DE1951075A1

DE1951075A1 - Supersonic transmitter coupling system for liquid materials

Info

Publication number: DE1951075A1
Application number: DE19691951075
Authority: DE
Inventors: Antonevich John N
Original assignee: Blackstone Corp
Current assignee: Valeo Engine Cooling Inc
Priority date: 1969-01-02
Filing date: 1969-10-10
Publication date: 1970-07-23
Also published as: US3561734A; FR2027628A1; GB1257977A

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD . Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, KölnDr. Ing.E. BERKENFELD. Dipl.-Ing. H. BERKENFELD, patent attorneys, Cologne

Anlage AktenzeichenAttachment file number

zur Eingabe vom 9. Oktober 1969 Sch// Name d. Anm. Blackstone Corporation on the submission of October 9, 1969 Sch // Name d. Note Blackstone Corporation

Überschallübertrager-Kupplungssystern für flüssige Materialien.Supersonic coupling system for liquid materials.

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallübertrager-Kupplungssystem für flüssige Materialien und insbesondere ein Verfahren zum Befestigen von Übertragern an Behältern für Flüssigkeiten. gThe invention relates to an ultrasonic transducer coupling system for liquid materials and, more particularly, to a method for attaching transmitters to containers for liquids. G

Die Kupplung von Ultraschallübertragern mit Flüssigkeiten, wie z.B. Lösungsmitteln in einem Reinigungstank oder einer Metallschmelze in einem Tiegel und ähnlichen Flüssigkeiten in einem Behälter bildet ein Problem hinsichtlich der Zuverlässigkeit, der Energieübertragung und der Zusammensetzungsverfahren im Hinblick auf die üblichen Verfahren der Befestigung von Übertragern an Flüssigkeitsbehältern. Das derzeit übliche Verfahren, . das zur Befestigung von Übertragern an Behältern, verwendet wird, besteht darin, einen übertrager an seiner Stelle maximaler Geschwindigkeit mittels Klebstoff oder metallurgisch an den Behältern für die zu beschallenden Flüssigkeiten zu befestigen. Den Klebstoffbefestigungen mangelt die Zuverlässigkeit wegen der ge- ' ringen mechanischen Dauerhaftigkeit, der thermischen Bruchbeanspruchung und der Unverträglichkeit mit flüssigen Lösungsmitteln, was zu einer verringerten Kupplung oder einem vollständigen Loslösen des oder der übertrager führt. Es wurde gefunden, daß metallurgisch befestigte Übertrager einen verhältnismäßig hohen Grad von Zuverlässigkeit aufweisen, was die Befestigung betrifft. Die höhen Lot- oder Sohweißtemperaturen bewirken jedoch ein Verziehen und metallurgische Veränderungen, welche die mechanische Dauerhaftigkeit des Behälters verringern, so daß Versagen infolge von Ermüdung und dergleichen eintritt. Diese bekannten Verfahren erfordern für erfolgreiche Befestigungen auch Haltevorrichtungen, Bearbeitungamasohinön und besondere. Be-The coupling of ultrasonic transducers to liquids, such as solvents in a cleaning tank or molten metal in a crucible and similar liquids in a container, poses a problem in terms of reliability, energy transfer and assembly methods with regard to the usual methods of attaching transducers to liquid containers. The current practice,. that is used to attach transmitters to containers, consists in attaching a transmitter in its place at maximum speed by means of adhesive or metallurgically to the containers for the liquids to be sonicated. The adhesive fasteners lack reliability because of the overall 'rings mechanical durability, thermal stress at break and of incompatibility with liquid solvents, which of the transmitter or results in a reduced or complete clutch disengagement. It has been found that metallurgically attached transmitters have a relatively high degree of reliability in terms of attachment. However, the high solder or solder temperatures cause warpage and metallurgical changes which reduce the mechanical durability of the container, so that failure due to fatigue and the like occurs. These known methods also require holding devices, machining amasohinones, and special ones for successful fastenings. Loading

B ib/a' 0QS830/1083 "¹"B ib / a '0QS830 / 1083 " ¹ "

B ORKSiNALB ORKSINAL

Handlungsweisen. Das übliche Verfahren der Befestigung von Übertragern an ihrer äußeren Schwingungsschleife der Verschiebung an einem Behälter erfordert zwecks optimaler Kupplung, daß die Übertrager im richtigen Abstand voneinander liegen, um eine gegenseitige Einwirkung zwischen den Übertragern zu vermeiden. Dieser Abstand ist nicht leicht zu bestimmen und erfordert im allgemeinen eine empirische Feststellung.Courses of action. The usual method of attaching transducers to their outer vibrational loop is the displacement a container requires for the purpose of optimal coupling that the transmitter are at the correct distance from one another in order to avoid mutual interference between the transformers. This distance is not easy to determine and generally requires empirical determination.

Die vorliegende Erfindung sieht die Anordnung von Übertragern und ein Vetffahren zum Kuppeln derselben mit einer Flüssigkeit vor, welche die vorstehend angegebenen bekannten Probleme eliminieren. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Ausgang des Übertragers oder der Übertrager direkt mit der zu beschallenden Flüssigkeit gekuppelt wird, wobei ein zusammengesetzter Übertrager an dem Behälter in einer Ebene mit einer geringen Teilchenverschiebung befestigt wird, indem die Behälterwand in der gewünschten Ebene mea^chniseh festgeklemmt wird.The present invention provides for the arrangement of transmitters and a method of coupling them to a liquid, which eliminate the known problems noted above. This is achieved according to the invention in that the output of the transmitter or the transmitter is coupled directly to the liquid to be sonicated, with a composite transmitter on the container in a plane with little particle displacement is attached by clamping the container wall in the desired plane mea ^ chniseh.

Vorzugsweise ist eine Behälterwand vorgesehen, die mit einer öffnung versehen ist, eine Übertragermasse auf jeder Seite der Wand an der öffnung und Verbindungsmittel, die durch die öffnung hindurchgehen und die Massen miteinander verbinden, sowie ein Erregerelement, das gegen eine der Massen anliegt. Das Errege«Lement ist vorzugsweise ein piezoelektrisches Element, das an der außerhalb des Behälters befindlichen Masse befestigt ist, und zwar entweder zwischen der Masse und der Behälterwand oder an dem Bh von der Wand abgekehrten Ende der Masse oder das zwischen Massen festgeklemmt ist, die außerhalb des Behälters eine zusammengesetzte Masse bilden. Das Verbindungsmittel zwischen den Massen ist vorzugsweise ein Gewindebolzen., Bei der Ausbildung des Übertragers kann ein magneetostriktives Element verwendet werden» Die bevorzugte Stelle seiner Befestigung befindet sich an dem von der Wand abgekehrten Ende der Masse. Zwisohen der innerhalb des Behälters befindlichen Masse und der Behälterwand können Diohtungseinrich"-fcungen angeordnet werden«A container wall is preferably provided which has an opening is provided, a transmitter mass on each side of the wall at the opening and connecting means that pass through the opening and connect the masses with each other, as well as an excitation element, that is against one of the masses. The excitement «Lement is preferably a piezoelectric element attached to the mass outside the container, either between the mass and the container wall or at the end of the mass facing away from the wall or that clamped between masses which form a composite mass outside the container. The connecting means between the masses is preferred a threaded bolt., When training the transformer a magnetostrictive element can be used »The preferred The place of its attachment is on that of the wall remote end of the crowd. Between the inside of the container located mass and the container wall can Diohtungseinrich "-fcungen to be ordered"

Ein Ültraschallübertrager-Kupplungssystem für- flüssige Materialien innerhalb eines mit einer WaM versehenen BehElters kuppelt somit den Ausgang der-Übertrager durch cli© Behälterwand direkt-mit derAn ultrasonic transmitter coupling system for liquid materials within a container provided with a WaM thus couples the output of the -transformer through the cli © container wall directly-with the

^{B 11}5/2 ^; GÖS830/1ÖS3 ^{B 11} 5/2 ^; GÖS830 / 1ÖS3

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

zu beschallenden Flüssigkeit, indem die Behälterwand in einer Ebene mit geringer Teilchenverschiebnng mechanisch festgeklemmt wird.liquid to be sonicated by placing the container wall in one plane is clamped mechanically with little particle displacement.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher zeigt:Further features and advantages emerge from the following description with reference to the drawing, which shows:

Fig. 1 im teilweisen Längsschnitt einen Behälter für Flüssigkeiten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,Fig. 1 in partial longitudinal section a container for liquids according to one embodiment of the invention,

Fig. 2 im teilweisen Längsschnitt einen Ultraschall-Reinigungstank gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,Fig. 2 in partial longitudinal section an ultrasonic cleaning tank according to a second embodiment of the invention,

Fig. 3 im teilweisen Längsschnitt einen Tiegel für Metallschmelze gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. 3 shows, in partial longitudinal section, a crucible for molten metal according to a third embodiment of the invention.

In Fig. 1 ist ein Behälter 10 dargestellt, der eine mit einer öffnung 12 versehene Bodenwand 11 aufweist. Eine Übertragermasse 13* die mit einer zentralen Gewindebohrung 14 versehen ist, ist auf der Innenseite des Behälters an der öffnung 12 angeordnet. Eine zweite Übertragermasse 15 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Wand 11 angeordnet. Diese zweiteMasse 15 ist mit einer zentralen Gewindebohrung 16 versehen, welche einen Gewindebolzen 17 aufnimmt, der durch die öffnung 12 hindurchgeht und in die Gewindebohrung 14 der Masse 13 eingeschraubt ist. Die beiden Massen werden mittels des Bolzens 17 gegen die Bodenwand 11 fest angezogen, um die öffnung 12.abzudichten. Ein Erregerelement 18, das ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Element sein kann, ist an der äußeren Masse 15 befestigt. Wenn das Element elektrisch oder magnetisch erregt wird, wird dasselbe die zusammengesetzte Einheit und die Flüssigkeit 19 innerhalb des Behälters mit einer feststellbaren Resonanzfrequenz antreiben. Die Längsschwingung der zusammengesetzten Einheit, die aus der inneren Masse I3, der äußeren Masse 15 und dem Erregerelement 18 besteht, beträgt wenigstens eine halbe Wellenlänge oder eine Vielzahl von halben Wellenlängen, wobei die Behälterwand 11 in einer Ebene der geringen Verschiebung der Teilchen aqgeordnet ist.In Fig. 1, a container 10 is shown, which one with an opening 12 has bottom wall 11 provided. One transfer mass 13 * which is provided with a central threaded hole 14 is arranged on the inside of the container at the opening 12. One second transfer mass 15 is arranged on the opposite side of wall 11. This second mass 15 has a central one Provided threaded hole 16 which receives a threaded bolt 17 which passes through the opening 12 and into the threaded hole 14 of the mass 13 is screwed. The two masses will Tightened firmly against the bottom wall 11 by means of the bolt 17 in order to seal the opening 12. An excitation element 18, which is a can be piezoelectric or magnetostrictive element is attached to the external mass 15. If the element is electrical or magnetically excited, the same is the composite unit and the liquid 19 within the container with a drive detectable resonance frequency. The longitudinal oscillation of the assembled unit, consisting of the inner mass I3, the outer Mass 15 and the exciter element 18 is at least half a wavelength or a plurality of half wavelengths, wherein the container wall 11 is arranged in a plane of the slight displacement of the particles.

B 115/2 -3-B 115/2 -3-

009830/1053 WOBWMM009830/1053 WOBWMM

Fig. 2 zeigt einen zusammengesetzten Übertrager und dessen Befestigung an einem Ultraschall-Reinigungstank 30, der eine mit einer öffnung 32 versehene Bodenwand 31 aufweist. Eine Übertragermasse 33, die mit einer zentralen Gewinde bohrung 34 versehen ist, ist oberhalb der öffnung 32 im Inneren des Tanks angeordnet. Eine zweite Übertragermasse 35 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Wand 31 vorgesehen, wobei zwischen der Masse 35 und der Wand 31 zwei scheibenartige piezoelektrische Elemente 36 und 37 angeordnet sind. Die beiden piezoelektrischen Elemente sind mit gemeinsamen Elektroden 38 und 38a versehen für die Verbindung mit den Hochspannungsklemmen bzw.den Erdanschlußklemmen einer elektrischen Wechselstromquelle. Ein Gewindebolzen 39 greift in die Gewindebohrung 34 der Masse 33 ein und ist nach dem Durchgang durch die öffnung 32 und die Elemente 36, 37 in die Gewinde bohrung 40 der Masse 35 eingeschraubt. Auf den Bolzen 39 wird ein Drehmoment zur Einwirkung gebracht, um die piezoelektrischen Elemente 36, 37 vorzusepannen und eine Abdichtung zwischen der Masse 33 und der Bodenwand 31 zu bewirken.-Um eine Abdichtung zu gewährleisten, ohne die Elemente 36, 37 übermäßig vorzuspannen, kann in einer Ringnut 42 der Masse 33 eine Dichtungsring 41 zusammen mit einer Unterlagsscheibe 43 aus Weichmetall angeordnet werden. Vorzugsweise wird die Bodenwand 3I derart angeordnet, daß dieselbe die Knotenebene der Verschiebung der zusammengesetzten Einheit bildet, um die Kupplungsschwingungen der Bodenwand auf ein Mindestmaß herabzusetzen.2 shows an assembled transmitter and its attachment to an ultrasonic cleaning tank 30 which has a bottom wall 31 provided with an opening 32. A transfer mass 33, which is provided with a central threaded bore 34, is arranged above the opening 32 in the interior of the tank. A second transmitter mass 35 is provided on the opposite side of the wall 31, two disk-like piezoelectric elements 36 and 37 being arranged between the mass 35 and the wall 31. The two piezoelectric elements are provided with common electrodes 38 and 38a for connection to the high-voltage terminals or the earth connection terminals of an electrical AC power source. A threaded bolt 39 engages in the threaded bore 34 of the mass 33 and, after passing through the opening 32 and the elements 36, 37, is screwed into the threaded bore 40 of the mass 35. A torque is applied to the bolt 39 in order to preload the piezoelectric elements 36, 37 and to effect a seal between the mass 33 and the bottom wall 31. In order to ensure a seal without excessively prestressing the elements 36, 37, In an annular groove 42 of the compound 33, a sealing ring 41 can be arranged together with a washer 43 made of soft metal. The bottom wall 3I is preferably arranged in such a way that it forms the nodal plane of the displacement of the assembled unit in order to reduce the coupling vibrations of the bottom wall to a minimum.

Fig. 3 zeigt einen Tiegel 50 für die Metallschmelze 51, der eine mit einer öffnung 53 versehene Wand 52 aufweist. Bei dieser Anwendung beträgt die Längsschwingung des zusammengesetzten Übertragers eine gewählte Anzahl von halben Wellenlängen. Der Übertrager besteht aus den Teilen 54 und 55, die durch den Gewindebolzen 56 miteinander verbunden sind, der durch die öffnung 53 hindurchgeht. Der Teil 55 ist ein aus feuerfestem Metall bestehender Geschwindigkeitsumwandler, der eine Länge von einer oder mehreren halben Wellenlängen aufweist. Derselbe ist zur wirksamen Kupplung der akustischen Kraft mit der Metallschmelze aus- ^ gebildet und wirkt als eine thermische Schranke zwischen der Metallschmelze und den temperaturempfindlichen ErregensLementen 57 und 58 des Überträgers*.'' Der Teil 54 ist ein 1/4 Wellenlänge lan-Fig. 3 shows a crucible 50 for the molten metal 51, the one has a wall 52 provided with an opening 53. In this application the longitudinal oscillation of the composite transducer is a selected number of half wavelengths. The transmitter consists of parts 54 and 55, which are held by the threaded bolt 56 are connected to one another, through the opening 53 passes through. Part 55 is a refractory metal speed transducer which is one in length or several half wavelengths. The same is used for the effective coupling of the acoustic force with the molten metal and acts as a thermal barrier between the molten metal and the temperature-sensitive excitation elements 57 and 58 of the transmitter *. '' Part 54 is a 1/4 wavelength long

B 115/2 ' -4-B 115/2 '-4-

009830/1053009830/1053

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

ger Metallteil, der eine akustische Impedanz zwischen der Metallschmelze 51 und dem feuerfesten Teil 55 bildet. Eine Masse 59 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Elemente 57> 58 angeordnet und mit dem Teil 55 durch einen Bolzen oder andere bekannte Mittel verbunden, um die Elemente vorzuspannen. Die Masse 59 und die Elemente 57, 58 sind 1/4 Wellenlänge lang. Für die Elemente 57 und 58 sind Elektroden 60 und 61 vorgesehen, um dieselben elek-.. trisch zuferregen und die zusammengesetzte Übertragereinheit anzutreiben. ger metal part that creates an acoustic impedance between the molten metal 51 and the refractory part 55 forms. A mass 59 is on the opposite side of the elements 57> 58 arranged and to the part 55 by a bolt or other known Means connected to prestress the elements. The mass 59 and the elements 57, 58 are 1/4 wavelength long. For the elements 57 and 58, electrodes 60 and 61 are provided to the same elec- .. trisch to excite and to drive the assembled transmitter unit.

Claims

-5-009830/1063-5-009830 / 1063

Claims

Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BEkKENFELD, Patentanwälte, KölnDr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BEkKENFELD, patent attorneys, Cologne

Anlage AktenzeichenAttachment file number

on the entry of October 9, 1969 Sch // »*« «» «« ■ Note Blackstone Corporation

Claims

Ultrasonic coupling system for liquid Materials characterized by a container having a wall with at least one opening in the same a transmitter ground on each side of the wall at this opening, one inside and one outside of the container by connecting means which pass through the opening and connect the masses to one another, as well as by an excitation element for the transmitter, which rests against one of the masses .

2. System according to claim 1, characterized in that the excitation element for the transmitter is a piezoelectric Element is attached to the mass located outside the container wall at the end remote from the container is.

3. System according to claim 1, characterized in that that the excitation element for the transmitter is a magnetostrictive element which is located on the outside of the container wall Mass attached to the end remote from the container is.

4. System according to claim 1, characterized in that the excitation element for the transmitter is a piezoelectric Is an element which is clamped between the container wall and the mass located outside the container.

5. System according to claim 1, characterized in that the transfer mass on the inside of the container 1/4 Wavelength is long and an acoustic impedance between the

B 115/2 009830/1053 * ⁶ "

ORIGINAL

forms liquid material and the transfer mass on the outside of the container.

6. A method for coupling a transmitter to a liquid, characterized by the following steps:

a) that a container for the liquid has a wall which is provided with at least one opening,

b) that a transmitter mass is arranged on each side of the container wall at this opening, one inside and one outside the container, the masses passing through the opening are connected to each other,

c) that an excitation element for the transformer on the outside of the container located mass is attached and

d) that an excitation force is applied to the excitation element for the transformer is exercised.

B 115/2 _ ₇ _

009830/10 5 3009830/10 5 3

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