DE2521015B2

DE2521015B2 - Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einem flüssigen Medium

Info

Publication number: DE2521015B2
Application number: DE2521015A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Matveevitsch Varlamov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-05-12
Filing date: 1975-05-12
Publication date: 1978-04-20
Also published as: DE2521015A1; DE2521015C3

Description

gewählt wird, worin

ω — Winkelgeschwindigkeit des Läufers (6), J5

R — Außenradius des Läufers (6),
C — Geschwindigkeit der Schallfortpflanzung im flüssigen Medium bedeutet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer (13) und im Läufer (6) mindestens eine zusätzliche Reihe von öffnungen ausgebildet ist und daß im Läufer (6) die öffnungen (31, 33) der Haupt- bzw. zusätzlichen Reihe koaxial übereinander angeordnet und im Ständer (13) die Öffnungen (28, 34) der Haupt- bzw. zusätzlichen Reihe zueinander versetzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer (13) Öffnungen (34) der zusätzlichen Reihe gegenüber den Öffnungen (28) der Hauptreihe um eine Größe ^verschoben sind, die aus der Beziehung

ermittelt wird, worin

a — Breite des Querschnittes der öffnungen (28)

der Hauptreihe von öffnungen,
b_c — Abstand zwischen den Öffnungen (28) der

Hauptreihe der öffnungen an der Kreislinie, w> η -- Zahl der Reihen der öffnungen bedeutet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer (13) die öffnungen (28, 34) der Haupt- bzw. zusätzlichen Reihen in Gruppen (λ) angeordnet sind, welche ungleichmäßig an dessen Kreislinie angeordnet sind, und daß die erste Gruppe (Λ35) der öffnungen (34) der zusätzlichen Reihe gegenüber der ersten Gruppe (a_Jb) der öffnungen f28) der Hauptreihe und die zweite Gruppe («37) der Öffnungen (28) der Hauptreihe gegenüber der ersten Gruppe («35) der öffnungen (34) der zusätzlichen Reihe um einen Winkel (η) versetzt sind, dessen Größe aus der Beziehung

ι, = Δ:

ermittelt wird, worin

Zp — Anzahl der öffnungen (31) der Hauptreihe der öffnungen vom Läufer (6),
Zc — Anzahl der öffnungen (28) in der Hauptreihe der öffnungen des Ständers (13),
K = β · η — Anzahl von Druckimpulsen bei der Drehung des Läufers (6) um einen Winkel,
η — Anzahl der Reihen der öffnungen im Ständer (13) oder im Läufer (6),

(
β = ~ — Anzahl der Gruppen (α)

öffnungen (28) in der Hauptreihe der öffnungen des Ständers (13) bei q > -y bedeutet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (29) des Läufers (6) mindestens ein ringförmiger Ansatz (44) vorgesehen ist, der im Zwischenraum zwischen der Haupt- und der zusätzlichen Reihe der öffnungen (31, 33) untergebracht ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einem flüssigen Medium, die hauptsächlich zum Dispergieren, Emulgieren, Koagulieren von Emulsionen, Lösungen, Suspensionen oder homogenen Flüssigkeiten verwendet werden kann.

Zu diesem Zweck verwendet man bereits verschiedene Typen von Vorrichtungen, die Schall- oder Ultraschallschwingungen in flüssigen Medien erzeugen, darunter auch solche Vorrichtungen, in denen als Hauptelemente zur Schwingungserzeugung ein drehbarer Läufer und ein feststehender Ständer dienen, welche mit diesen ausgeführten Kanälen versehen sind. Solche Einrichtungen werden ständig verbessert, um aus den Schwingungen, die durch den in diesen Vorrichtungen stattfindenden Kavitationsvorgang erzeugt werden, die Grundfrequenz abzutrennen und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Verwendung solcher Vorrichtungen ist jedoch dadurch begrenzt, daß die Frequenz der zu erzeugenden Schwingungen in solchen Vorrichtungen im Bereich der Niederfrequenzen vorherrscht.

Es ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einem fließenden flüssigen Medium bekannt, die einen in der Arbeitskammer untergebrachten Ständer, der in Form eines Hohlzylinders ausgebildet ist und an dessen Seitenfläche eine Reihe von öffnungen vorgesehen ist, sowie einen ebenfalls in der Arbeitskammer untergebrachten und mit einem Antrieb verbundenen Läufer enthält, der koaxial zu dem Ständer angeordnet ist, und an dessen Seitenfläche eine Reihe von öffnungen vorgesehen ist, deren Anzahl um eine ganze Zahl der im Läufer vorgesehenen öffnungen übersteigt, wobei bei einem

periodischen Zusammenfallen dieser öffnungen mit den öffnungen des Ständers das in den Hohlraum des Läufers eintretende flüssige Medium in die A rbeitskammer gelangt (GB-PS 8 50 130).

In der genannten Vorrichtung ist die Welle des Läufers mit einem Antrieb verbunden. Die Arbeitskammer und der Ständer sind als ein Teil ausgebildet und mit einem mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung versehenen Deckel derart verschlossen, daß die Arbeitskammer einen geschlossenen Hohlraum bildet, ι ο der mit dem Hohlraum des Läufers über die öffnungen des Ständers, des Läufers und des zwischen diesen vorgesehenen Spaltes leitend verbunden ist. Das flüssige Medium wird in den Hohlraum des Läufers eingeführt und durch die öffnungen des Läufers, den zwischen dem Läufer und dem Stator bestehenden Spalt und die öffnungen des Ständers in die Arbeitskammer durchgedrückt, die eine Austrittsöffnung aufweist.

Die im Läufer und im Ständer vorgesehenen öffnungen sind in Form von Schlitzen derart ausgeführt, daß die Abstände zwischen den öffnungen als Stäbe ausgebildet sind, deren eines Ende mit dem Körper des Läufers oder des Ständers vereinigt ist. Der läufer oder der Ständer werden mit einer oder mit mehreren Wänden ausgeführt und koaxial zueinander derart angeordnet, daß die offene Stirnseite des Ständers der offenen Stirnseite des Läufers oder der Boden des Läufers der offenen Stirnseite des Ständers zugewandt sind.

Die Erzeugung der akustischen Schwingungen in der bekannten Vorrichtung wird bei der Drehung des Läufers mit dem in seinem Hohlraum oder seinen Hohlräumen enthaltenen flüssigen Medium in dem Moment verwirklicht, wo die Mehrzahl der öffnungen in der Kombination Läufer—Ständer periodisch zusammenfällt oder nicht zusammenfällt; dabei wird der Strom des flüssigen Mediums in den Öffnungen unterbrochen, während im Läufer und im Ständer das Medium ununterbrochen fließt. Bei einem solchen Fließen des flüssigen Mediums werden in der Vorrichtung akustische schwingungen erzeugt, und es entsteht eine hydrodynamische Kavitation mit einem breiten Bereich akustischer Frequenzen, wobei die genannten Schwingungen in die Arbeitskammer und in den Hohlraum des Läufers wie akustische Druckwellen übergehen.

Eine solche konstruktive Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen im flüssigen Medium weist jedoch einen geringen Wirkungsgrad bei der Durchführung von physikalisch-chemischen Prozessen der Homogenisierung, Dispergierung und Emulgierung auf. Dieser Umstand wird dadurch hervorgerufen, daß die Schwingungen ein kontinuierliches Frequenzspektrum aufweisen, das für die hydrodynamische Kavitation im flüssigen Medium charakteristisch ist. Für die Durchführung eines konkreten physikalisch-chemischen Prozesses sind aber energiereiche akustische Schwingungen mit einer abgetrennten Grundfrequenz erforderlich. Die Schwingungen sind nicht nur in den öffnungen des Läufers und bo des Ständers, sondern auch in einem größeren Maße im Hohlraum oder in den Hohlräumen des Läufers und in der Arbeitskammer erforderlich, wo die Hauptmasse des in Schwingungen zu versetzenden Mediums zusammengefaßt ist. Der Kavitationsprozeß im flüssi- b5 gen Medium ruft außerdem selber an der Grenze zwischen der Flüssigkeit und dem festen Körper eine Erosion der Metallteile der Vorrichtung hervor und vermindert dadurch die Lebensdauer der Vorrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einem flüssigen Medium zu schaffen, deren konstruktive Ausführung die Erzeugung von Schalloder Ultraschallschwingunger. mit vorgegebener Frequenz und mit einer bezüglich Harmonischen der Frequenzen maximalen Amplitude gewährleistet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einem flüssigen Medium, die einen in einer Arbeitskammer untergebrachten Ständer, der in Form eines Hohlzylinders ausgebildet ist und an dessen Seitenfläche eine Reihe von Offnungen vorgesehen ist, sowie einen ebenfalls in der Arbeitskammer untergebrachten und mit einem Antrieb verbundenen Läufer enthält, der koaxial zum Ständer angeordnet ist und an dessen Seitenfläche eine Reihe von Öffnungen vorgesehen ist, deren Anzahl um eine ganze Zahl die Anzahl der im Ständer vorgesehenen öffnungen übersteigt, wobei bei einem periodischen Zusammenfallen dieser Öffnungen mit den öffnungen des Ständers das in den Hohlraum des Läufers eintretende flüssige Medium in die Arbeitskammer gelangt, erfindungsgemäß der Läufer in Form eines Zylinders mit geschlossenen Stirnseiten ausgeführt ist, in einer dieser Stirnseiten eine Öffnung für das in den Hohlraum des Läufers durchgehende flüssige Medium vorgesehen ist, und die Breite des Querschnitts der öffnungen, die an der Seitenfläche des Läufers und des Ständers ausgebildet sind, aus der Beziehung

2 ■ R² ■ m „<__.._

gewählt wird, worin

ω — Winkelgeschwindigkeit des Läufers,
R — Außenradius des Läufers,

C — Geschwindigkeit der Schallfortpflanzung im flüssigen Medium bedeutet.

Im Ständer und im Läufer wird zweckmäßigerweise mindestens eine zusätzliche Reihe von Öffnungen vorgesehen, wobei im Läufer die Öffnungen der Haupt- und der zusätzlichen Reihe koaxial übereinander angeordnet und im Ständer die Öffnungen der Haupt- und der zusätzlichen Reihe zueinander versetzt sind. Hierdurch wird eine Erhöhung der Frequenz der akustischen Schwingungen unter Aufrechterhaltung der vorgegebenen Amplitude dieser Schwingungen gewährleistet.

Die Öffnungen der zusätzlichen Reihe im Ständer werden auch zweckmäßigerweise gegenüber den öffnungen der Hauptreihe um eine Größe L verschoben, die aus der Beziehung

L =

α + b.

ermittelt wird, worin

a — Breite des Querschnitts der Öffnungen der

Hauptreihe der öffnungen,
b — Abstand zwischen den öffnungen der Hauptreihe

von öffnungen an der Kreislinie,
η — Anzahl der Reihenderöffnungen bedeutet.

Im Ständer werden zweckmäßigerweise die öffnungen der Haupt- und der zusätzlichen Reihe in Gruppen angeordnet, welche ungleichmäßig an dessen Kreislinie angeordnet sind, wobei die erste Gruppe der Öffnungen

der zusätzlichen Reihe gegenüber der ersten Gruppe der Hauptreihe, und die zweite Gruppe der öffnungen der Hauptreihe — gegenüber der ersten Gruppe der Öffnungen der zusätzlichen Reihe um einen Winkel η zu versetzen sind, dessen Größe aus dem Verhältnis

Z,

■ K

ermittelt wird, worin

Zp — Anzahl der Öffnungen der Hauptreihe im Läufer,

Z_c — Anzahl der Öffnungen der Hauptreihe im Ständer,

K — β ■ n — Anzahl der Druckimpulse bei der Bewegung des Läufers um einen Winkel g = ^- ,

n — Anzahl der Reihen der öffnungen im Ständer oder Läufer,

β = γ — Anzahl der Gruppen der öffnungen in der Hauptreihe der Öffnungen des Ständers bei q < -^c- bedeutet.

Im Hohlraum des Läufers wird zweckmäßigerweise mindestens ein ringförmiger Ansatz vorgesehen, der im Zwischenraum zwischen der Haupt- und der zusätzlichen Reihe der Öffnungen untergebracht ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet bei der Erzeugung von akustischen Schwingungen im flüssigen Medium die Herstellung von stabilen akustischen Schwingungen mit einer maximalen Amplitude und mit vorgegebener Frequenz, die im Bereich der Schall- und Ultraschallschwangungen liegt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen im flüssigen Medium im Längsschnitt,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-11 der F i g. 1,

F i g. 3 den in F i g. 1 wiedergegebenen Abschnitt des Läufers in abgewickelter Form,

Fig.4 den Ständerabschnitt gemäß der zweiten Ausführungsform in abgewickelter Form,

Fig.5 den Ständerabschnitt gemäß der dritten Ausführungsform in abgewickelter Form,

F i g. 6 den Ständerabschnitt bei einer einreihigen Anordnung der Öffnungen gemäß der in Fig.5 wiedergegebenen Ausführungsform in abgewickelter Form,

F i g. 7 die vierte Ausführungsform im Längsschnitt, F i g. 8 die fünfte Ausführungsform im Längsschnitt, F i g. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX der F i g. 8,

Fig. 10 die sechste Ausführungsform im Längsschnitt,

F i g. 11 die radiale Verteilung von Zentrifugalkräften, die im Hohlraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung im flüssigen Medium entstehen.

Die Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen im fließenden Medium enthält ein Gehäuse 1 (Fig. 1), dasmit einer Zwischenstütze2 verbunden ist, welche auf einer Hauptstütze 3 mit einem an dieser angebrachten Antrieb 4 befestigt ist.

Im Gehäuse 1 ist auf Lagerabstützungen 5 ein Läufer

6 frei drehbar angebracht, der in Form eines Hohlzylindcrs mit einer auf diesen aufgesetzten Scheibe

7 ausgeführt ist, wobei diese Scheibe 7 die Lagerabstützungen 5 vor dem flüssigen Medium schützt. Die Verschiebung der Welle 8 des Läufers 6 entlang der Achse der Lagerabstützungen 5 ist durch eine Mutter 9 verhindert. Der Unterteil des Gehäuses 1 ist mit einem Deckel 10 verschlossen; durch die in diesem Deckel 10 vorgesehene Bohrung ist die welle 8 des Läufers 6 geführt, die mit der Welle 11 des Antriebes 4 mittels einer Kupplung 12 gekuppelt ist.

Koaxial zum Läufer 6 ist ein Ständer 13 angeordnet, der in Form eines Hohlzylinders ausgeführt ist. Im Zwischenraum zwischen dem Ständer 13 und dem Läufer 6 ist ein Flansch 14 untergebracht, der mit dem Ständer 13 starr gekuppelt ist, welcher seinerseits mit dem Gehäuse 1 und den Deckeln 15 und 16 starr befestigt ist, die eine Arbeitskammer 17 bilden und mit Öffnungen 18 zur Ableitung des flüssigen Mediums versehen sind, wobei als flüssiges Medium bei der vorliegenden Ausführungsform der Vorrichtung Wasser verwendet wird. Die Verbindung zwischen den Deckeln 15 und 16 ist mit einem Dichtungsring 19 versehen, während die Innenfläche 20 des Deckels 16 als Fläche zur Rückstrahlung der akustischen Wellen dient.

Mit der Stirnfläche des Läufers 6 steht in einem ständigen Kontakt eine Dichtungsbuchse 21, welche an den Läufer 6 mittels Federn 22 angedrückt wird und welche mit Anschlägen 23 versehen ist, die die Drehung dieser Buchse verhindern; dabei sind die Federn 22 und die Anschläge 23 in einem Ring 24 untergebracht, der feststehend im Gehäuse 1 angeordnet ist. Eine hermetische Abdichtung der Buchse 21 mit dem Ring 24 ist durch einen Dichtungsring 25 gesichert, der eine freie vertikale Verschiebung der Buchse 21 ermöglicht.

Im Gehäuse 1 ist ein ringförmiger Hohlraum 26 vorgesehen, der mit der Atmosphäre durch einen Kanal 27 leitend verbunden ist. Wie oben dargelegt, ist der Ständer 13 in Form eines Hohlzylinders ausgebildet, an dessen Seitenfläche eine Reihe von Öffnungen 28 vorgesehen ist, die in Form von Schlitzen ausgebildet sind. Der Läufer 6 ist in Form eines Hohlzylinders mit geschlossenen Stirnseiten ausgeführt, die einen geschlossenen Hohlraum 29 bilden, wobei in der oberen von diesen Stirnseiten eine öffnung vorgesehen ist, die mit einem im Flansch 14 vorgesehenen Kanal 30 übereinstimmt, durch welchen das Wasser dem Hohlraum 29 zugeführt wird.

An der Seitenfläche des Läufers 6 ist eine Reihe von Öffnungen 31 vorgesehen, die ebenfalls in Form von Schlitzen ausgebildet sind. Die Anzahl der öffnungen 31 des Läufers 6 (F i g. 2) übersteigt um eine ganze Zahl die

Anzahl der öffnungen 28 des Ständers 13, während die Breite »a« des Querschnitts der öffnungen 28 und 31 gemäß der Beziehung.

a <

2 R²

gewählt wurde, worin

ω — Winkelgeschwindigkeit des Läufers 6,

R — Außenradius des Läufers 6,

bo C — Geschwindigkeit der Schallfortpflanzung im flüssigen Medium bedeutet.

Dieses Verhältnis ergibt sich aus der Bedingung für die Erzeugung eines direkten hydraulischen Impulses im Hohlraum 29 des Läufers 6 und in der Arbeitskammer

b5 17, wo die Zeit t der Überdeckung der Öffnung 28 des Ständers 13 durch die Abstände zwischen den Öffnungen 31 des Läufers 6 geringer oder der Zeit der doppelten Laufstrecke der Wellenfront des Druckes

von der öffnung 28 bis zur Oberfläche 20 und zurück gleich ist, d. h.

. „ 2(R₀-R)

L =

a + b_c

(Π)

gen einer Gruppe ein Abstandswinkel von tx--

öffnungen 28, und die Gruppe Λ37 der öffnungen 37 der Hauptreihe der öffnungen 28 gegenüber der Gruppe Λ35 der öffnungen 35 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen 34 um einen Winkel η versetzt, der aus der Beziehung

worin Ro — den Radius der Oberfläche 20 bedeutet.

Die Außenfläche des Läufers 6 (Fig. 1) und die Innenfläche des Ständers 13 sind zu deren Drehungsachse geneigt. Das ist dadurch bedingt, daß zwischen den genannten Flächen ein Spalt vorgesehen werden muß, der die erforderlichen Bedingungen für den Betrieb der Vorrichtung gewährleistet. Die Größe dieses Spaltes wird durch die Verschiebung des Ständers 13 zusammen mit dem Flansch 14 und den Deckeln 15 und 16 entlang der Achse mittels der Änderung der Dicke des im Zwischenraum zwischen dem Ständer 13 und dem Gehäuse 1 des Ringes 32 angeordneten Ringes 32 bestimmt und eingestellt, dessen Dicke der Größe des genannten Spaltes proportional ist

Es ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, die der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich ist

Das Unterscheidungsmerkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß im Läufer 6 eine zusätzliche Reihe von öffnungen 33 (F i g. 3) vorgesehen ist, wobei die öffnungen 31 der Hauptreihe und die öffnungen 33 der zusätzlichen Reihe koaxial zueinander angeordnet sind. Im Ständer 13 ist ebenfalls eine zusätzliche Reihe von öffnungen 34 (Fig.4) ausgelFührt, wobei die öffnungen 28 und 34 derart angeordnet sind, daß sie eine Vergrößerung der Grundfrequenz der akustischen Schwingungen unter Aufrechterhaltung der Amplitude dieser Schwingungen hervorrufen.

Das wird dadurch erreicht, daß die Öffnungen 34 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen im Ständer 13 gegenüber den öffnungen 28 der Hauptreihe um eine Größe L versetzt sind, die aus der Beziehung:

40

bestimmt wird, worin:

a — Breite des Querschnitts der öffnungen 28 der Hauptreihe,

b_c — Abstand zwischen den Öffnungen 28 der

Hauptreihe an der Kreislinie,
n — Anzahl der Reihen der öffnungen, die bei der vorliegenden Ausführungsform gleich 2 ist,

bedeutet so

Es ist eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung möglich, die der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich ist Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, daß die öffnungen der Hauptreihe der öffnungen 28 und die öffnungen der zusätzlichen Reihe der öffnungen 34 des Ständers 13 (Fi g. 1) in Gruppen angeordnet sind, welche nicht gleichmäßig über die Seitenfläche des Ständers verteilt sind. Innerhalb einer jeden Gruppe sind die öffnungen jedoch gleichmäßig angeordnet, wobei zwischen den benachbarten öffnun-

2* V

besteht, worin

q — die Anzahl von Öffnungen in einer Gruppe bedeutet

Die Gruppe «35 (Fig.5) der Öffnungen 35 der zusätzlichen Reihe der öffnungen 34 ist gegenüber der Gruppe «36 der öffnungen 36 der Hauptreihe der

(111)

bestimmt wird, worin

Zp — Anzahl der öffnungen der Hauptreihe der

Öffnungen 31 des Läufers 6,

Zc — Anzahl der öffnungen der Hauptreihe der

Öffnungen 28 des Ständers 13,

K=β ■ n — Anzahl der Druckimpulse bei der Verdrehung des Läufers 6 um den Winkel

η — Anzahl der Reihen der öffnungen im Ständer 13 oder im Läufer 6,

/?=—£— Anzahl der Gruppen λ der öffnungen

in der Hauptreihe der öffnungen 28 des Ständers 13 (bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt sie 3) bedeutet.

Um einen Winkel η ist auch die Gruppe «38 der öffnungen 38 der zusätzlichen Reihe der öffnungen 34 gegenüber der Gruppe «37 der Öffnungen 37 der Hauptreihe der öffnungen 28 und die Gruppe «39 der öffnungen 39 der Hauptreihe der Öffnungen 28 gegenüber der Gruppe «38 versetzt. Ähnlich ist die dritte Gruppe «40 der öffnungen 40 der zusätzlichen Reihe der öffnungen 34 gegenüber der Gruppe «39, und die Gruppe «36 gegenüber der Gruppe «40 versetzt.

Aus der oben angeführten Beziehung III ergibt sich, daß bei n=I eine einreihige Ausführung der Öffnungen bei deren Anordnung in Gruppen möglich ist. Dabei beträgt die Anzahl der Gruppen bei der vorliegenden Ausführungsform 3: M_4t (F i g. 6), 042 und «43.

Die Anordnung der öffnungen im Ständer 13 (F i g. 1) und im Läufer 6 gemäß allen oben beschriebenen Ausführungsformen gewährleistet die Erzeugung der Grundfrequenz /der Druckimpulse in der Arbeitskammer 17 und in dem Hohlraum 29 des Läufers 6, die aus der Beziehung

,. m · Z,„ · K

ermittelt wird, worin

m — Umdrehungszahl je Minute des Läufers 6 bedeutet.

Es ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzueugung von akustischen Schwingungen in einem flüssigen Medium möglich, die den oben beschriebenen Ausführungsformen gleich ist.

Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Stabilität der Druckimpulse durch das Vorhandensein eines ringförmigen Ansatzes 44 (F i g. 7) im Hohlraum 29 des Läufers 6 gewährleistet wird, wobei dieser Ansatz im Zwischenraum zwischen der Hauptreihe der öffnungen 31 und der zusätzlichen Reihe der Öffnungen 33 des Läufers angeordnet ist. Die Innenfläche 45 des Läufers 6 und die Fläche 46 des ringförmigen Ansatzes 44 sowie auch die diesen Flächen entsprechenden Flächen 47 und 48 bilden dabei Hohlräume 49 bzw. 50.

Zur Erzeugung einer maximalen Amplitude von Druckimpulsen weisen die obengenannten Flächen 45,

46, 47 und 48 eine Neigung in der Richtung zum peripheren Teil des Läufers 6 (Fig.8) auf, indem sie Hohlräume 51 und 52 einer kegelförmigen Form bilden. Die Form dieser Hohlräume kann jedoch komplizierter sein, was durch die Konstanz der Geschwindigkeit des ^r> Ausfließens vom flüssigen Medium im Läufer β bestimmt wird.

Es ist auch eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung möglich, die den oben beschriebenen Ausführungsformen ähnlich ist. Der Unterschied dieser ι ο Ausführungsform besteht darin, daß in den Hohlräumen 51 und 52 des Läufers Schaufeln 53 (Fig.9) einer Zentrifugalpumpe angeordnet sind, wodurch es möglich wird, das Selbsteinsaugen des flüssigen Mediums zu bewirken und den Druck des flüssigen Mediums in r> diesen Hohlräumen zu erzeugen. Eine solche Anordnung der Schaufeln 53 ist auch bei einer einreihigen Ausführung der öffnungen im Läufer 6 (F i g. 1) und im Ständer 13 zweckmäßig.

Es ist auch eine sechste Ausführungsform der Vorrichtung möglich, die den oben beschriebenen Ausführungsformen ähnlich ist.

Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Arbeitskammer 54 (F i g. 10) durch einen Deckel 16 und einen Zylinder 55 gebildet ist. Eine solche Ausführung gestattet es, das flüssige Medium in der K.immer 54 einer mehrfachen Einwirkung der akustischen Schwingungen auszusetzen.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen im flüssigen jo Medium ist wie folgt

Das flüssige Medium wird durch den Kanal 30 (F i g. 1) der Vorrichtung zugeführt, und es füllt unter der Einwirkung der Druckkräfte den Hohlraum 29 des Läufers 6. Dann werden durch die öffnungen 31 des Läufers 6 der Spalt zwischen dem Läufer 6 und dem Ständer 13 und durch die öffnungen 28 des Ständers 13 die Arbeitskammer 17 mit dem flüssigen Medium gefüllt, aus welcher es auch unter einem Druck durch die öffnungen 18, welche in den Deckeln 15 und 16 vorgesehen sind, ausfließt

. Durch das Vorhandensein des Druckes im Spalt zwischen dem Läufer 6 und dem Ständer 13 wird eine Vorverdichtung der Dichtungsbuchse 21 an die Stirnfläche des Läufers 6 gesichert, was ein dichtes Anliegen der Dichtungsbuchse an die genannte Stirnfläche sowie eine hermetische Abdichtung des Hohlraumes 29 und der Arbeitskammer 17 gewährleistet

Dem Läufer 6 wird mittels des Antriebes 4 eine Drehungsbewegung mit der vorgegebenen Winkelge- v> schwindigkeit ω mitgeteilt Im Hohlraum 29 des Läufers

6 wird dabei der Druck einer Zentrifugalkraft hergestellt, die dem Quadrat des Produktes der Winkelgeschwindigkeit ω mit der Größe des Radius R des Läufers 6 proportional ist ^r>^r>

Im Falle des Ausfließens einer geringen Menge vom flüssigen Medium durch die Stirndichtung der Buchse 21 und des Läufers 6 wird das Medium mittels der Scheibe

7 in den ringförmigen Hohlraum 26 geleitet, aus welchem es durch den Kanal 27 aus der Vorrichtung w) abgeleitet wird.

Da der Hohlraum 29 des Läufers 6 geschlossen ausgebildet ist, nimmt der radiale Druck in diesem Hohlraum in der Richtung zum peripheren Teil des Läufers 6 zu. b^r>

Zum besseren Verständnis des Betriebes der Vorrichtung ist in F i g. 11 die radiale Verteilung der Zentrifugalkräfte dargestellt, in der an der Ordinatcnachse der Zuwachs des radialen Druckes Δ P und an der Abszissenachse die Größe des Radius R des Läufers 6 angegeben sind.

Während der Drehung des Läufers 6 werden die Öffnungen 28 des Ständers 13 periodisch durch die Abstände zwischen den öffnungen 31 des Läufers 6 überdeckt und bei der Übereinstimmung mit den Öffnungen 31 aufgemacht Auf diese Weise ändert sich der Durchfluß der Flüssigkeit beim Ausfließen aus dem Hohlraum 29 in die Arbeitskammer 17 periodisch in der Zeit, was eine unabdingbare Bedingung für das Entstehen des Schwingungsvorganges sowohl im Hohlraum 29 des Läufers 6 wie auch in der Arbeitskammer 17 bildet.

Die Drehgeschwindigkeit des Läufers 6 ist derart bemessen, daß die Zeit der Bewegung einer öffnung 31 des Läufers 6 zwischen zwei benachbarten öffnungen 28 des Ständers 13 für die Wiederherstellung des maximalen Radialdruckes Δ Ρ ausreicht.

Wie es in der Beziehung 1 schon wiedergegeben wurde, wurde die Breite des Querschnitts der öffnungen 28 und 31 im Querschnitt so gewählt, daß sie den Bedingungen des direkten hydraulischen Impulses im Hohlraum 29 des Läufers 6 und in der Arbeitskammer 17 entspricht Ausgehend davon wird die Erzeugung der akustischen Schwingungen im flüssigen Medium wie folgt verwirklicht

Beim Überdecken der öffnungen 28 des Ständers 13 mit den öffnungen 31 des Läufers 6 wird in dem Hohlraum 29 des Läufers 6 die Wellenfront eines verminderten Druckes und in der Arbeitskammer 17 die Wellenfront eines erhöhten Druckes erzeugt

Beim Nichtzusammenfallen der öffnungen 28 des Ständers 13 mit den öffnungen 31 des Läufers 6 geht die kinetische Energie des flüssigen Mediums in die potentielle Energie des Zusammendrückens des Mediums in dem Hohlraum 29 des Läufers 6 und der Verdünnung des Mediums in der Arbeitskammer 17 über. Dabei breiten sich Druckwellen d. h, akustische Wellen aus. Dieser Prozeß wiederholt sich mit einer Frequenz von

f "^>ZP

Da die Oberfläche 20 des Deckels 16, der von der zylindrischen Oberfläche des Läufers 6 in einer Entfernung angeordnet ist die einer ganzen Zahl der Halbwellen entspricht, die akustischen Wellen in erforderlicher Phase reflektiert, welche mit der Phase von neu entstehenden Wellen zusammenfällt werden in der Arbeitskammer 17 die Bedingungen der Schwingungsresonanz erfüllt und die Amplitude der akustischen Druckwellen erreicht ihren maximalen Wert Die Schwingungsresonanz fördert die Ausbreitung der Druckimpulse gleichzeitig durch alle öffnungen 28 des Läufers 13.

Das Prinzip der Erzeugung von akustischen Schwingungen gemäß den übrigen Ausführungsformen der Vorrichtung ist dem oben beschriebenen Prinzip ähnlich.

Der Unterschied der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung besteht darin, daß sich die Zahl der Druckimpulse während einer Drehung des Läufers 6 proportional der Anzahl der öffnungen des Läufers 6 und des Ständers 13 vergrößert Dabei wird die Ausbreitung der Druckimpulse aufeinanderfolgend durch im Ständer 13 vorgesehene öffnungen 28 (F i g. 4)

der Hauptreihe der öffnungen und dann durch alle öffnungen 34 der zusätzlichen Reihe der öffnungen verwirklicht.

Der Unterschied der dritten Ausführungsform der Vorrichtung besteht darin, daß die Zahl der Druckimpulse während einer Drehung des Läufers 6 proportional dem Produkt der Zahl der Reihen mit der Zahl der Gruppen der öffnungen zunimmt, die auf der Seitenfläche des Ständers 13 nicht gleichmäßig angeordnet sind. Dabei wird die Verbreitung der ι ο Druckimpulse auch aufeinanderfolgend durch alle Öffnungen 36 (F i g. 5) der Gruppe «36 und dann durch alle Öffnungen 35 der Gruppe Λ35 und ferner durch die öffnungen 37 der Gruppe <xj?, die öffnungen 38 der Gruppe 1x38, die Öffnungen 39 der Gruppe 6X39 und die Öffnungen 40 der Gruppe Λ40 verwirklicht. Bei einer einreihigen Ausführung der Vorrichtung wird die Ausbreitung der Druckimpulse aufeinanderfolgend durch alle öffnungen 41 (Fig. 6) der Gruppe λ₄ι, dann durch die Öffnungen 42 der Gruppe «42 und die öffnungen 43 der Gruppe «43 verwirklicht.

Wie oben beschrieben wird die Stabilität der Druckimpulse nach der Amplitude der akustischen Schwingungen bei der zweiten und der dritten Ausführungsform durch das Vorhandensein eines Ansatzes 44 (Fig. 7) im Hohlraum 29 des Läufers 6 erzielt, welcher Ansatz den Hohlraum 29 in zwei Hohlräume 49 und 50 unterteilt. In einer jeden öffnung 31 und 33 der Haupt- und der zusätzlichen Reihe der öffnungen des Läufers 6, die durch den Ansatz 44 eingeteilt sind, wird während der Zeit der Verschiebung zwischen den zwei benachbarten öffnungen 28 (F i g. 4,

5) und 34 der Haupi- und der zusätzlichen Reihen der Öffnungen des Ständers 13 (Fig.7) der maximale Radialdruck A P der Zentrifugalkräfte unabhängig von der Änderung des Radialdruckes in den öffnungen der anderen, durch den Ansatz 44 abgetrennten Reihe der öffnungen des Läufers 6 wiederhergestellt.

Der in F i g. 11 wiedergegebene Zuwachs des Radialdruckes Δ P vergrößert sich von Null bis zum maximalen Wert. Dem Nullwert Δ Ρ entspricht der Punkt A/(F i g. 8) und dem Maximalwert die zylindrische Außenfläche des Läufers 6.

In der Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform in der die Flächen 45,46 und 47,48 eine Neigung in der Richtung zum peripheren Teil des Läufers 6 aufweisen, ist die Geschwindigkeit des Ausfließens des flüssigen Mediums am Abschnitt N-R (Fig. U) des Zuwachses des Radialdruckes von Zentrifugalkräften konstant. Die Anordnung von Schaufeln 53 einer Zentrifugalpumpe in den Hohlräumen 51 (Fig. 8), 52 des Läufers 6 erzielt das Vorhandensein statischen Druckes vom flüssigen Medium in den genannten Hohlräumen, wobei unter der Einwirkung dieses Druckes das flüssige Medium in die Arbeitskammer 17 übergeht; die Ausbildung der Arbeitskammer 54 (Fig. 10) in Form eines Hohlzylinders ermöglicht die Verwirklichung eines kontinuierlichen Zyklus der wiederholten Einwirkung der akustischen Wellen auf das flüssige Medium.

Bei allen Ausführungsformen der Vorrichtung sind in der Arbeitskammer 17 (Fig. 1) und 54 (Fig. 10) in dem gesamten Volumen des flüssigen Mediums stehende Wellen der akustischen Schwingungen vorhanden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einem flüssigen Medium, die einen in einer Arbeitskammer untergebrachten Ständer, der in Form eines Hohlzylinders ausgebildet ist und an dessen Seitenfläche eine Reihe von öffnungen vorgesehen ist, sowie einen ebenfalls in der Arbeitskammer untergebrachten und mit einem ι ο Antrieb verbundenen Läufer enthält, der koaxial zum Ständer angeordnet ist und an dessen Seitenfläche eine Reihe von öffnungen vorgesehen ist, deren Anzahl um eine ganze Zahl die Anzahl der im Ständer vorgesehenen öffnungen übersteigt, wobei bei einer periodischen Übereinstimmung dieser öffnungen mit den öffnungen des Ständers das in den Hohlraum des Läufers eintretende flüssige Medium in die Arbeitskammer gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (6) in Form eines Zylinders mit geschlossenen Stirnseiten ausgeführt ist, daß in einer dieser Stirnseiten eine öffnung für das in den Hohlraum (29) des Läufers (6) durchgehende flüssige Medium vorgesehen ist und die Breite des Querschnittes der Öffnungen (31, 28), die an der Seitenfläche des Läufers (6) bzw. des Ständers (13) ausgebildet sind, nach der Beziehung