DE2749859C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallzerstäuber mit einem rückwärtigen ersten Abschnitt bestehend aus einem rückwärtigen Teilabschnitt und einem vorderen vibrations­ fähigen Teilabschnitt, zwischen denen ein Ultraschall- Treiber eingespannt ist, mit einem vom vorderen Ende des vorderen Teilabschnitts ausgehenden zweiten Abschnitt, der einen Teilabschnitt mit geringerem Durchmesser und einen an dessen vorderem Ende angeordneten Flansch auf­ weist, dessen äußere Oberfläche als Zerstäuberoberfläche dient, sowie mit einer Bohrung zur Abgabe einer zu zerstäubenden Flüssigkeit an die Zerstäuberoberfläche.

Ein derartiger Ultraschallzerstäuber ist aus der US-PS 38 61 852 bekannt geworden. Er weist jedoch den Nachteil auf, daß die Anpassung der Schwingungsfrequenz des Treiberabschnitts an seine Resonanzfrequenz nicht optimal ist, wodurch der Wirkungsgrad verschlechtert und die Lebensdauer des piezoelektrischen Antriebselements ver­ ringert wird.

Bei der Konstruktion von Ultraschallwandlern für die Zerstäubung von Flüssigkeiten wird ein vereinfachtes theoretisches Modell angenommen, bei dem der Wandler als eindimensionale Übertragungsleitung behandelt wird.

Der tatsächlich aufgebaute Ultraschallwandler zeigt dann jedoch Abweichungen vom theoretischen Modell. Diese Abweichungen sind u. a. auf folgende Faktoren zurückzu­ führen: Die endlichen Querabmessungen der Teile des Wandlers erzeugen noch andere Schwingungen als die Longi­ tudinalschwingungen, z. B. Schwingungen in senkrechter Richtung hierzu, die ungleichförmigen Befestigungen, die wenig geeigneten Dichtungsmittel, der Druck auf die Ultraschallkristalle und die Fehlanpassung zwischen den in Verbindung miteinander stehenden Teile durch Uneben­ heiten.

Die Abweichungen der tatsächlichen Anordnung vom theoretisch berechneten Modell führen zu inneren Verlusten in der Wandleranordnung und verringern somit den mecha­ nischen Gütefaktor.

Der bei der Konstruktion solcher Wandleranordnungen des Standes der Technik eingeschlagene Weg zur Erzielung eines möglichst hohen Q-Wertes bestand darin, Materialien und Bauteile wie Versorgungsleitungen, Befestigungsteile, Dichtungen usw. von solcher Art zu verwenden und so anzuordnen, daß die durch Abweichungen vom theoretischen Modell entstehenden Verluste gering gehalten werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzu­ bilden, daß durch eine möglichst gute Anpassung der Schwingungsfrequenz des Treiberabschnitts an seine Resonanzfrequenz eine lange Lebensdauer des piezoelek­ trischen Antriebselements erreicht und durch Optimierung der gegenständlichen Ausbildung des Zerstäuberabschnitts eine möglichst große Amplitude an der Zerstäuberfläche erzielt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die theoretische Resonanzfrequenz des zweiten Abschnitts an die empirisch-gemessene Resonanzfrequenz des ersten Abschnitts angepaßt ist, und der zweite Abschnitt eine halbe Wellenlänge lang ist, und daß die Längen des Teilabschnitts und des Flansches mit den Einzellängen B und C kleiner sind als die Länge A des Restabschnitts des zweiten Abschnitts.

Der Ultraschallzerstäuber zeichnet sich ferner dadurch aus, daß der erste Abschnitt bei der Resonanzfrequenz eine halbe Wellenlänge lang ist.

Vorzugsweise weist der Ultraschallzerstäuber Dichtungen aus einem kompressiblen Material auf, die jeweils eine der piezoelektrischen Platten zwischen dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt umgeben, wobei diese Dichtungen an ihrem inneren Umfang im nicht zusammengedrückten Zustand etwa die gleiche Form aber einen etwa größeren Durchmesser als der Umfang der piezoelektrischen Platten aufweisen.

Gemäß einer vorteilhaften Konstruktion ist für eine Zufuhr von Flüssigkeit zur Zerstäuberoberfläche eine sich durch den zweiten Abschnitt nach der Zerstäuberoberfläche erstreckende Bohrung vorgesehen, in der eine Manschette angeordnet ist, die sich bis in den Bereich der Zerstäuberoberfläche erstreckt und durch die die innere Oberfläche der Bohrung und die Flüssigkeit entkoppelt werden.

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung, die ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung zeigt, erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Wandleranordnung gemäß der Erfindung mit einer ersten Teilschnittansicht des ersten Abschnittes der Wandleranordnung;

Fig. 2 eine Ansicht einer Wandleranordnung gemäß der Erfindung mit einem zweiten Abschnitt in Querschnittansicht und

Fig. 3 eine Querschnittansicht einer vollständigen Wandleranordnung gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitt.

In der Zeichnung gemäß Fig. 1 bis 3 ist ein Wandler dargestellt, der es neben einer Reihe von Vorteilen ermöglicht, daß ein Maximalwert des Q-Faktors erreicht wird. Er enthält einen ersten Halbwellen-Wandlerabschnitt mit einem Antriebselement und zwei identischen Schall­ abstrahlern, so daß eine Formgebung von symmetrischer Geometrie in bezug sowohl auf die Längsachse als auch in einer Ebene senkrecht zur Längsachse gegeben ist. Dieser erste Wandlerabschnitt wird als Doppel-Versuchsabschnitt bezeichnet.

Im nächsten Schritt wird entsprechend dem Entwurf des ersten Abschnittes ein echter Doppel-Versuchsabschnitt aufgebaut, und dann wird die Resonanzfrequenz des ersten Abschnittes gemessen. Anschließend wird ein zweiter Abschnitt (Fig. 2) hinzugefügt, der eine Verstärkungs­ abstufung und eine Zerstäuberoberfläche enthält mit einer theoretisch berechneten Resonanzfrequenz, die an die empirisch gemessene Frequenz des ersten Teils angepaßt ist. Dann wird ein vollständiger Wandler für einen Flüssigkeitszerstäuber konstruiert (Fig. 3), welcher den ersten und zweiten Abschnitt miteinander kombiniert, wobei der Wandler für einen maximalen Q-Wert ausgelegt ist und eine wirtschaftliche Zerstäubung von Flüssigkeit ermöglicht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, enthält der erfindungsgemäße Ultraschallzerstäuber einen ersten Abschnitt 11 mit einem vorderen vibrationsfähigen Teilabschnitt 12 A und einen rück­ wärtigen Teilabschnitt 13 als Ultraschallabstrahler sowie einen Ultraschall-Treiber 14 mit einem Paar piezoelektrischer Platten 15, 16 und einer zwischen diesen Platten angeord­ neten Elektrode 18, die durch elektrische Energie hoher Frequenz, eingespeist an der Klemme 18 a, erregt wird. Der Ultraschall-Treiber 14 ist zwischen den Flanschen 19 und 20 der Teilabschnitte 12 A und 13 angeordnet und mit diesen mit Hilfe von Befestigungselementen verbunden, die einen Montagering 21 (zum Anbringen des Wandlers an anderen Geräten) sowie mehrere Befestigungsbolzen 22 aufweisen, die durch entsprechende Bohrungen in der Elektrode 18, den Flanschen 19 und 20 in Gewindebohrungen des Montageringes 21 eingeschraubt sind. Die Befestigungsbolzen 22 sind von der Elektrode 18 durch Isolatoren 23 elektrisch isoliert.

Der erste Abschnitt 11 enthält ferner eine Leitung 24 zum Einführen der Flüssigkeit in einen Kanal innerhalb des Ultra­ schallzerstäubers sowie Dichtungen 26 und 27, die zwischen den Flanschen 19 und 20 eingepreßt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Teilabschnitte 12 A und 13 und die Flansche 19 und 20 aus gut schalleitendem Material, wie Aluminium, Titan oder Magnesium oder Verbindungen dieser Stoffe, wie z. B. Ti-6Al-4V Titan-Aluminium-Legierung, 6061-T6 Aluminium-Legierung, 7025 hochfeste Aluminium-Legierung, AZ 61 Magnesium-Legierung u. ä. Die Platten 15 und 16 bestehen aus Blei-Zirkonium-Titanat oder aus Lithiummiobat. Die Elektrode 18 besteht aus Kupfer, die Anschlußklemme 18 a, der Montagering 21 und die Verbindungsbolzen 22 aus Stahl, die Isolatoren 23 aus Nylon, Tetrafluoräthylen oder anderen Kunststoffen mit guten elektrischen Isolationseigenschaften, und die Dichtungen 26 und 27 aus Silikongummi.

Der erste Abschnitt 11 besitzt eine symmetrische Halbwellen­ geometrie. Die Eigenfrequenz dieses Abschnittes 11 wird dann für den maximalen Wert von Q gemessen. Eine typische, für wirksame Zerstäubung verwendete Frequenz ist 85 kHz.

Wie man aus Fig. 2 erkennt, wird ein zweiter Abschnitt 29 als Halbwellen-Abschnitt zu dem ersten Abschnitt 11 hinzugefügt. Der Abschnitt 29 enthält einen Teilabschnitt 12 B mit größerem Durchmesser sowie einen Teilabschnitt 30 mit kleinerem Durch­ messer, wodurch eine Abstufung 31 mit Verstärkungswirkung gebildet wird, sowie einen Flansch 32 am vorderen Ende mit Zerstäuberoberfläche 33, einem Kanal 34 für die Zufuhr der Flüssigkeit nach der Zerstäuberoberfläche 33 und eine in dem Kanal 34 angebrachte Entkopplungsmanschette 35. Diese Ent­ kopplungsmanschette besteht aus Tetrafluoräthylen und bildet eine akustische Entkopplung von der Oberfläche des Kanals 34.

Die theoretische Resonanzfrequenz wird dabei so ausgewählt, daß sie der tatsächlichen Eigenresonanzfrequenz des ersten Abschnittes 11 entspricht.

Zur Vervollständigung der Konstruktion werden die beiden Abschnitte 11 und 29 einstückig hergestellt und ergeben so eine Wandleranordnung (Fig. 3), die für einen maximalen Wert von Q und für eine Verwendung bei einer wirkungsvollen Zerstäubung von Flüssigkeiten optimal aufgebaut ist.

Die bisher bekannten Wandleranordnungen mit Ultraschallzer­ stäubern von Flüssigkeit waren mit einer mit Flansch versehenen Spitze 32 und einer Zerstäuberoberfläche 33 versehen. Die mit Flansch versehene Spitze erhöht und verbessert die Zerstäubung wegen der vergrößerten Zerstäuberoberfläche 33.

Durch einen solchen zusätzlichen Flansch wurde jedoch der Wirkungsgrad des Zerstäubers verringert.

In Fig. 2 ist die Länge des stirnseitigen Teilabschnittes 12 B mit A bezeichnet, die Länge des einen geringeren Durchmesser aufweisenden Teilabschnittes 30 mit B und die Dicke des Flansches 32 mit C gekennzeichnet. Bei solchen Anordnungen, die keinen Flansch verwenden, beträgt der Quotient A/B=1, weil diese beiden Teilabschnitte Viertelwellenlängen-Teil­ abschnitte sind. Es sind auch Anordnungen bekannt, die einen Flansch verwenden, und bei denen = 1 gilt.

Es wurde gefunden, daß bei einer darartigen Geometrie, bei der der Quotient gleich 1 gehalten wird, selbst bei Verwendung eines Flanches der Wirkungsgrad verringert und die Energie­ übertragung beeinträchtigt wird. Wenn man aber das Verhältnis < 1 beibehält, dann kann der Wirkungsgrad auf der Höhe des Wertes ohne Flansch gehalten werden.
Ist

D₃ der Querschnitt des Flansches 32,
D₂ der Querschnitt des Teilabschnittes 30 und

so gleicht sich der Wirkungsgrad der Einrichtung mit Flansch demjenigen der Einrichtung ohne Flansch an. Diese Berechnung ist anwendbar auf Einrichtungen aus Aluminium, Titan, Magnesium und die vorstehend erwähnten Legierungen und geht von der Annahme aus, daß für beide Materialien etwa die gleiche Schallgeschwindigkeit gilt. Für andere Materialien mit ver­ schiedenen Schallgeschwindigkeiten wird das Verhältnis unterscheiden, aber stets größer sein als 1.

Die Langzeit-Betriebssicherheit der Anordnung wird erheblich gesteigert, wenn die Platten 15, 16 abgedichtet werden, da dann eine Verschmutzung durch die Flüssigkeit nicht möglich ist. Der Raum zwischen den Flanschen 19, 20 wird mit einer Silikon-Gummi-Mischung ähnlich den Dichtungen 26, 27 aus­ gefüllt. Durch Kriechströme in der Flüssigkeit nach den Stirnflächen der Platten 15 und 16 wurden deren Wirksamkeit beeinträchtigt und dadurch die Langzeit-Betriebssicherheit des Zerstäubers verschlechtert. Außerdem wird hierdurch die mechanische Kopplung zwischen den Schwingern beeinträchtigt. Die Dichtungen 26 und 27 lösen das Problem, und die Zerstäubung wird durch diese zusätzliche Masse nicht beeinträchtigt. Dies hat sich durch eingehende Messungen der Impedanz, der Betriebsfrequenz und der Verschiebung der Flansche bestätigt. Die durch die Abdichtung der Platten 15 bedingte höhere innere Erwärmung verringert nicht die Lebensdauer des Zerstäubers, da diese inneren Temperaturen noch unter der maximalen Betriebs­ temperatur für piezoelektrische Kristalle liegen. Die Dichtungen 26, 27 bestehen aus kompressiblem Material und haben einen Innenumpfang, der demjenigen des äußeren Umfanges der Platten 15, 16 entspricht, anfangs aber etwas größer ist, so daß der Innenumpfang der Dichtungen 26, 27 in leichte Berüh­ rung mit dem Außenumpfang der Platten 15, 16 kommt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine vorzeitige Zerstäubung der Flüssigkeit in der nach der Zerstäuberoberfläche führenden Leitung vermieden wird. Eine solche vorzeitige Zerstäubung erzeugt Luftblasen innerhalb der Leitung, welches zu Blasen innerhalb der Zuleitung führt. Diese Blasen gelangen zu der Zerstäuberoberfläche und bewirken dort eine kurzzeitige Unterbrechung des Zuflusses von Flüssigkeit auf einem Teil der Fläche, so daß keine gleich­ mäßige Verteilung der Flüssigkeit auf dieser Fläche statt­ finden kann. Diese Blasen können sich für kurze Zeit auf der Zerstäuberoberfläche halten, so daß die Fläche unterhalb der Blasen während dieser Zeit nicht mit Flüssigkeit benetzt wird.

Dieser Nachteil wird behoben, wenn man eine Entkopplungs­ manschette 35 innerhalb der Zuführungsleitung 34 vorsieht, welche bis etwa 0,8 mm vor die Zerstäuberoberfläche 33 reicht. Die Entkopplungsmanschette besteht aus Kunststoff und ist im Preßsitz in die Leitung 34 eingesetzt, die bis zum Teilabschnitt 12 B mit größerem Querschnitt führt. Der Unterschied in den akustischen Übertragungseigenschaften zwischen dem Material der Entkopplungsmanschette 35 und dem Abschnitt 29 ist derart, daß die Vibrationsbewegung des Abschnitts 29 nicht auf die Flüssigkeit innerhalb der von der Entkopplungsmanschette 35 umschlossenen Zuführungsleitung 34 übertragen wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der gleich­ mäßigen Zerstäubung der Flüssigkeit an der Zerstäuberober­ fläche des Ultraschallzerstäubers. Die nicht gleichmäßige Verteilung oder Zerstäubung war teilweise darauf zurückzu­ führen, daß sich die Zerstäuberspitze während der Vibration durchbiegt, und daß die nicht gleichmäßige Verteilung ver­ ringert wird, wenn die Stirnfläche des Flansches oder die Zerstäuberoberfläche 33 sich wie eine feste, schallharte Ebene bewegen. Die Zerstäuberoberfläche bewegt sich durch eine Ver­ größerung der Dicke des Flansches 32 wie eine feste Ebene, so daß der Flansch 32 und die Zerstäuberoberfläche 33 während der Vibration starr bleiben. Bei einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel beträgt die Dicke des Flanches 32 etwa 1,25 mm.

Die Erfindung kann für die Zerstäubung vieler verschiedener Flüssigkeiten, wie z. B. Heizöl, Brennstoffe für Düsentrieb­ werke, oder auch für Wasser verwendet werden.

Claims (4)

1. Ultraschallzerstäuber mit einem rückwärtigen ersten Abschnitt (11) bestehend aus einem rückwärtigen Teilabschnitt (13) und einem vorderen vibrations­ fähigen Teilabschnitt (12 A), zwischen denen ein Ultraschall-Treiber (14) eingespannt ist, mit einem vom vorderen Ende des vorderen Teilabschnitts (12 A) ausgehenden zweiten Abschnitt (29), der einen Teil­ abschnitt (30) mit geringerem Durchmesser und einen an dessen vorderen Ende angeordneten Flansch (32) aufweist, dessen äußere Oberfläche als Zerstäuber­ oberfläche (33) dient, sowie mit einer Bohrung (34) zur Abgabe einer zu zerstäubenden Flüssigkeit an die Zerstäuberoberfläche (33), dadurch gekennzeichnet, daß die theoretische Resonanzfrequenz des zweiten Abschnittes (29) an die empirisch-gemessene Resonanz­ frequenz des ersten Abschnitts angepaßt ist, und der zweite Abschnitt eine halbe Wellenlänge lang ist, und daß die Längen des Teilabschnitts (30) und des Flansches (32) mit den Einzellängen B und C kleiner sind als die Länge A des Restabschnitts (12 B) des zweiten Abschnitts (29).

2. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Abschnitt (11) bei der Resonanz­ frequenz eine halbe Wellenlänge lang ist.

3. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Dichtungen (26, 27) aus einem kompressiblen Material vorgesehen sind, die jeweils eine der piezoelektrischen Platten (15, 16) zwischen dem ersten (13) und dem zweiten Teilabschnitt (12 A) umgeben, wobei diese Dichtungen an ihrem inneren Umfang im nicht zu­ sammengedrückten Zustand etwa die gleiche Form aber einen etwas größeren Durchmesser als der Umfang der piezoelektrischen Platten aufweisen.

4. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Zufuhr von Flüssig­ keit zur Zerstäuberoberfläche (33) eine sich durch den zweiten Abschnitt (29) nach der Zerstäuberoberfläche erstreckenden Bohrung (34) vorgesehen ist, und daß in dieser Bohrung eine Manschette (35) angeordnet ist, die sich bis in den Bereich der Zerstäuberoberfläche erstreckt, und durch die die innere Oberfläche der Bohrung und die Flüssigkeit entkoppelt werden.