DE2415481C3 - Ultraschallgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallgene-

JO rator mit einem Ultraschallfrequenz-Oszillator, einem elektromechanischen Ultraschallwandler zum Umformen von vom Oszillator erzeugten elektrischen Schwingungen in mechanische Longitudinalschwingungen, einem fest mit dem Ausgangsende des Ultraschall- wandlers verbundenen Verstärker für Ultraschallschwingungen und einem mit dem Verstärker verbundenen Ultraschallschwinger.

Ein solcher aus der US-PS 27 25 219 bekannter Ultraschallgenerator wird zur Behandlung von Chemi kalien bei.utzt, wobei eine möglichst große Menge der Ultraschallenergie innerhalb eines kleinen, hochkonzentrierten Bereiches einer Strömung konzentriert werden soll, um die chemische Reaktion oder eine Änderung des physikalischen Zustandes der Strömungsbestandteile zu bewirken. Zu diesem Zweck weist der bekannte Ultraschallgenerator ein Rohr auf, durch das die zu behandelnde Strömung hindurchgeleitet wird. Der Behandlungszone benachbart ist die Wandstärke des Rohres stark vermindert, wozu die Außenmantelfläche des Rohres eine entsprechende Ausnehmung aufweist. In dieser Ausnehmung ist das Rohr mit den Endflächen von mindestens zwei Verstärkern für Ultraschallschwingungen verbunden, deren Längsachsen sich senkrecht zur Strömungsrichtung der Strömung innerhalb des Rohres erstrecken. Diese Verstärker haben dabei eine sich zu ihrer schmalen Endfläche hin verjüngende, parabolische Außenfläche und weisen an ihrem der mit dem Rohr verbundenen Endfläche jeweils abgewandten Ende eine relativ große Endfläche auf, die mit einem

^b0 elektromechanischen Ultraschallwandler in Form eines Rohres, wie z. B. einem piezoelektrischen Zylinder, verbunden ist Um die Ultraschallenergie in der durch die Ausnehmung der Rohrmantelfläche gegebenen Behandlungszone noch weiter zu konzentrieren, sind die Außenmantelflächenteile außerhalb der Behandlungszone zusätzlich verstärkt, wodurch sich ein Paar von Massen ergibt, die beiderseits der Behandlungszone an dem Rohr angeordnet sind. Dadurch erhält das Rohr die

Eigenschaften eines mechanischen Schwingkreises, der unter Anregung durch die Ultraschallschwingungen über die Verstärker auf der jeweiligen Ultraschallfrequenz schwingt Da die Verstärker mit ihren kleinen Endflächen jeweils einander gegenüberliegend an der Ausnehmung des Rohres angreifen, wird nahezu die gesamte Ultraschallenergie in das Rohrinnere an die Reaktionszone abgegeben. Außerhalb des Rohres treten daher praktisch keine Ultraschallwellen auf.

Aus der US-PS 34 00 892 ist ein weiterer Ultraschallgenerator bekannt, der aus zwei länglichen Metallblökken gebildet ist, die jeweils zwei einander zugewandte Flansche haben. Zwischen den beiden Flanschen sind den elektromechanischen Ultraschallwandler bildende piezoelektrische Scheiben angeordnet, zwischen denen eine Elektrode angeordnet ist Die Elektrode und die beiden Scheiben sind zwischen den beiden Flanschen mit Hilfe von an den Flanschen angeordneten Bolzen zusammen mit den beiden Metallblöcken verspannt Die Elektrode ist mit einem Anschluß eines Ultraschallfrequenz-Oszillators verbunden, dessen anderer Anschluß jeweils mit den beiden Metallblöcken verbunden ist Der eine der Metallblöcke verjüngt sich an seinem Ende auf einen sehr viel kleineren Durchmesser, wodurch sich wiederum ein mechanischer Verstärker für Ultraschallschwingungen ergibt Innerhalb dieses verjüngten Teils des Metallblockes ist ein sich in seiner Längsachse erstreckender Kanal vorgesehen, der an der Schmalseite des verjüngten Teils mündet und nach dem Übergang des verjüngten Teiles in den Metallblock radial aus diesem herausgeführt ist In diesen Kanal wird radial ein Strömungsmittel zugeführt, das über die an der Stirnfläche des verjüngten Teiles liegende Mündung des Kanals ausgestoßen wird. Da dieser Teil gleichzeitig in Ultraschallschwingungen versetzt wird, kann das aus der Mündung austretende Strömungsmittel versprüht werden. Die Abmessungen der Gesamtanordnung sind so gewählt, daß sich an der Stirnfläche des verjüngten Teils ein Wellenbauch der Welle der Ultraschallfrequenz befindet während an dem Übergang vom verjüngten Teil zum Metallblock sich ein Wellenknoten befindet Von diesem Wellenknoten erstreckt sich eine Halbwelle bis etwa zur Elektrode des elektromechanischen Ultraschall Wandlers. Das auf der anderen Seite dieses Ultraschallwandlers liegende Teil des Metallblokkes endet in einem Wellenbauch einer weiteren Viertelwelle der Ultraschallfrequenz. Die gesamte Anordnung hat damit die Gesamtlänge einer vollständigen Wellenlänge der benutzten Ultraschallfrequenz.

Bei ein Ultraschallhorn aufweisenden Ultraschallgeneratoren werden die elektrischen Schwingungen des Ultraschallfrequenz-Oszillators in mechanische Schwingungen, nämlich Longitudinalschwingungen, durch den elektromechanischen Ultraschallwandler umgewandelt, der entweder als piezoelektrischer und piezoelektrische Elemente aufweisender Typ oder aber als magnetostriktiver und magnetostriktive Elemente, wie z. B. Ferrite, aufweisender Typ ausgebildet ist Die auf diese Weise erzeugten mechanischen Schwingungen weiden an ein mit dem Ausgangsende des elektromechanischen Wandlers verbundenes Ultraschallhorn gegeben, so daß die vom gleichen Horn in ihrer Amplitude vergrößerten Schwingungen in Form von Ultraschallwellen vom mechanischen Schwingungsausgangsende des Horns abgegeben werden.

In Verbindung mit dieser Anordnung ist es bekannt, daß das Ultraschallhorn zur Amplitudenvergrößerung dient, da die Amplitude einer jeden Ultraschallwelle, die von einem herkömmlichen elektromechanischen Wandler abnehmbar ist sehr klein ist wie z. B. maximal 4 μ von Spitze zu Spitze bei einem 40-Hz-Wandler. Bei einer solchen Amplitudenvergrößerung in dem Ultraschallhorn ist deren Wert durch eine Funktion des Flächenverhältnisses S₂Zs₁ innerhalb des Horns gegeben, wobei S₂ die Querschnittsfläche am Eingangsende für die mechanischen Schwingungen und S\ die Querschnittsfläche am Ausgangsende für die mechanischen

ίο Schwingungen ist so daß also der Verstärkungsfaktor mit wachsendem Flächenverhältnis ebenfalls größer wird. Im einzelnen kann der Verstärkungsfaktor in der Weise bestimmt werden, daß er bei einem abgesetzten Horn mit sich stufenweise ändernden Querschnittsflä chen durch den Wert S₂ZSu bei einem exponential abgeschrägten Exponentialhorn durch die Quadratwurzel von S₂ZSi und bei einem linear abgeschrägten konischen Horn durch die Funktion der Quadratwurzel S₂ZSi bestimmbar ist

Andererseits ist es in bezug auf die geometrischen Erfordernisse eines Ultraschallhorns zum Erreichen einer wirksamen Verstärkung der Ultraschallamplitude gewöhnlich nötig, daß der Durchmesser des Horns am Eingangende nicht V₄ der Wellenlänge λ der Ultra-

r> schallwelle überschreitet, während seine Länge so gewählt wird, daß sich bei den gleichen Frequenzen wie denen des Uhraschallwandlers longitudinal Resonanzschwingungen im Horn ergeben. Daraus ergibt sich, daß die maximale Verstärkung zur

si· Amplitudenvergrößerung von Ultraschallschwingungen durch das Horn durch das Flächenverhältnis bestimmt ist, das mit dem maximalen Durchmesser des Eingangsendes, d. h. AA und der kleinstmögliche Fläche am Ausgangsende erreicht wird.

Bei diesen Ultraschallgeneratoren ergibt sich jedoch das Problem, daß ein Horn mit solchen größeren Verstärkungsfaktoren eine sehr kleine Fläche am Ausgangsende für die mechanischen Schwingungen hat, z. B. bei etwa 0,9 cm 0 im Verhältnis zum Eingangsende

4(i von 3 cm 0, wenn eine Frequenz von 40 KHz und ein Verstärkungsfaktor von 10 benutzt werden. Dadurch hat sich bei den bisherigen Ultraschallgeneratoren immer der Nachteil ergeben, daß Ultraschallschwingungen großer Amplituden nur an sehr begrenzte

■> '■> Arbeitsflächen abgebbar sind.

Werden bei einem anderen bekannten Ultraschallgeneratortyp zylindrisch geformte elektromechanische Ultraschallwandler benutzt, die piezoelektrische Elemente in zylindrischer Form verwenden, so formen

w diese zylindrisch geformte Elemente die elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen um. Dieser Ultraschallgenerator ist zwar insofern vorteilhaft, daß er infolge seiner zylindrischen Form eine vergrößerte Schwingungsfläche hat Da jedoch die

y> gesamte Oberfläche des Zylinders eine gleichmäßige Schwingungsbewegung in radialer Richtung ausführt können die Schwingungen mit einem Ultraschallhorn nicht in der gleichen Weise verstärkt werden, wie dieses bei dem zuvor beschriebenen Ultraschallgenerator der

w) Fall ist. Der Nachteil dieses zuletzt genannten Ultraschallgenerators liegt hier also darin, daß die maximale Amplitude der abgebbaren Schwingungen in bestimmter Weise begrenzt ist, wie z. B. unterhalb von 4 μ von Spitze zu Spitze bei einem 40-KHz-Wandler,

υ", wodurch dieser Ultraschallgenerator nicht zur Abgabe von großen Amplituden benutzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallgenerator der eingangs genannten Art so weiterzubilden,

daß der Ultraschallschwinger die Ultraschallenergie mit einer entsprechenden verstärkten Amplitude an die Umgebung des Ultraschallsch wingers abgibt.

Bei einem Ultraschallgenerator der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der L'ltraschallschwinger ein hohlzyiindrischer, an seinen beiden Enden offener Körper mit einer bestimmten axialen Länge ist, eine in seiner Axialrichtung konstante Wandstärke hat und mit einem Außenwandteil starr mit dem Ausgangsende des Verstärkers verbunden ist, und daß seine Achse senkrecht zu der des Verstärkers ausgerichtet ist, derart, daß die verstärkte Longitudinalschwingungen in Ultraschallschwingungen sowohl der Innen- als auch Außenfläche des Uitraschallschwingers umgeformt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallgenerator werden die Ultraschallwellen über den gesamten Bereich der in Schwingungen versetzten Innen- und Außenflächen des hohlzylindrischen Körpers abgegeben. Dieser hohlzylindrische Körper ist dabei mit einem einzigen elektromechanischen Ultraschallwandler über einen einzigen mechanischen Verstärker für die Ultraschallschwingungen verbunden. Die Ultraschallwellen werden dabei auch über die gesamte axiale Länge des hohlzylindrischen Körpers abgegeben. Dabei führt der Mantel des hohlzylindrischen Körpers Biegeschwingungen aus, die eine Vielzahl von Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen über den Umfang des Mantels abwechselnd verteilt haben, wobei der Mantel während einer ersten Halbwelle in der einen Richtung und während einer zweiten Halbwelle in der anderen Richtung ausgeienkt wird. Der hohlzylindrische Körper gibt daher die Ultraschallschwingungen gleichmäßig über seinen gesamten Umfang, d. h. über 360°, ab.

Weitere, die besondere Ausbildung des neuen Ultraschallgenerators betreffende Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des neuen Ultraschallgenerators,

Fig.2 einen Längsschnitt längs der Linie H-II der

F i g. 3 eine Draufsicht auf den gleichen Ultraschallgenerator, die seine Betriebsweise veranschaulicht

Fig.4 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, eines zweiten Ausführungsbeispiels des neuen Ultraschallgenerators,

F i g. 5 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel des neuen Ultraschallgenerators, bei der jedoch nur der zylindrische Ultraschallschwinger gezeigt ist and

F i g. 6 eine schematische Darstellung, bei der der neue Ultraschallgenerator in Verbindung mit einem Befeuchtungsgerät benutzt wird.

Das in den Fig.l und 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel des neuen Ultraschallgenerators weist einen zylindrisch geformten Ultraschallschwinger 1 auf, der über einen Befestigungsbolzen 3 und eine Abstandsscheibe 4 mit einem Ausgangsende 2/4 für die mechanischen Schwingungen eines Verstärkers 2 verbunden ist, der in Form eines Metallblockes zum Verstärken der Ultraschallschwingungen ausgebildet ist, wobei die Achse des Ultraschallschwingers senkrecht zur Richtung der Longitudinalschwingungen des Verstärkers 2 angeordnet ist

Das andere Ende des Verstärkers 2 ist als einstückiger

Flansch 25 ausgebildet, das eine Anzahl von rundherum angeordneten Bohrungen 5 zur Aufnahme von Bolzen aufweist. Dieser Flansch 2B ist mit Hilfe von Bolzen 6 und mit diesen zusammenwirkenden Muttern 7 mit einem weiteren Flansch HA verbunden, der an einem metallischen Block 11 als Widerlager gegenüber dem Flansch 25 angeordnet ist, wobei piezoelektrische Elemente SA und 85, eine Elektrode 9 und ein Abstandsstück 10 sandwichartig zwischen den beiden

ίο Flanschen angeordnet sind.

Die piezoelektrischen Elemente SA und SB sind jeweils mit ihren positiven Polen einander zugewandt, wobei sich zwischen diesen die gemeinsame Elektrode 9 befindet, während ihre negativen Anschlüsse sich jeweils in Kontakt mit den Flanschen 2B und HA befinden. Das Abstandsstück 10 ist in Form eines Kreisringes aus Silikonkautschuk od. dgl. ausgebildet. Das Abstandsstück weist eine Anzahl von Bohrungen auf, durch die die zuvor erwähnten Bolzen 6 sich

2(i hindurch erstrecken, während die zentrische Bohrung des Kreisringes so ausgebildet ist, um darin die piezoelektrischen Elemente SA und 85 und die Elektrode 9 aufzunehmen, so daß alle Teile fest zwischen den Flanschen 2B und IM mit Hilfe der

Bolzen 6 und der Muttern 7 eingeklemmt sind.

Die Elektrode 9 und der Flansch UA sind mit zugehörigen Anschlußdrähten 12 zur Zuführung von elektrischen Schwingungen verbunden, wobei die Anschlußdrähte ihrerseits mit dem Ausgang eines Ultraschallfrequenz-Oszillators 13 verbunden sind. Der Eingang des Oszillators 13 ist mit Hilfe eines Steckers 14 mit einer Speisequelle verbunden.

Bei der beschriebenen Anordnung sind der Ultraschallschwinger 1, der Verstärker 2, die piezoelektri- sehen Elemente SA und 85 und das Widerlager 11 so angeordnet und ausgebildet, daß sie eine Resonanzbewegung als ein gemeinsame* ".örper bei einer bestimmten Frequenz ausführen Im einzelnen ist die Anordnung so getroffen, daß die Länge des Verstärkers 2 von seinem mechanischen Schwingungsausgangsende 2A zur Endfläche des Flansches 25ΑΛ oder einer viertel Wellenlänge der Ultraschallwelle entspricht, die durch ihn übertragen werden soll, während die Länge des Widerlagers 11 entweder theoretisch oder experimen teil so bestimmt ist, daß die Endfläche des Flansches 2£ an einem Schwingungsknoten der Resonanzanordnung angeordnet ist

Vom Ultraschallfrequenz-Oszillator 13 werden elektrische Schwingungen mit solchen Frequenzen an die piezoelektrischen Elemente SA und 85 abgegeben, die der Resonanzfrequenz der Anordnung entsprechen.

Der beschriebene Ultraschallgenerator arbeitet in der folgenden Weise: Beim Einschalten des Oszillators 13 in Verbindung mit der Speisequeiie werden elektrische Schwingungen mit den Resonanzfrequenzen entsprechenden Frequenzen an die piezoelektrischen Elemente SA und SE gegeben, wodurch mechanische Auslenkungen erzeugt werden.

Diese mechanischen Auslenkungen bewirken, daß der Verstärker 2 in Form des Metallblocks Longitudinalschwingungen bewirkt, deren Schwingungsknoten an der Endfläche des Flansches 25 liegt In diesem Fall vergrößert der Verstärker 2 die Schwingungsamplitu den und die mechanische Schwingungsenergie mit den auf diese Weise vergrößerten Amplituden wird an den Ultraschallschwinger 1 vom mechanischen Schwingungsausgangsende 2/4 gegeben.

Der Ultraschallschwinger 1 führi dadurch Biegeschwingungen großer Amplitude aus, wodurch Ultraschallwellen mit großen Amplituden erzeugt werden. Dieses ist in F i g. 3 gezeigt und wird jetzt im einzelnen erläutert. Wird angenommen, daß der Ultraschallschwinger 1 eine Bewegung mit der fünften harmonischen Biegeschwingung ausführt, so zeigt der Schwinger Verformungen entsprechend der gestrichelten Linie X während jeder Halbwelle der Schwingungen und während der nächsten Halbwelle eine zur vorherigen gegenphasige Schwingung, wie dieses durch die gestrichelte Linie Y dargestellt ist. Diese zyklische Biegebewegung wiederholt sich 40 000 mal in der Sekunde bei einer Frequenz von 40 KHz.

Es ist außerdem zu erkennen, daß die zur Erzeugung der Ultraschallwellen wirksame schwingende Fläche sowohl von der Innen- als auch Außenmantelfläche des Ultraschallschwingers 1 gegeben ist.

In Fig.4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des neuen Ultraschallgenerators dargestellt. In dieser Figur werden für die gleichen Teile die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren benutzt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Verstärker in Form eines metallischen Blockes 2 benutzt, der aus einem mechanischen Schwingungsausgangsteil 2C, einem Flanschteil 2£>und einem mechanischen Schwingungseingangsteil 2E gebildet ist. Das mechanische Schwingungsausgangsteil 2C verbindet an seiner Mündung oder seinem Ausgangsende 2A einen zylindrisch geformten Ultraschallschwinger 1, während das mechanische Schwingungseingangsteil 2£f mit einem elektromechanischen Ultraschallwandler 15 gewöhnlicher Bauart verbunden ist.

Der elektromechanische Wandler !5 dient wieder zur Umformung elektrischer Schwingungen in Ultraschalloder mechanische Schwingungen, und kann piezoelektrischer oder magnetostriktiver Bauart sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wurde ein piezoelektrischer Wandler lediglich als mögliches Beispiel gezeigt. Wie gezeigt, weist der Wandler 15 piezoelektrische Elemente %A und 8ß, eine Elektrode 9 und zylindrische Blockteile 15/4 und 15B auf, die alle als ein gemeinsamer Körper in der Weise ausgebildet sind, daß die Elemente 8/4 und SB einander zugewandte positive Anschlüsse haben, die mit der Elektrode 9 sandwichartig verbunden sind, während ihre negativen Anschlüsse in Kontakt mit den zylindrischen Blockteilen 15/4 und 15ß gehalten sind. Verbindungsleitungen 12 dienen wieder zur Verbindung mit einem Ultraschallfrequenz-Oszillator 13.

Der elektromechanische Wandler 15 ist einstückig mit dem in Form eines Metallblockes ausgebildeten Verstärker 2 über einen Befestigungsbolzen 16 verbunden, der in Gewindebohrungen IF und 15C eingeschraubt ist, die jeweils an den aneinanderstoßenden Stirnflächen der zylindrischen Blockteile 15Λ und des mechanischen Schwingungseingangsteiles 2E ausgebildet sind

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Länge des Verstärkers 2, die sich von der Endfläche des geflanschten Teiles 2D zum mechanischen Schwingungsausgangsende 2A erstreckt entsprechend der Größe XU oder V₄ Wellenlänge der über ihn ausgesendeten Ultraschallwelle entspricht, während die Länge des mechanischen Schwingungseingangsteiles 2£ entweder theoretisch oder experimentell so bestimmt wird, daß die Endfläche des geflanschten Teiles 2D in einem Schwingungsknoten der Resonanzanordnung angeordnet ist und sich die Endfläche des mechanischen Schwingungseingangsteiles 2£ in einem Schwingungsbauch befindet. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel die Länge des Verstärkers 'Λ Wellenlänge beträgt, kann sie selbstverständlich auch jedes ungerade Vielfache einer viertel Wellenlänge betragen.

Die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispieles des neuen Ultraschallgenerators wird im folgenden erläutert.

ίο Wird der Oszillator 13 zur Abgabe von elektrischen Schwingungen an den Wandler 15 eingeschaltet, so werden diese in mechanische Schwingungen, nämlich Longitudinalschwingungen mit Hilfe der piezoelektrischen Elemente SA und 8ß umgeformt, so daß Uiiraschaiischwingungen erzeugt werden, deren Schwingungsbäuche an beiden Enden des Wandlers 15 liegen.

Diese Ultraschailschwingungen werden an den als Metallblock ausgebildeten Verstärker 2 gegeben, der seinerseits Longitudinalschwingungen bewirkt, deren Schwingungsknoten an der Endfläche des geflanschten Teiles 2D angeordnet sind. Gleichzeitig werden die Amplituden durch das mechanische Schwingungsausgangsteil 2C vergrößert, so daß die verstärkten Schwingungen an den zylindrisch gebildeten Ultraschallschwinger 1 vom Ausgangsende 2A her gegeben werden.

Der Ultraschallschwinger 1 bewirkt eine Bewegung in Form von Biegeschwingungen vorbestimmter Ord-

jo nungszahl einer harmonischen Schwingung in gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

In Verbindung mit Fig.5 der Zeichnung wird ein drittes Ausführungsbeispiel des neuen Ultraschallgenerators erläutert.

)5 Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispielen lediglich darin, daß der zylindrisch geformte Ultraschallschwinger 1 an einem Teil seines zylindrischen Mantels mit einer sich in axialer Richtung

4« erstreckenden, schlitzartigen öffnung 1A versehen ist.

Infolge dieser Öffnung führt der Ultraschalischwinger 1 Resonanzfrequenzen von Biegeschwingungen aus, die sich von denen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele unterscheiden, wobei jedoch das erzeugte Schwingungsbild das gleich ist, wie das durch gebrochene Linie in F i g. 3 dargestellte.

Es ist darauf hinzuweisen, daß in allen bisher beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen zwischen dem als Metallblock ausgebildeten Verstärker 2 und dem

■so zylindrischen Ultraschallschwinger 1, zwischen dem Flansch 2ßdes Verstärkers 2 und dem Flansch WA des Widerlagerblockes 11 mit dem Abstandsstück 10 dazwischen und zwischen dem Verstärker 2 und dem Wandler 15 alle Verbindungen nicht nur durch Befestigungsbolzen in der beschriebenen Form, sondern auch in anderer Weise, wie z. B. durch Kleben od. dgl. ausgeführt werden können.

Da außerdem der durch den blockförmig ausgebildeten Verstärker 2 bewirkte Verstärkungsfaktor vom

«ι Flächenverhältnis der Querschnittsfläche an der Endfläche des Widerlagerblockes 11 oder des zylindrischen Blockteiles 15/4 zu der am mechanischen Schwingungsausgangsende 2A bestimmt ist, kann in vorteilhafter Weise das Verstärkerteil in Längsrichtung zentrisch hohl von seinem Ausgangsende 2Λ bis mindestens zum Flansch 2ß hohl anstelle von voll ausgebildet sein, wodurch sich eine größere diametrale Vergrößerung des Verstärkergliedes 2 ergibt. Diese hohle Ausbildung

verleiht dem Verstärkerglied 2 mit Vorteil eine größere Biegesteifigkeit als bei einem diametrisch kleineren Glied fester Blockausbildung, so daß die Möglichkeit des Auftretens von Biegeschwingungen kaum gegeben ist, die nachteilig zur erwünschten Steifigkeit der Verbindung zwischen dem Ultraschallschwinger 1 und dem Verstärkerglied 2 sind.

Schließlich wird der neue Ultraschallgenerator in einer industriellen Anwendung in Verbindung mit einem Befeuchtungsgerät erläutert, das sich innerhalb einer Wassersprühkammer befindet (vgl. F i g. 6).

Der neue Ultraschallgenerator ist auf der unteren Wand einer Wassersprühkammer 18 des Befeuchtungsgerätes 17 in der Weise befestigt, daß der zylindrisch ausgebildete Ultraschallschwinger 1 sich in die Sprühkammer 18 so hinein erstreckt, daß seine Achse mit der der Sprühkammer zusammenfällt.

Die Sprühkammer 18 ist an einem Ende geöffnet, während sich ihr anderes Ende in Verbindung mit dem Auslaß eines Gebläserohres 19 befindet. Innerhalb des Gebläserohres 19 ist ein Lüfter 2OA vorgesehen, der von einem Motor 20 angetrieben ist, und am Eingang und den Seitenwänden des Gebläserohres 19 sind Lufteinlaßöffnungen 19/4 vorgesehen.

Innerhalb der Sprühkammer 18 sind Wasserzuführungsdüsen 21 vorgesehen, die sich nach innen mit ihren Mündungen erstrecken, die neben der flachen Endfläche des Ultraschallschwingers 1 liegen, die dem Gebläserohr 19 zugewandt ist.

Die Wasserzuführungsdüsen 21 sind mit einer kreisförmigen Wasserkammer 22 verbunden, die um die Sprühkammer 18 angeordnet ist und ihrerseits über eine Rohrleitung 24 und einen Absperrhahn 23 mit einem darüberliegenden Wasserbehälter 25 in Verbindung befindet Bei dieser Anordnung wird Wasser vom Wasserbehälter 25 über die Wasserzuführungsdüsen 21 auf die Oberfläche des Ultraschallschwingers 1 geführt. Verbindungsleitungen 12 verbinden wieder den Ultraschallgenerator mit einem Oszillator 13.

Das den neuen Ultraschallgenerator aufweisende Befeuchtungsgerät 17 arbeitet in der folgenden Weise:

Nach der Einschaltung des Oszillators 13 bewirkt der Ultraschallschwinger 1 eine Bewegung mit Schwingungen großer Amplitude. Bei der Einschaltung des Lüfters 20/4 wird die über die Lufteinlaßöffnungen 19/4 eingesaugte Luft über das Gebläserohr 19 an die Sprühkammer 18 geleitet, während vom Behälter 25

to Wasser über die Leitung 24 bei geöffnetem Absperrhahn 23 und die Wasserkammer 22 sowie die Wasserzuführungsdüsen 21 an die Fläche des Ultraschallschwingers 1 gegeben wird.

Die auf diese Weise auf die Oberfläche des

is Ultraschallschwingers 1 aufgebrachte Wassermenge wird nach außen auf die inneren und äußeren zylindrischen Flächen gesprüht, um einen Wasserfilm zu bilden, der dann unter Einfluß der Ultraschallschwingungen in Gruppen von Teilchen aufgesprengt wird, die von den schwingenden Flächen fortgeschleudert werden, wodurch das gesamte der Sprühkammer 18 zugeführte Wasser atomisiert wird.

Diese versprühte Wasser wird von dem Luftstrom vom Gebläse 2OA mitgerissen und durch das offene Ende der Sprühkammer 18 hindurch an die äußere Umgebung abgegeben, um eine Luftbefeuchtung zu bewirken. Bei dieser Anordnung eines Befeuchtungsgerätes ist zu erkennen, daß die Größe des versprühten Wassers während einer bestimmten Zeitdauer mit einer

JO entsprechend größeren Schwingungsfläche wächst, wie sie durch den neuen Ultraschallgenerator bewirkt wird.

Der neue Ultraschallgenerator kann auch zur Zerstäubung von Flüssigkeiten in Aerosole, z. B. bei einem Vergaser, in Strömungs-Emulgierungsgeräten, in Verteilungs- und Rührgeräten, in Beschleunigern für die chemische Reaktion in Gasen und in Reinigungsgeräten angewendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Ultraschallgenerator mit einem Ultraschallfrequenz-Oszillator, einem elektromechanischen Ultraschallwandler zum Umformen von vom Oszillator erzeugten elektrischen Schwingungen in mechanische Longitudinalschwingungen, einem fest mit dem Ausgangsende des Ultraschallwandlers verbundenen Verstärker für Ultraschallschwingungen und einem mit dem Verstärker verbundenen Ultraschallschwinger, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallschwinger (1) ein hohlzylindrischer, an seinen beiden Enden offener Körper mit einer bestimmten axialen Länge ist, eine in seiner Axialrichtufig konstante Wandstärke hat und mit einem Außenwandteil starr mit dem Ausgangsende (2A) des Verstärkers (2) verbunden ist, und daß seine Achse senkrecht zu der des Verstärkers (2) ausgerichtet ist, derart, daß die verstärkten Longitudinalschwingungen in Ultraschallschwingungen sowohl der Innen- als auch Außenfläche des Ultraschallschwingers (1) umgeformt werden.

2. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallschwinger (1) auf seiner zylindrischen Mantelfläche mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden, schlitzförmigen öffnung(XA) versehen ist

3. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Ultraschallschwingers (1) so gewählt sind, daß die Frequenz des Ultraschallschwingers (1) zu denen des Ultraschallwandlers (»Α, SB, 9) und des Verstärkers (2) resonant sind, derart, daß die verstärkten Longitudinalschwingungen in Ultraschallbi^egeschwingungen sowohl der Innen- als auch der Außenfläche des Ultraschallschwingers (1) umgeformt werden.

4. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (2) die Form eines Metallblockes mit einem Flansch (2B) großer Querschnittsfläche zur Verbindung mit dem Ultraschallwandler (SA, SB, 9) und einem Teil (2A) kleinerer Querschnittsfläche hat, der einstückig mit dem Flansch ausgebildet ist und mit dem Ultraschallschwinger verbunden ist.

5. Ultraschallgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (2A) kleinerer Querschnittsfläche des Metallblockes (2) zylindrische Form mit einer Bohrung hat, die sich von seinem Ausgangsende (2A) bis zu seinem Flansch (2B) erstreckt.

6. Ultraschallgenerator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des metallischen Blockes (2) zur Verstärkung der Ultraschallschwingungen, der sich von der einen Endfläche des Flansches (2B) mit der großen Querschnittsfläche zu dem Ausgangsende {2A) erstreckt, ein beliebiges, ungerades Vielfaches einer viertel Wellenlänge der von ihm übermittelten Ultraschallwelle ist.

7. Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (SA, SB, 9) ein Paar piezoelektrisches Wandlerelement (SA, SB) mit einer zwischen diese geschichteten Elektrodenplatte (9) umfaßt.

8. Ultraschallgenerator nach Anspruch 7, dadurch

l Haß rjpr Ultraschallwandlp.r (SA. HR

9) zusammen mit einem elastischen Abstandsstück (10) zwischen den Flansch (2B) des metallischen Blocks (2) zur Verstärkung der Ultraschallwellen und einem Flansch (UA) geschichtet ist, der an einem weiteren, als Widerlager wirkenden metallischen Block (11) angeformt ist

9. Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Block (2) zur Verstärkung der Ultra- Schallschwingungen an der Endfläche des Flansches (2B) einen mechanischen Schwingungseingangsteil (2E) aufweist, der mit dem Ausgangsende des Ultraschallwandlers (SA, SB, 9) mit Hilfe von Befestigungsbolzen (6) verbunden ist

10. Ultraschallgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß die Länge des mechanischen Schwingungseingangsteiles (2E) so gewählt ist daß die Endfläche dieses Teils, die zum Flansch (2B) des metallischen Blocks (2) zur Verstärkung der Ultraschallschwingungen hin gerichtet ist, in einem Schwingungsknoten angeordnet ist, während die andere Endfläche, die zum Ultraschallwandler (SA, SB, 9) h<n gerichtet ist in einem Schwingungsbauch angeordnet ist