Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschalleinrichtung (12) bzw. eine Ultraschallsonotrode (10) zur Abstrahlung von Ultraschallenergie insbesondere in flüssige oder pastöse Medien, welche im Wesentlichen in Längsrichtung (z) einander abfolgend folgende Abschnitte aufweist: - einen Ankopplungsabschnitt (4) zum Ankoppeln eines in Längsrichtung logitudinal anregenden aktiven Ultraschallsystems (8), - einen Basisabschnitt (1), wobei die größte Abmessung des Basisabschnitts (1) quer (in x-y-Ebene) zur Längsrichtung (z) größer ist als die Länge des Basisabschnittes in Längsrichtung (z), - einen Übergangsabschnitt (9) zur Querschnittsverringerung in mindestens einer Querschnittsfläche gegenüber dem Basisabschnitt (1) sowie - einen Flachabschnitt (2) mit einem Stirnbereich (3) als Abstrahlfläche, wobei der Flachabschnitt in mehrere Zungen geteilt ist.
Beschreibung[de]
Die Erfindung betrifft eine durch ein aktives longitudinal arbeitendes
Ultraschallsystem anregbare, amplitudentransformierende Ultraschallsonotrode. Die
Erfindung betrifft ferner eine Ultraschalleinrichtung, welche eine erfindungsgemäße
Ultraschallsonotrode enthält.
In der viele Bereiche umfassenden Ultraschalltechnik, insbesondere
in der Labor- und Verfahrenstechnik, werden seit Jahrzehnten sogenannte Ultraschall-Desintegratoren
oder auch -Homogenisatoren eingesetzt, mit überwiegend longitudinal arbeitenden,
stabförmigen Ultraschallsonotroden, die über ein aktives Ultraschallsystem angetrieben
werden, nach dem Längsschwingungsmodus arbeiten, meist eine Länge n × &lgr;/2
aufweisen und über ihre Stirnflächen eine reproduzierbare Ultraschallleistung applizieren.
Diese bewährte Technik erlaubt, oft unter Zuhilfenahme von sogenannten
Amplitudentransformatoren (Boostern), die Einbringung sehr hoher Ultraschallamplituden
über die Stirnfläche der Sonotroden in flüssige oder pastöse Medien. In der Regel
geschieht die Amplitudentransformation auf Kosten einer Querschnitts-Verringerung
der meist kreisförmigen Stirn- und Abstrahlfläche. Geht man davon aus, dass die
Querabmessungen – zum Beispiel der Sonotrodendurchmesser – üblicherweise
unterhalb der &lgr;/4-Materialwellenlänge liegt, kann von annähernd gleichen Ultraschallamplituden
(Auslenkung und Phase) auf der Sonotroden-Stirnfläche ausgegangen werden. Dies bietet
die Gewähr für ein genaues und reproduzierbares Arbeiten. Zum Beispiel in der Analytik,
da die Auslenkung über die gesamte Stirnfläche der Sonotrode immer sehr gleichmäßig
erfolgt, annähernd gleiche Amplitudenwerte aufweist und ultraschallbedingte Wirkungen
mit diesem Parameter verknüpft werden können.
In der Regel bestehen die Sonotroden und Spitzen derartiger Sonotroden
aus sehr schwingungsfesten und gleichzeitig verlustarmen Materialien wie zum Beispiel
Titan. Es werden aber auch spezielle Keramik- oder Glaswerkstoffe eingesetzt.
In der Analytik und Probenaufbereitung spielen sogenannte Mikrotiter-
oder Deep-well-Platten eine zunehmende Rolle. Bei der Beschallung dieser sehr kleinen
Probenvolumen, Wells genannt, ist der Beschallungsaufwand mit einer einzelnen und
notwendig dünnen Sonotrodenspitze für zum Beispiel Mikrotiterplatten mit 96 oder
mehr Wells, sehr hoch.
Zur Lösung dieses beispielhaften Problems gibt es verschiedene Lösungsansätze.
Zum einen wird versucht, eine ganze Mikrotiterplatte indirekt, von unten über den
Boden, intensiv mit Ultraschall zu beschallen. Dazu wird die Platte in ein flaches
Ultraschallbad gelegt, wobei das Bad aus einer Eindrehung oder Vertiefung in einer
sehr dicken Sonotrode an der Stirnfläche besteht, die zu diesem Zweck kopfüber betrieben
wird. Als Ultraschallquelle dient ein mit der Sonotrode fest gekoppelter aktiver
Ultraschallwandler, der durch einen HF-Generator gespeist wird. Mit zunehmenden
Durchmesser oder der Dicke von Sonotroden verstärkt sich aber der Einfluss von Querkontraktion
deutlich, da der Durchmesser der Schallleiter zur Viertelwellenlänge im Material
auch für relativ niedrige Ultraschallfrequenzen schon größer als Eins wird. Es kommt
zur Bildung von zusätzlichen Schwingungsknoten, Phasenunterschieden der Schwingung
und Amplitudenverzerrungen an der Stirnfläche dieser Sonotroden. Über die große
Bad- oder Abstrahlfläche ist dadurch eine sehr ungleichmäßige und nicht reproduzierbare
Beschallung der Wells in der Mikrotiterplatte die Folge.
Eine weitere Lösungsmöglichkeit ließe sich aus den häufig in der Ultraschallschweißtechnik
verwendeten, sehr breiten und gleichzeitig schmalen Sonotroden ableiten.
Derartige Spezial-Sonotroden werden meist auch über ein aktives Ultraschallsystem
angetrieben. Sie haben aber den Nachteil, dass ihre breite und gleichzeitig schmale
Stirnfläche durch den gekoppelten Longitudinal- und Biegeschwingungsmodus die hohen
Ultraschallamplituden nicht gleichmäßig abstrahlen. Längs der Stirnfläche wechseln
sich Zonen mit höherer und schwächerer Amplitude ab. Über die abstandsweise Anbringung
kleiner und dünner Spitzen in einer Reihe auf dieser Fläche wäre prinzipiell die
gleichzeitige und direkte Beschallung mehrerer Wells einer Mikrotiterplatte durchführbar.
Durch die vorgenannten Unterschiede bei den Auslenkungsamplituden lassen sich allerdings
keine identischen Beschallungsergebnisse in den Wells von Mikrotiterplatten erzielen.
Eine weitere Lösungsmöglichkeit für die Beschallung kleinster Probenmengen
in Mikrotiterplatten ist in der DE 101 48
916 A1 beschrieben.
Kernpunkt und gleichzeitig Nachteil der dort beschriebenen Anordnung
sind, dass die Breite des Abgabeortes der Schallwelle nicht über die Breite bzw.
dem Durchmesser des aktiven, antreibenden Ultraschallsystemes hinausgeht. Dadurch
ist es nötig, dass für die Beschallung auch nur einer Reihe einer Mikrotiterplatte
schon mehrere Wandler mit wellenübertragenden Zwischenelementen bis hin zum Abgabeort
nötig sind. Allein für die kurze Seite einer Mikrotiterplatte sind deshalb schon
mindestens zwei Einheiten der dort beschriebenen Anordnung nötig. Hinzu kommt der
Aufwand für die exakte Positionierung und Halterung der Einheiten
gegenüber der Platte als auch der erhöhte elektronische Ansteueraufwand für zwei
oder mehrere aktive Ultraschallsysteme durch den HF-Generator.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Ultraschallsonotrode zu schaffen, welche einfach und kostengünstig auf eine Fläche
(beispielsweise auf eine schmale Rechteckfläche) hohe Ultraschallamplituden annähernd
gleicher Amplitude, Phasenlage und Richtung abgeben kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Ultraschallsonotrode
bzw. die erfindungsgemäße Ultraschalleinrichtung.
Die erfindungsgemäße Ultraschallsonotrode ist geeignet zur Abstrahlung
von Ultraschallenergie in flüssige oder pastöse Medien, wobei die Ultraschallsonotrode
im Wesentlichen in Längsrichtung einander abfolgend folgende Abschnitte aufweist:
– einen Ankopplungsanschnitt zum Ankoppeln eines in Längsrichtung longitudinal
anregenden aktiven Ultraschallsystems,
– einen Basisabschnitt, wobei die größte Abmessung des Basisabschnitts
quer zur Längsrichtung größer (vorzugsweise mehr als doppelt so groß) ist als die
Länge des Basisabschnittes in Längsrichtung,
– einen Übergangsabschnitt zur Querschnittsverringerung in mindestens
einer Querschnittsfläche gegenüber dem Basisabschnitt sowie
– einen Flachabschnitt mit einer Länge von vorzugsweise ca. &lgr;/4 Materialwellenlänge
und mit einem Stirnbereich als Abstrahlfläche, wobei der Flachabschnitt in mehrere
Zungen geteilt ist.
Diese Teilung des Flachschnittes in mehrere Zungen (siehe Figuren,
welche Zungen zeigen, also Flachabschnitte, welche durch einen einseitigen Schlitz
getrennt sind) bewirken eine bevorzugte longitudinale Schwingung in Längsrichtung
des Flachabschnittes.
Durch die offenen Schlitze an den Zungenenden des Flachabschnittes
werden große Querabmessungen und infolge davon transversale Schwingungskomponenten
an den Zungenenden wirksam unterdrückt.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, mittels eines einzigen Erregers
(beispielsweise einer piezoelektrisch anregenden Scheibe) eine rechteckförmige Ultraschallerregung
vorzunehmen, welche im Sinne der Erfindung annähernd gleiche Amplitude, Phasenlage
und Richtung aufweist.
Hierbei ist es sinnvoll, dass der Basisabschnitt in seiner größten
Abmessung quer zur Längsrichtung größer ist als in Längsrichtung. Mit "größte Abmessung"
ist hierbei beispielsweise bei einem rechteckigen Querschnitt quer zur Längsachse
die Flächendiagonale zu verstehen, bei einem Kreis der Durchmesser, bei einer Ellipse
die Länge der längsten Achse etc.
Bei der erfindungsgemäßen Ultraschalleinrichtung, welche neben der
erfindungsgemäßen Sonotrode ein mit dieser koppelbares aktives Ultraschallsystem
aufweist, können diese erfindungsgemäßen Vorteile ausgenutzt werden.
Hierbei ist außerdem bemerkenswert, dass die größte Querschnittsfläche
des Basisteils möglicherweise größer (vorzugsweise mehr als dreimal) ist als die
Ankoppelfläche des Ankopplungsabschnittes zu einem angekoppelten aktiven Ultraschallsystem
hin. Somit kann es also durchaus zu einer "Querschnittsvergrößerung" von einem anzukoppelnden
Ultraschallsystem zu der Sonotrode (insbesondere zu dem Basisteil/Flachabschnitt)
hin kommen.
Es ist an der Erfindung bemerkenswert, dass der durch einen ankoppelbaren
Longitudinalschwinger zum Schwingen angeregte Basisabschnitt keinem üblichen Schwingungsmodus
gehorcht, sondern eine Volumenschwingung ausführt, die einzig durch seine Formgebung
und Masse bestimmt ist. Diese Volumenschwingung lässt sich mit bisherigen Methoden
physikalisch nicht als einfacher Einzelschwingungsmodus beschreiben. Sie entspricht
eher einem biaxialem Schwingungsmodus mit einer Kombination aus transversalen und
longitudinalen Komponenten. Es ist aber sehr überraschend, dass durch die Querschnitts-
bzw. Massenverringerung vom Basisabschnitt über den Übergangsabschnitt zu dem Flachabschnitt
hin letztlich an der offenen Stirnfläche des Flachabschnitts sich ein sehr homogenes
Ultraschallfeld ergibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den anhängigen
Patentansprüchen gezeigt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erfindungsgemäße
Ultraschallsonotrode einstückig ausgeführt ist. Es wird somit möglich, diese Sonotrode
mit einfachsten Mitteln herzustellen, auch die Langzeitbeständigkeit wird vorteilhaft
dadurch beeinflusst, dass keine Fügungen innerhalb der Sonotrode möglich sind bzw.
Booster etc. angekoppelt werden müssen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Ultraschallsonotrode
aus Metall ist, dies ist insbesondere auch bei der einstückigen Herstellbarkeit
von Vorteil, da auf einfache Weise hier ein sehr langzeitbeständiges
Element herstellbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Gesamtlänge
der Sonotrode in Längsrichtung maximal 1,2 × &lgr;/2 der longitudinalen Materialwellenlänge
der Sonotrode beträgt, vorzugsweise maximal &lgr;/2 der longitudinalen Materialwellenlänge
der Sonotrode. Somit es also möglich, die Gesamtlänge der Sonotrode (inklusive Ankopplungsabschnitt,
Basisabschnitt, Übergangsabschnitt sowie Flachabschnitt) auf maximal 1, 2 ×
&lgr;/2 bzw. 1 × &lgr;/2 zu begrenzen, so dass die Gesamtanordnung hier ein
relativ geringes Volumen hat und sehr hohe Ultraschallleistungen durch die ankoppelbaren
Schwinger erreicht werden können.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass am Basisabschnitt
Ausnehmungen zur Massen- und/oder Amplitudenanpassung vorgesehen sind. Dies können
beispielsweise Bohrungen am Umfang des Basisabschnitts sein. Es ist jedoch auch
möglich, in Verlängerung der Schmalseiten des Flachabschnitts Einbuchtungen am Basisabschnitt
vorzusehen (s. 3 weiter unten), hierdurch wird einerseits
die Masse des Basisabschnittes verkleinert, andererseits wird die Longitudinalabstrahlung
der Stirnfläche des Flachabschnittes eher noch verbessert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Übergangsabschnitt
zwischen Basisabschnitt sowie Flachabschnitt einen unstetigen oder (vorzugsweise)
stetigen Verlauf hat. Der stetige Verlauf kann hierbei insbesondere kreisabschnittsförmig,
linear oder exponentiell sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Flachabschnitt
mindestens einen, vorzugsweise bis in den Bereich des Übergangsabschnittes verlaufenden,
Schlitz aufweist. Hierdurch wird der Flachabschnitt in mehrere erfindungsgemäße
"Zungen" geteilt, es hat sich gezeigt, dass hierdurch eine weitere Homogenisierung
des longitudinal abgestrahlten Ultraschallfeldes über den Flächenabschnitt zum Stirnbereich
hin gegeben ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Flachabschnitt
auf seiner Breitseite eine Ausdehnung aufweist, welche kleiner, gleich oder größer
der größten Abmessung des Basisabschnitts quer zur Längsrichtung ist. Bei der Variante
"gleich" ist hierbei praktisch in einer Draufsicht eine gleichbleibende Breite vom
Basisabschnitt über den Übergangsabschnitt zu dem Flachabschnitt hin erkennbar (wie
in 1, 2,
3 und 4
dargestellt, in den hierzu um die Längsrichtung gedrehten Querschnitten ergibt sich
allerdings eine Querschnittsverringerung).
Es ist aber auch möglich, dass die Breitseite des Flachabschnittes
sich zur Stirnfläche hin auch in diesem (also in den 1
bis 4 gezeigten) Querschnitt verjüngt, auch
eine Verbreiterung ist möglich.
Der Flachabschnitt weist vorzugsweise einen quaderförmigen Querschnitt
auf, es ist jedoch auch möglich, dass die Quaderform zum Beispiel dadurch abgewandelt
ist, dass stark gerundete Kanten vorgesehen sind, so dass sich in Draufsicht in
Längsrichtung auf die Sonotrodenspitze bzw. auf die Abstrahlfläche hier ein "ellipsenförmiger"
Querschnitt zeigt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Flachabschnitt
im Stirnflächenbereich Nuten, Einfräsungen, Bohrungen oder Einschnitte aufweist,
hierdurch ist eine Homogenisierung bzw. Feinabstimmung des abzugebenden Ultraschallfeldes
steuerbar.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Flachabschnitt
im Stirnflächenbereich mindestens eine, vorzugsweise mehrere, vorzugsweise in gleichmäßigen
Abständen angeordnete stabförmige Spitzen aufweist. Diese können aus der Sonotrode
selbst gebildet sein oder auch aus einem anderen, auch nicht metallischem Material
bestehen. Wesentlich ist, dass diese Spitzen keine Resonanzlänge aufweisen müssen,
das heißt beispielsweise aufgrund kleiner Abmessungen bzw. kleiner Massen treten
diese für die Gesamtmasse der Sonotrode praktisch nicht in den Vordergrund. Auch
von der Länge her sind diese klein gehalten und stellen für sich genommen keine
eigenen Sonotroden dar, so dass die Spitzen in Längsrichtung eine Ausdehnung von
maximal &lgr;/4, vorzugsweise weniger als &lgr;/8 aufweisen, wobei sich &lgr; auf
die Materialwellenlänge der Ultraschallsonotrode bezieht.
Die erfindungsgemäßen Vorteile der Ultraschallsonotrode können mit
einer erfindungsgemäßen Ultraschalleinrichtung genutzt werden. Hierbei ist es besonders
vorteilhaft, dass der Ankoppelabschnitt eine durchaus geringere Fläche aufweisen
kann (Querschnittsfläche senkrecht zur Längsrichtung) als beispielsweise der Querschnitt
des Basisabschnittes. Der Ankoppelabschnitt kann daher beispielsweise auf übliche
aktive longitudinal arbeitende Schwingungssysteme abgestimmt werden, beispielsweise
kann die Ankopplungsfläche des Ankoppelabschnittes 0,8 bis 1,2, vorzugsweise 0,9
bis 1,1 der Ankopplungsfläche eines aktiven, beispielsweise piezoelektrischen, Systems
betragen. Dieses System kann hierbei so ausgeführt sein, dass es Längsschwingungen
im Bereich zwischen 16 bis 50 kHz, vorzugsweise Niederfrequenzultraschall im Bereich
von 18 bis 22 kHz erzeugt.
Nachdem auf die wesentlichen Aspekte der Patentansprüche eingegangen
wurde, wird im Folgenden nochmals die Vorteilhaftigkeit der Erfindung
mit anderen Worten zusammengefasst.
Vorteil der Erfindung ist es, eine über nur ein aktives Ultraschallsystem
angetriebene Ultraschallsonotrode zu schaffen, mit der über eine sehr breite und
gleichzeitig schmale Stirnfläche hohe Ultraschallamplituden annähernd gleicher Amplitude,
Phasenlage und Richtung abgegeben werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die
homogen schwingende Stirn- oder Abstrahlfläche dieser Sonotrode in bestimmten Grenzen
bearbeitet oder verformt werden kann. Zum Beispiel für die Einbringung kleiner Nuten,
Einfräsungen oder Bohrungen oder auch beispielsweise zur Aufnahme dünner und massenarmer
Spitzen für die Beschallung von Mikrotiterplatten oder ähnlichen Beschallungsaufgaben.
Für die Erlangung dieser Vorteile wichtig ist, dass die Sonotrode
zur Ankopplungs- oder Anschraubseite hin aus einem Volumenschwingungen ausführenden
Basisteil mit beträchtlicher Querabmessung (die Querabmessung kann mehr als &lgr;/4
der longitudinalen Materialwellenlänge der Sonotrode betragen), geringer Länge in
Längsrichtung der Sonotrode (deutlich geringer als &lgr;/4 der longitudinalen Materialwellenlänge
der Sonotrode) und einem sich nach einem Übergangsabschnitt anschließenden, longitudinal
schwingenden Flachabschnitt mit beispielsweise rechteckförmigen Querschnitt besteht,
über dessen breite und gleichzeitig schmale Stirnfläche amplitudentransformierte
Ultraschallamplituden abgestrahlt werden können, die in Betrag und Phase gleich
groß sind. Zur Optimierung des Schwingverhaltens und Angleichung der Ausgangsamplituden
auf der Stirnfläche ist es zweckmäßig, den flachen Teil durch Einschnitte in Längsschwingungsrichtung
zur Abstrahlseite hin zu unterteilen.
Die Längsabmessung der erfindungsgemäßen Ultraschallsonotrode entspricht
vorzugsweise in etwa der &lgr;/2-Resonanzlänge üblicher Laborsonotroden. Dahingegen
liegt die Querabmessung des relativ kurzen Basisabschnitts vorzugsweise über der
&lgr;/4-Materialwellenlänge.
Der Basisteil gehorcht keinem üblichen Schwingungsmodus, sondern führt
eine Volumenschwingung aus, die einzig durch seine Formgebung und Masse bestimmt
ist. Das sich an den Basisabschnitt bzw. den nachfolgenden Übergangsabschnitt anschließende
rechteckförmige flache Teil schwingt im Wesentlichen longitudinal. Seine Länge beträgt
zirka &lgr;/4-Materialwellenlänge, dessen Gesamtbreite über die Zungen entspricht
vorzugsweise der Querabmessung des Basisabschnitts, kann aber davon auch abweichen.
Zur Erzielung sehr gleichmäßiger Amplitudenverteilung und gleich hoher Auslenkungen
auf der schmalen Abstrahlseite ist es zweckmäßig, den flachen Teil mit dünnen Schlitzen,
von der Abstrahlseite bis an das Basisteil zu versehen. Es ist weiterhin zweckmäßig,
den Übergangsabschnitt zwischen Basis- und Flachabschnitt nicht abrupt zu gestalten,
sondern über eine kontinuierliche Funktion, zum Beispiel über einen Radius.
Das Massenverhältnis zwischen Basis- und Übergangsabschnitt zum Flachabschnitt
bestimmt wesentlich die mögliche Amplitudentransformation oder Amplitudenverstärkung
zwischen der Ankopplungs- und der Abstrahlseite der erfindungsgemäßen Sonotrode.
Je nach geometrischer Dimensionierung, zum Beispiel auch mit einem sehr dünnem oder
stark verjüngtem flachen Teil, und dem Massenverhältnis, lassen sich Verstärkungsfaktoren
bis zu 10 realisieren.
Mit der erfindungsgemäßen Sonotrode können über eine schmale Abstrahlfläche
mit beträchtlicher Breite, die ein Mehrfaches der Querabmessung eines üblichen longitudinalen
Schwingsystems beträgt, hohe und gleichphasige Ultraschallamplituden abgestrahlt
werden.
Die Querabmessung des Basisabschnitts und damit die Breite des Flachabschnittes
der erfindungsgemäßen Sonotrode kann mindestens so groß gewählt werden, dass sie
der Längsabmessung einer üblichen Mikrotiterplatte entspricht. Auf die schmale und
breite Abstrahlfläche können in definierten Abständen kleine Spitzen aus dem Sonotrodenmaterial
oder aus nichtmetallischem Werkstoffen eingesetzt werden, mit denen dann gleichzeitig
eine ganze Reihe einer Mikrotiterplatte beschallt werden kann. Die eingesetzten
Spitzen können und sollten sehr kurz und dünn sein. Zum einen verstimmen sie dadurch
die erfindungsgemäße Sonotrode nur unwesentlich und zum anderen ist dies für kleine
Probenvolumina auch zweckmäßig.
Durch die gleichen Auslenkungsamplituden ist über die eingesetzten
Spitzen eine sehr gleichmäßige und reproduzierbare Beschallung der Wells in Mikrotiterplatten
möglich. Aufgrund der großen Breite der erfindungsgemäßen Sonotrode auf der Abstrahlseite
kann eine ganze Reihe einer Längsseite heute üblicher Mikrotiterplatten auf einmal
beschallt werden. Dadurch, dass die erfindungsgemäße Sonotrode nur ein aktives Schwingsystem
auf der Ankopplungsseite benötigt, verbessert sich der Herstellungs-, Abstimmungs-,
Justier- und Kostenaufwand gegenüber dem bekannten Stand der Technik beträchtlich.
Die erfindungsgemäße Sonotrode lässt sich heutzutage rationell auf modernen Dreh-
und Fräsbearbeitungszentren herstellen und stellt damit auch von der Bearbeitung
her keinen Kostenfaktor dar.
Anhand der nachfolgenden Figuren werden bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Sonotrode beschrieben.
Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Sonotrode mit
einem quaderförmigen Basisabschnitt großer Querabmessung,
2 eine erfindungsgemäße Sonotrode mit
einem runden, plattenförmigen Basisabschnitt,
3 eine weitere erfindungsgemäße Sonotrode,
4 eine erfindungsgemäße Ultraschalleinrichtung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Ultraschallsonotrode
10. Anhand der in 1 gezeigten Ultraschallsonotrode
erfolgt die allgemeine Beschreibung der vorliegenden Erfindung. Bei der Beschreibung
der nachfolgenden Figuren gilt dann das zu 1 Gesagte
sinngemäß, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes gesagt wird.
Die in 1 gezeigte Ultraschallsonotrode
10 ist zur Abstrahlung von Ultraschallenergie in flüssige oder pastöse
Medien geeignet. Die Ultraschallsonotrode weist in Längsrichtung (in Längsrichtung
z) einander abfolgend folgende Abschnitte auf:
Einen Ankopplungsabschnitt 4 zum Ankoppeln eines in Längsrichtung z longitudinal
anregenden aktiven Ultraschallsystems (s. 4). Die Anschraubung
eines entsprechenden Ultraschallsystems, welches vorzugsweise als piezoelektrisches
Schwingersystem ausgeführt ist, erfolgt beispielsweise mit einem Schraubbolzen,
eine entsprechende Gewindebohrung ist auf der Unterseite der Sonotrode in
1 zu sehen. Der zylinderförmige Abschnitt an der Unterseite
der Sonotrode ist der Ankopplungsabschnitt 4.
An diesen Ankopplungsabschnitt 4 schließt sich (nach einem
kleinen Übergangsbereich, welcher allerdings noch dem Ankopplungsabschnitt zuzuordnen
ist) ein Basisabschnitt 1 an. Dieser Basisabschnitt weist eine im Wesentlichen
quaderförmige Struktur auf und ist sehr massiv ausgeführt. Der Basisabschnitt
1 hat in der größten Abmessung quer zur Längsrichtung eine Abmessung, welche
größer ist als die Länge des Basisabschnittes in Längsrichtung. Das heißt, dass
der im Wesentlichen quaderförmige Basisabschnitt in z-Richtung seine kleinste Ausdehnung
hat und seine größte Ausdehnung in der x-y-Ebene. Diese größte Ausdehnung in der
x-y-Ebene ist die längste Flächendiagonale des Quaders in der x-y-Ebene (sinngemäß
wäre dies beispielsweise in 2 der Durchmesser als entsprechendes
Maß). Der Basisabschnitt wird im Wesentlichen zu "Volumenschwingungen" angeregt,
auf diesen Begriff wurde weiter oben bereits eingegangen.
Die Abmessung (x1) des Basisabschnitts quer zur Längsrichtung
im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt ist hierbei stets größer als bzw. gleich
&lgr;/4. In Figur 1 ist dies durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Selbst an der
"schmaleren" Seite des dortigen rechteckigen Querschnittes ist x1 immer
noch größer oder zumindest gleich &lgr;/4. Egal welchen Querschnitt der Basisabschnitt
hat (ellipsoid, rund, mehreckig), ist x1 immer ≥ &lgr;/4.
Die kürzeste Länge (x2) des Basisabschnitts in Längsrichtung
ist auch immer kleiner als &lgr;/4. Diese Größe ist ebenfalls in 1
abzulesen.
In positiver z-Richtung fortlaufend schließt sich dann ein Übergangsabschnitt
9 an. Dieser zeigt einen im Wesentlichen kreisumfangsförmigen verjüngenden
Verlauf und mündet in einen im Wesentlichen quaderförmigen Flachabschnitt. Dieser
Flachabschnitt weist eine Schmalseite der Länge s auf sowie eine Breitseite der
Länge b, wobei die Länge der Breitseite b einer Kantenlänge des Quaders des Basisabschnittes
1 entspricht, also hier die Breite im Bereich des Flachabschnittes genauso
groß ist wie im Bereich des Basisabschnittes. Die Länge b könnte hier allerdings
auch kleiner oder auch größer ausgeführt sein als die Breite des Basisabschnittes.
Der Flachabschnitt weist dann auf seiner Oberseite einen Stirnbereich
3 auf, welcher als Abstrahlfläche für Longitudinalschwingungen dient.
Die Länge S der Schmalseiten ist vorzugsweise nur 1/8 bis 1/12 so
groß wie die kürzeste Abmessung des Querschnitts quer zur Längsrichtung (x1).
Der Flachabschnitt ist außerdem durch mindestens einen Schlitz in
mehrere, im Stirnbereich unverbundene, Zungen geteilt. Hierdurch gibt es also keine
Verbindung der Zungen an deren dem Basisabschnitt abweisenden Ende. Die Zungen kragen
somit vollständig frei aus, dies ist ein deutlicher Unterschied zu üblichen "Schlitzen",
welche beidseitig geschlossen sind.
Durch die offene Schlitzaufteilung in Zungen geringer Breite (<< &lgr;/4)
und kurzer Länge s wird eine durchgehend longitudinale Schwingung in Längsrichtung
des Flachabschnittes erzielt. Der unverbundene Stirnbereich verhindert zusätzlich
das Auftreten transversaler Schwingungskomponenten und gewährleistet Amplituden
gleichen Betrages und Phase an den Zungenenden. Eine Verjüngung des Flachabschnittes
zu den Zungenenden hin bewirkt eine zusätzliche Amplitudentransformation.
Die gesamte Ultraschallsonotrode ist einstückig und aus Metall bestehend.
Die Länge der Sonotrode 10 in Längsrichtung (gemessen von der Unterseite
des Ankoppelabschnitts 4 bis zur Oberseite des Stirnbereichs
3) beträgt 1,1 × &lgr;/2 der longitudinalen Materialwellenlänge der
Sonotrode.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Sonotrode, wobei hier im Unterschied zu der in
1 gezeigten Sonotrode der Basisabschnitt
1 einen runden Querschnitt aufweist.
Der Flachabschnitt weist auch hier einen Schlitz 5 auf, welcher
von der Oberkante des Stirnbereichs 3 bis in den Übergangsabschnitt
9 hinein verläuft. Dieser Schlitz teilt den Flachabschnitt in zwei etwa
gleichgroße zungenförmige Abschnitte, welche beide in z-Richtung verlaufen. Der
Schlitz dient hierbei der besseren Homogenisierung des abzustrahlenden Longitudinalschallfeldes.
Seitlich an dem Ankopplungsabschnitt 4 ist außerdem eine Montagebohrung
seitlich zu sehen.
Außerdem zeigt die Ultraschallsonotrode in 2
eine längs der Breitseite b zentral im Stirnbereich verlaufende Nut (6)
bzw. rinnenförmige Einbuchtung, so dass in z-Richtung am obersten Ende vier rechteckförmige
Abstrahlflächen gegeben sind, welche sehr konzentriert Ultraschallenergie abgeben.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Ultraschallsonotrode. Diese zeigt zusätzlich zu der in
2 gezeigten Sonotrode eine Ausbuchtung 11
im Basisabschnitt, wobei diese Ausbuchtung im Wesentlichen in Richtung der Schmalseite
des Flachabschnitts orientiert ist.
Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Sonotrode
weist hierbei der Flachabschnitt 2 insgesamt zwei Längsschlitze auf, so
dass der Flachabschnitt 2 insgesamt drei "Zungen" aufweist. Hierbei können
die Schlitze jeweils bereichsweise, beispielsweise kreisförmige, Einschnitte aufweisen.
Auch hier ist zu sehen, dass die Abmessungen des Basisabschnitts quer
zur Längsrichtung (also der Durchmesser d) im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt
hin (siehe hierzu Strichlinie in 3) stets ≥ &lgr;/4
sind und die kürzeste Länge des Basisabschnitts in Längsrichtung < &lgr;/4 ist (siehe
x'2).
Auf dem Stirnbereich 3 sind mehrere, in gleichmäßigen Abständen
angeordnete stabförmige Spitzen 7 gezeigt, welche aus Metall sind. Allerdings
ist deren Abmessung bzw. deren Masse so klein, dass diese keine Resonanzlänge aufweisen.
Die Spitzen haben in Längsrichtung z eine Ausdehnung von weniger als &lgr;/8, wobei
sich &lgr; hier auf die Materialwellenlänge der Ultraschallsonotrode bezieht.
Abschließend sei auf 4 verwiesen. Diese
zeigt eine betriebsbereite Ultraschalleinrichtung 12. Diese besteht aus
einer Ultraschallsonotrode, an deren Ankopplungsabschnitt 4 ein aktives
Ultraschallsystem 8 (mittig ist dort ein piezoelektrisches Antriebssystem
zu sehen) gezeigt. Die untere Fläche des Ankoppelabschnitts entspricht hierbei im
Wesentlichen der Querschnittsfläche des anzukoppelnden Ultraschallschwingersystems
8, das Ultraschallschwingersystem 8 ist zur Anregung von 20 kHz
ausgelegt.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG SEHEN VOR:
– einen Ankopplungsanschnitt zum Ankoppeln eines in Längsrichtung longitudinal
anregenden aktiven Ultraschallsystems,
– einen Basisabschnitt, wobei die größte Abmessung des Basisabschnitts
quer zur Längsrichtung größer (vorzugsweise mehr als doppelt so groß) ist als die
Länge des Basisabschnittes in Längsrichtung, wobei die Abmessungen des Basisabschnitts
quer zur Längsrichtung im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt hin stets ≥ &lgr;/4
sind und die kürzeste Länge des Basisabschnittes in Längsrichtung (z) < &lgr;/4
ist,
– einen Übergangsabschnitt zur Querschnittsverringerung in mindestens
einer Querschnittsfläche gegenüber dem Basisabschnitt sowie
– einen Flachabschnitt mit einem Stirnbereich als Abstrahlfläche, wobei
der Flachabschnitt durch mindestens einen Schlitz in mehrere, im Stirnbereich unverbundenen
Zungen geteilt ist.
Die Erfindung sieht vor, dass der Flachabschnitt mindestens einen,
vorzugsweise bis in den Bereich des Übergangsabschnittes verlaufenden, Schlitz aufweist.
Hierdurch wird der Flachabschnitt in mehrere "Zungen" geteilt, es hat sich gezeigt,
dass hierdurch eine weitere Homogenisierung des longitudinal abgestrahlten Ultraschallfeldes
über den Flächenabschnitt zum Stirnbereich hin gegeben ist.
Bei der longitudinalen Materialwellenlänge &lgr; gilt grundsätzlich:
mit cL als Schallgeschwindigkeit der Sonotrode (also wenn die Sonotrode
aus Titan ist, ist cL ungefähr gleich 4.900 m/s), mit f ist die anregende
Frequenz gemeint, beispielsweise 20 kHz. Für eine bestimmte Sonotrode kann also
bei Anregung mit einer bestimmten Frequenz (beispielsweise Ultraschall von 20–25
kHz) das entsprechende &lgr; ermittelt werden.
Erfindungsgemäß beträgt hierbei die Abmessung des Basisabschnitts
quer zur Längsrichtung im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt hin stets (immer)
mehr als &lgr;/4. Dies heißt, dass im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt (also
im "obersten" Abschnitt des Basisabschnittes, welcher zum Übergangsbereich hin orientiert
ist) stets eine größere Abmessung als &lgr;/4 in allen Orthogonalen zur Längsachse
gegeben ist.
Die kürzeste Länge des Basisabschnittes in Längsrichtung beträgt hingegen
deutlich weniger als &lgr;/4. Damit ist offensichtlich, dass die Gesamtlänge der
erfindungsgemäßen Sonotrode über Flachabschnitt und Basisteil mit Ankopplungsabschnitt
nicht einem klassischen Halbwellenresonator entspricht, da der Basisabschnitt hierfür
"zu kurz" und quer "zu dick" ist. Aufgrund dieser großen Quer- und kleinen Längsabmessung
führt das Basisteil eine Volumenschwingung aus, die keiner vereinfachten/klassischen
Schwingungsform zugeordnet werden kann. Die entstehende Volumenschwingung lässt
sich am ehesten als eine biaxiale Schwingung charakterisieren, die aus einer transversalen
und longitudinalen Komponente besteht.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass der Flachabschnitt durch mindestens
einen Schlitz in mehrere, im Stirnbereich unverbundene, Zungen geteilt ist. Hierbei
ist wesentlich, dass diese Zungen wirklich "Zungen" sind, also im Stirnbereich frei
auskragen und insofern nicht miteinander verbunden sind. Die entstehende Zungenbreite
beträgt damit maximal der Hälfte des Flachabschnittes b bzw. b/2, liegt deutlich
unter &lgr;/4-Länge in Längsrichtung und gewährleistet hierdurch, dass die Zungen
in Längsrichtung in gleicher Weise longitudinal schwingen können. Die Länge des
Schlitzes, also auch die Länge der Zungen, geht üblicherweise bis in den Übergangsbereich
hinein, allerdings nicht bis in den Basisabschnitt und entspricht zirka &lgr;/4-Länge
in Längsrichtung.
Eine weitere wichtige Abgrenzung des erfindungsgemäßen Gegenstandes
zum Stand der Technik ist, dass die Abstrahlfläche des Flachabschnittes insgesamt
bzw. der einzelnen Zungen ungewöhnlich schmal ist. Der Flachabschnitt, welcher üblicherweise
rechteckförmig ist, hat hierbei eine extrem "kurze" Seitenkante s, deren Länge (größte
Ausdehnung, gemessen am freien Ende) maximal 1/8 bis 1/12 der größten Abmessung
des Basisabschnittes quer zur z-Richtung beträgt (also der Längsachsenrichtung der
Sonotrode). Die so erzielte Verjüngung des Flachabschnittes bzw. der einzelnen Zungen
zur Abstrahlseite hin bewirkt eine zusätzliche Verstärkung der Ultraschallamplitude.
Der Verstärkungsgrad lässt sich aus dem Verhältnis der Querschnittsverringerung
der Zungenflächen am Basisteil und am Zungenende ableiten.
1Basisabschnitt2Flachabschnitt3Stirnbereich4Ankopplungsabschnitt5Schlitze6Nuten7Spitzen8aktives Ultraschallsystem9Übergangsabschnitt10Ultraschallsonotrode11Ausnehmung12Ultraschalleinrichtungx, y, zRaumrichtungenbBreitseitesSchmalseite
Mit der vorliegenden Erfindung kann auf eine kosten günstige Weise
über den Stirnbereich Ultraschall mit hoher und gleich bleibender Amplitude, Phasenlage
und Richtung abgegeben werden.
Anspruch[de]
Ultraschallsonotrode (10) zur Abstrahlung von Ultraschallenergie
in flüssige oder pastöse Medien, wobei die Ultraschallsonotrode im Wesentlichen
in Längsrichtung (z) einander abfolgend folgende Abschnitte aufweist:
– einen Ankopplungsabschnitt (4) zum Ankoppeln eines in Längsrichtung
(z) longitudinal anregenden aktiven Ultraschallsystems (8),
– einen Basisabschnitt (1), wobei die größte Abmessung des Basisabschnitts
(1) quer zur Längsrichtung (z) größer ist als die Länge des Basisabschnittes
in Längsrichtung (z),
– einen Übergangsabschnitt (9) zur Querschnittsverringerung in mindestens
einer Querschnittsfläche gegenüber dem Basisabschnitt (1) sowie
– einen Flachabschnitt (2) mit einem Stirnbereich (3) als
Abstrahlfläche, wobei der Flachabschnitt in mehrere Zungen geteilt ist.
Ultraschallsonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
diese einstückig ausgeführt ist.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass diese aus Metall ist.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Länge der Sonotrode (10) in Längsrichtung (z)
maximal 1,2 × &lgr;/2 der longitudinalen Materialwellenlänge der Sonotrode,
vorzugsweise maximal &lgr;/2 der longitudinalen Materialwellenlänge der Sonotrode
beträgt.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass am Basisabschnitt (1) Ausnehmungen (11) zur
Massen- und/oder Amplitudenanpassung vorgesehen sind, welche vorzugsweise als Bohrungen
am Umfang und/oder in Richtung der Schmalseiten des Flachabschnitts (2)
orientierte Einbuchtungen ausgeführt sind.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Übergangsabschnitt einen unstetigen oder stetigen Verlauf
hat, wobei der stetige Verlauf linear, kreisabschnittsförmig oder exponentiell ist.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der den Flachabschnitt (2) teilende Schlitz bis in
den Bereich des Übergangsabschnittes verläuft.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Flachabschnitt (2) auf seiner Breitseite eine
Ausdehnung aufweist, welche kleiner, gleich oder größer der größten Abmessung des
Basisabschnittes (1) quer zur Längsrichtung ist.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Flachabschnitt (2) quaderförmig ist oder einen
anderen Rechteckquerschnitt aufweist.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Flachabschnitt (2) im Stirnflächenbereich (3)
Nuten (6), Einfräsungen, Bohrungen oder Einschnitte aufweist.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Flachabschnitt (2) im Stirnflächenbereich (3)
mindestens eine, vorzugsweise mehrere, vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen angeordnete
stabförmige Spitzen (7) aufweist.
Ultraschallsonotrode nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Spitzen (7) aus Sonotrodenmaterial oder einem anderen Material, vorzugsweise
einem metallischen oder einem nichtmetallischem Material bestehen.
Ultraschallsonotrode nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Spitzen keine Resonanzlänge aufweisen.
Ultraschallsonotrode nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzen (7) in Längsrichtung (z) eine
Ausdehnung von maximal &lgr;/4, vorzugsweise weniger als &lgr;/8 aufweisen, wobei
sich &lgr; auf die Materialwellenlänge der Ultraschall-Sonotrode bezieht.
Ultraschallsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Basisabschnitts quer zur Längsrichtung
im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt hin stets ≥ &lgr;/4 sind und die kürzeste
Länge des Basisabschnitts in Längsrichtung < &lgr;/4 ist und der Flachabschnitt
in mehrere, im Stirnbereich unverbundene, Zungen geteilt ist.
Ultraschalleinrichtung (12), bestehend aus einer Sonotrode
(10) nach einer der vorhergehenden Ansprüche sowie einem an dem Ankoppelabschnitt
(4) ankoppelbaren aktiven Ultraschallsystem (8), wobei die größte
Querschnittsfläche des Basisteils größer ist als die Ankoppelfläche des Ankopplungsabschnitts
(4) zum aktiven Ultraschallsystem hin.
Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ankopplungsfläche des Ankoppelabschnittes (4) 0,8–1,2, vorzugsweise
0,9–1,1 der Ankopplungsfläche des aktiven Systems beträgt.
Ultraschalleinrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei
das aktive Ultraschallsystem (8) so ausgeführt ist, dass es Längsschwingungen
im Bereich zwischen 16 bis 50 kHz, vorzugsweise im Bereich zwischen 18 und 22 kHz
erzeugt.
