent
US804824618 Ene 20071 Nov 2011Faurecia Innenraum Systeme GmbhMethod for ultrasound welding and construction module, particularly motor vehicle door module
US805757328 Dic 200715 Nov 2011Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic treatment chamber for increasing the shelf life of formulations
US81433181 Jun 201127 Mar 2012Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic treatment chamber for preparing emulsions
US816338815 Dic 200824 Abr 2012Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Compositions comprising metal-modified silica nanoparticles
US820602428 Dic 200726 Jun 2012Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic treatment chamber for particle dispersion into formulations
US821582228 Dic 200710 Jul 2012Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic treatment chamber for preparing antimicrobial formulations
US845488921 Dic 20074 Jun 2013Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Gas treatment system
US86167597 Sep 200731 Dic 2013Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic treatment system
US863261327 Dic 200721 Ene 2014Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Process for applying one or more treatment agents to a textile web
US868517815 Dic 20081 Abr 2014Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Methods of preparing metal-modified silica nanoparticles
US885889221 Dic 200714 Oct 2014Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Liquid treatment system
US92390367 Sep 200719 Ene 2016Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Ultrasonic liquid treatment and delivery system and process
US92831888 Sep 200615 Mar 2016Kimberly-Clark Worldwide, Inc.Delivery systems for delivering functional compounds to substrates and processes of using the same
WO2007085560A218 Ene 20072 Ago 2007Faurecia Innenraum Systeme GmbhMethod for ultrasound welding and construction module, particularly door module of a motor vehicle
Clasificaciones
Clasificación internacionalB06B3/02
Clasificación cooperativaB06B3/02
Clasificación europeaB06B3/02
Eventos legales
FechaCódigoEventoDescripción
25 May 2000OP8Request for examination as to paragraph 44 patent law
11 Jul 2002D2Grant after examination
2 Ene 20038363Opposition against the patent
26 Ago 20048331Complete revocation