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Dokumentenidentifikation DE4436054C2 03.04.1997
Titel Einrichtung, insbesondere Resonator, zum Abstrahlen von Ultraschall
Anmelder Wimmer, Ulrich, Dipl.-Ing. (FH), 84518 Garching, DE
Erfinder Wimmer, Ulrich, Dipl.-Ing. (FH), 84518 Garching, DE
Vertreter Will & Petra, Rechts- und Patentanwälte, 85598 Baldham
DE-Anmeldedatum 10.10.1994
DE-Aktenzeichen 4436054
Offenlegungstag 11.04.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse B06B 3/02
IPC-Nebenklasse B01J 19/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, insbesondere einen Resonator, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Einrichtung ist aus der DE 30 27 533 A1 bekannt. Die Einrichtung weist einen Hohlkörper auf, der mit Flüssigkeiten gefüllt und als Rundstab oder als polygones, z. B. quadratisches oder rechteckiges Profil ausgebildet sein kann. Die Schwingungen weisen in der Längsachse des Resonators ein ganzzahliges Vielfaches der Länge λ/2 auf. Zur Erhöhung der Lebensdauer soll die Kavitation bei der radialen Abstrahlung der Schwingungen verringert werden.

Die EP 04 55 837 A1 beschreibt einen ähnlichen Ultraschallresonator, bei dem jedoch an beiden Stirnseiten ein Schallwandler angeordnet ist.

In dem DE-GM 17 38 035 ist eine Schallinse beschrieben, deren wirksame Linsenoberflächen durch eine Druckänderung an elastischen Membranen zu verändern ist.

Aus der DE-PS 8 52 275 ist ein Schallübertrager zu entnehmen, dessen Länge auf Resonanz, d. h. ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2, abgestimmt ist. Die Stäbe können Flüssigkeitsstrecken verwenden und sind augenfällig gestuft.

Ultraschall wird u. a. zum Zellaufschluß in der Biotechnologie, zur Trinkwasseraufbereitung und zur Abwasserbehandlung eingesetzt. Darüber hinaus wird derzeit in einem vom BMFT geförderten Pilotprojekt untersucht, welches Potential der Einsatz von Ultraschall für gezielte chemische Reaktionen und Spaltung hochpolymerer Verbindungen bietet.

Der Einsatz von Ultraschall im Wasser verursacht nicht nur im Medium selbst, sondern auch an allen Grenzflächen Kavitationen. Dabei ist vor allem die Kavitation auf der Oberfläche des Schwingers und seine dadurch bewirkte eigene Zerstörung problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung, insbesondere einen Resonator als mit einer zweiten Flüssigkeit gefüllten Hohlkörper, der durch ein eine Grenzfläche bildendes Element zur Kopplung mit einer in einem Behältnis befindlichen Flüssigkeit verschlossen ist, so zu schaffen, daß die Grenzfläche eine lange Lebensdauer aufweist.

Bei der Lösung wird ein Schwinger so zu einer Begrenzungsfläche angeordnet, daß sich eine stehende Welle ausbildet. Von Vorteil ist dabei auch die Anordnung zweier Schwinger mit ihren Abstrahlflächen zueinander in einem Abstand, der einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht, wobei die Anregung fallweise gleich- oder gegenphasig erfolgt, um eine stehende Welle zu erzeugen.

Vorteilhaft ist ebenso die konkave oder konvexe Ausformung der Grenzflächen, um die Schalleistung auszukoppeln. Diese Spiegel können aus Styropor oder aus auf einen Rahmen aufgespannte Folien gebildet werden, die eine Luftblase einschließen. Durch die praktisch vollständige Reflexion von Schallwellen an der Wasser-Folie- Luft-Grenzschicht bzw. die im Styropor befindliche Luft wird die Dämpfung minimiert.

Von Vorteil ist des weiteren, zwei Schwinger so zueinander anzuordnen, daß sich zwischen ihnen eine stehende Welle ausbildet. In Weiterführung dieses Gedankens wird als Injektor ein Resonator mit paarweise entgegengesetzten seitlich angeordneten Anregungselementen vorgeschlagen. Dieser Hohlraumresonator kann mit einem flüssigen Medium gefüllt sein, das zur Kavitationsvermeidung einen höheren Siedepunkt als Wasser besitzt, was sich evtl. auch durch höheren Druck erreichen läßt. Die Abgrenzung zum Arbeitsmedium erfolgt zweckmäßigerweise durch eine auswechselbare Membran, die auch aus einer auf Vorratsspulen aufgewickelten Folie bestehen kann, die z. B. bei Verschleiß einfach weitergespult wird.

Von Vorteil kann des weiteren sein, mehrere Schwinger so anzuordnen, daß Interferenz entsteht, um die Anregungsleistung an gezielten Stellen zu erhöhen oder die Einzelleistung zu verringern.

Auch kann schließlich von Vorteil sein, wenn die Schwingungsanregung asymmetrisch verläuft. Durch eine schnelle positive Ausdehnung längs der Hauptabstrahlrichtung des Schwingers und eine relativ langsame Relaxation läßt sich ein günstigerer Schalldruck an der Abstrahlfläche gegenüber einer symmetrischen Anregung erzielen.

Da zur Zeit keine Möglichkeit der Vermeidung unerwünschter Kavitation bekannt ist, stellen die eingangs angeführten Einsatzgebiete, die mit Ultraschall in Wasser, wäßriger Lösung oder Flüssigkeit arbeiten, ein breites Anwendungsgebiet dar.

Die Verhinderung der Zerstörung oder die Verlängerung der Standzeit der Schwinger minimiert kostentreibende Wartungs- und Stillstandzeiten.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Einrichtung unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform im Schnitt und

Fig. 4 ein Weg-Zeit-Diagramm.

In Fig. 1 ist die Einrichtung im Prinzip dargestellt. Die beiden Schwinger 1 sind in dem mit Wasser 2 gefüllten Gefäß 3 in einem Abstand zueinander und zu den Gefäßwänden angeordnet, der die Ausbildung stehender Wellen erlaubt.

In Fig. 2 befindet sich der Schwinger 1 in einem mit einer Flüssigkeit 5 gefüllten Gehäuse 4, das eine von einer Folie 6 verschlossene Öffnung besitzt. Die Spulen 7 dienen als Vorrats- bzw. Aufnahmebehälter für die Folie 6.

Fig. 3 zeigt die Anordnung zweier Schwinger 1 außerhalb des mit einer Flüssigkeit 5 gefüllten Gehäuses 4, das als Hohlraumresonator ausgebildet ist. Die Austrittsöffnung ist von einer Membran 8 verschlossen.

In Fig. 4 ist das Verformungsdiagramm 11 eines schwingungserzeugenden Elementes als dessen Veränderung seiner Wegachse 9 über der Zeitachse 10 bei asymmetrischer Ansteuerung dargestellt, bei der die Zunahme längs einer Koordinate von einer relativ langsamen Abnahme gefolgt wird.

Bezugszeichenliste

1 Schwinger

2 Wasser

3 Gefäß

4 Gehäuse

5 Flüssigkeit

6 Folie

7 Spule

8 Membran

9 Wegachse

10 Zeitachse

11 Verformungsdiagramm


Anspruch[de]
  1. 1. Einrichtung, insbesondere Resonator, zum Abstrahlen von Ultraschall, der als Hohlkörper (4) mit einer in einem Behälter (3) befindlichen ersten Flüssigkeit (2) eine Grenzfläche bildet, der in seinem Hohlraum mit einer zweiten Flüssigkeit (5) gefüllt sowie einem eine Grenzfläche bildenden Element (6, 8) verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Folie (6) oder Membran (8) ist, die auf einer Seite der Öffnung des Hohlraumes von einer Spule (7) abzuspulen und auf der anderen Seite aufzuspulen ist oder die auf einen Rahmen gespannt mit einem zu verändernden Luftvolumen ausgestattet ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schwinger (1) so zueinander angeordnet sind, daß sich zwischen ihnen eine stehende Welle ausbildet.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine konkave oder konvexe Ausformung der Grenzfläche die Schalleistung ausgekoppelt wird.
  4. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einsatz mehrerer Schwinger (1) Interferenzen erzeugt werden.
  5. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsanregung asymmetrisch verläuft, mit vorzugsweise steiler Anstiegs- und langsamer Rückstellphase.
  6. 6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (4) mit einer Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt als Wasser gefüllt ist.
  7. 7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor aus Kunststoff mit Lufteinschlüssen, insbesondere Styropor, geformt ist.
  8. 8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verändernde Luftvolumen je nach dem inneren Luftdruck ein konkaves oder konvexes Element ausformt.






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