DE854856C - Einrichtung zur Behandlung von Fluessigkeiten mit Ultraschall bei Unter- oder UEberdruck - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten mit Ultraschall bei Unter- oder Uberdruck Es ist bekannt, daß die Gefahr des Zerspringens der piezoelektrischen Schwingerzeuger, z. B. der Quarzschwinger, bei der Behandlung von Flüssigkeiten tnit Ultraschall gesteigert wird, wenn die Stoffe bei Unter- oder Überdruck der Einwirkung der Schallenergie ausgesetzt werden. Die auf den Schwinger während der Behandlung der Flüssigkeit bei Unter- oder Überdruck ausgeübte Kraft besteht aus der durch die Erregung des Schwingers bedingten dynamischen Beanspruchung und aus dem in dem Beschallungsraum vorhandenen Unter- oder t#berdruck. Die mechanische Beanspruchung des Schwingers ist also unter diesen Umständen in beachtlichem Umfange größer als bei den bisher üblichen Bedingungen der Behandlung unter normalem Atmosphärendruck.
• Um nun die nachteiligen Auswirkungen der vorbeschriebenen Beanspruchung, die ja nur einseitig auf den Schwinger wirkt, zu verhindern, sind gemäß derErfindunganderEinrichtungzurBe'handlu.ng von Flüssigkeiten mit Ultrascha11 bei Unter-oder Überdruck zwecks Herbeiführung und Aufrechterhaltung gleicher Druckbelastungen auf den beiden Flächen des Schwingerzeugers bzw. in den von diesen Flächen begrenzten Räuanen Druekausgleichsmittel angeordnet.
• Falls der Schwingerzeuger einerseits den über seiner energieabgebenden Fläche angeordneten Behandlungsraum für die Flüssigkeit und andererseits den auf der entgegengesetzten Seite angeordneten Gasraum, z. B. eine sogenannte Luftdose, einseitig begrenzt, so geschieht die Ausbildung der neuen Einrichtung zweckmäßig in der Weise, daß .die beiden Räume durch außerhalb dieser angeordneten Leitungen über ein Druckausgleichsgefäß oder eine Ausgleichsleitung in Verbindung stehen. Es ist auch möglich, die in Frage stehenden Räume miteinander über einen Druckausgleichsbehälter, der als ein eine Sperrflüssigkeit, z. B. Quecksilber, enthaltendes Gefäß ausgebildet ist, in Verbindung zu bringen. Durch diese Maßnahme wird sich in dem Raum auf der einen Seite des Schwingers, z. B. in dem Luftraum, selbsttätig immer der gleiche Druck-einstellen, bzw. alle Druckänderungen vollziehen sich in kurzer Zeit so wie in dem auf der anderen Seite des Schwingers liegenden Behandlungsraum. Alle zusätzlichen einseitigen Belastungen, die die sehr beachtliche mechanische Beanspruchung des Schallerzeugers nur in nachteiliger Weise vergrößern, werden damit ausgeschaltet. Auf diese Weise ist es also möglich, auch dort Piezoschwinger zu verwenden, wo bisher infolge der bestehenden Gefahr eines Zerspringens des Quarzschwingers nur die magnetostriktiven Schwinger Verwendung finden konnten.
• Bei Anordnung des Schwingerzeugers in einem nicht leitenden Medium, wie es zum Zweck der Vermeidung von Überschlägen zwischen den Belegungen, also zum Zwecke der Isolation, bekanntermaßen @üblieh ist, kann die neue Einrichtung ohne weiteres auch in einem mit dem isolierenden Medium angefüllten und geschlossenen Behälter untergebracht werden. Selbstverständlich ist es dabei notwendig, die Ausgleichsleitungen und -gefäße sowie den Behandlu.ngs- und Gasraum hinreichend abzudichten.
• Bei der zuletzt beschriebenen Anordnung in einem Isolierbehälter kann die Einrichtung gemäß der Erfindung derart ausgebildet sein, daß der Druckausgleich zwischen den beiden in Frage stehenden Räumen auf beiden Seiten des Schwingers über den mit dem Isoliermittel ausgefüllten Raum des lsoliergefäßes erfolgt. Dies geschieht gemäß der Erfindung in der Weise, daß der Behandlungsraum über ein mit einer Sperrflüssigkeit gefülltes kommunizierendes Gefäß und der Gasraum unmittelbar, z. B. über Durchbrechungen, mit dem Raum des Isolierbehälters in Verbindung stehen. Dadurch ist es möglich, daß sich der Druck, z. B. der Luft in dem Gasraum, jederzeit und unmittelbar dem jeweiligen Druck im Behandlungsraum ohne weiteres anpassen kann.
• Als isolierendes Medium in dem Isoliergefäß wird normalerweise ein geeignetes Öl verwendet, das durch eine Umlaufvorrichtung, z. B. eine Pumpe, in Zirkulation versetzt wird, wobei zurKühlung dieses Mittels eine Kühlvorrichtung und zur Aufrecht- und Konstanthaltung des notwendigen Druckes die erforderlichen, an sich bekannten Maßnahmen und Einrichtungen getroffen sind. Für die Zu- und Abführung der Flüssigkeit, sowie für die abgedichtete Durchführung der Leitungen für die zu behandelnde Flüssigkeit zum Behandlungsraum sind in den Wandungen des Isolierbehälters die erforderlichen Anschlüsse vorgesehen.
• Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und in verschiedenen Ausführungsformen schematisch dargestellt.
• So zeigt die Fig. i eine Einrichtung, bei welcher an dem Schwinger i, und zwar über dessen oberer energieabgebenden Fläche, das Behandlungsgefäß 2 mit den Zu- und Abführungsleitungen 3 und 4 angeordnet ist, während auf der entgegengesetzten unteren Seite des Schwingerzeugers sich eine Luftdose 5 befindet. Diese steht durch die Leitung 6 mit der Abführungsleitung 4 des Behandlungsgefäßes 2 und dadurch der Behandlungsraum 2' mit dem .Luftraum 5' in Verbindung. In der Leitung 6 befindet sich ein Sammelgefäß 7. Handelt es sich bei der zu behandelnden Flüssigkeit um ein Mittel mit isolierenden Eigenschaften, z. B. Öl, so steht nichts im Wege, die Leitung 6 und das Gefäß 7 sowie einen Teil des Luftraumes 5' damit zu füllen. Der Druckausgleich zwischen dem Luftraum und dem Behandlungsraum wird gemäß dem vorhandenen Druck bzw. den eintretenden Druckänderungen durch entsprechende Volumverminderung oder -vergrößerung der Gasfüllung im Raum 5' des Gasgefäßes 5 stattfinden. Die Gefahr eines Kurzschlusses über die zu behandelnde und im vorliegenden Falle gleichzeitig als Ausgleichsmittel dienende Flüssigkeit liegt, auch wenn diese mit der Belegung des Schwingers im Luftraum 5', z. B. durch Verspritzen der Flüssigkeit, in Berührung kommen sollte, nicht vor. Handelt es sich dagegen bei der zu behandelnden Flüssigkeit um ein den elektrischen Strom leitendes Mittel, z. B. um einen Elektrolyten, so ist es zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile zweckmäßig, in dem Sammelgefäß7, in der Leitung6 und in dem Luftraum 5' eine Sperrflüssigkeit 8 vorzusehen. Da diese isolierende Eigenschaften aufweisen muß, verwandet man am besten ein 01 oder eine andere Kohlen-Wasserstoff-Verbindung, deren spezifisches Gewicht selbstverständlich größer sein muß als das der zu behandelnden Flüssigkeit. Zu diesem Zweck eignen sich insbesondere auch die sog. Teeröle, da diese ein vergleichsweise hohes spezifisches Gewicht haben. Die in der Fig. i dargestellte Einrichtung ist sowohl für eine Behandlung der Flüssigkeit mit Ultraschall unter Über- als auch unter Unterdruck brauchbar.
• In der Fig.2 ist eine Einrichtung dargestellt, die in ihrem prinzipiellen Aufbau der in der Fig. i dargestellten gleichkommt. Die gleichen Teile der Vorrichtung gemäß Fig.2 tragen demgemäß auch gleiche Bezugszeichen wie in Fig. i. Die zu behandelnde Flüssigkeit, die dem Behandlungsraum 2' des Gefäßes 2 durch die Leitung 3 zugeführt wird, verläßt diesen Raum durch die Leitung4 und strömt über das Verbindungsstück 9 ab, das die Ahflußlei-

  tung 4 mit der zii dem Luftraum 5' der Luftdose 5

  führenden Leitung 6 vereinigt. Diese Leitung bringt

  also den l3eliancilungsraum 2' mit dem Raum 5' in

  Verbindung. Die vorgenannte Einrichtung eignet

  sich in Sonderheit für die Behandlung von

  Flüssigkeit bei Unterdruck im Behandlungs-

  raum 2', wobei sich durch die Ausbildung der

  Apparatur und Anordnung der Teile in dem

  Luftrahm 5' gleiche Druckverhältnisse einstellen.

  Selbstverständlich ist es möglich, mit dieser

  Vorrichtung auch bei Überdruck zu arbeiten,

  wenn der Luftraum 3' so groß bemessen ist, daß

  keine Benetzung der angrenzenden Fläche des

  Schwingers eintreten kann. Es steht natürlich nichts

  im Wege, die Einrichtung, ebenso wie die nach

  Fig. i. in einem mit einem elektrisch isolierenden

  Mittel, z. 13. Öl, gefüllten Behälter anzuordnen. Ein

  unerwünschter Stromübergang zwischen den Be-

  legungen des Schwingers durch die Flüssigkeit läßt

  sich durch Verlängerung der Leitung, z. B. durch

  Anordnung des Leitungsstückes q in Windungen

  und durch Verwendung eines isolierenden Werk-

  stoffes für den Teil s. wesentlich vermindern oder

  ganz vermeiden.

  In der Fig.3 ist die Einrichtung gemäß der Er-

  findung in der gleichen Weise aufgebaut wie in

  Fig. i, jedoch ist an Stelle des Sammelgefäßes ein

  Ausgleichsgefäß io vorgesehen. Der Behälter io ist

  als kommunizierendes Gefäß ausgebildet und mit

  einer Ausgleichsflüssigkeit 8 zum Teil gefüllt. Der

  eine Schenkel des Ausgleichsgefäßes io ist über die

  Leitung ,4 mit dem 13ehandlung:raum 2' und der an-

  dere Sehenkel durch die Leitung 16 mit dem Luft-

  raum 5' verbunden. Die Arbeitsweise der in der

  Fig. 3 dargestellten Vorrichtung ist die gleiche wie

  bei der Fig. i bereits beschrieben wurde. Die Funk-

  tion des Ausgleichsgefäßes io als zwischen den

  beiden Räumen 2'tiild 5' eingeschaltetes kommunizie-

  iendes Gefäß zum Druckausgleich ist die bei Behäl-

  iern dieser Art bekannte, so daß weitere Ausfüh-

  rungen in dieser Beziehung nicht erforderlich sind.

  Der mit dem Luftraum verbundene Schenkel des

  Ausgleichsgef<ilJes sowie die Leitung 6 erhalten

  zweckmäßig je eine Abschlußvorriöhtung i i und 12,

  z. B. Hähne, zum Zwecke der Entlüftung und zum

  Einfüllen einer isolierenden Druckflüssigkeit, mit

  der gegebenenfalls der nicht von der Ausgleichs-

  flüssigkeit 8 gefüllte Teil dieses Schenkels des Ge-

  fäßes io sowie die Leitung 0 und ein Teil der Luft-

  dose 3 gefüllt sind.

  In der f"'-.3 ist die Einrichtung, wie bereits in

  der Beschreibung der vorhergehenden Figur ange-

  deutet, in einem Behälter 13 untergebracht, der mit

  einem isolierenden Mittel, z. B. 01, gefüllt ist, das

  chirch die Pumpe 14 in Umlauf gesetzt wird und

  dem Behälter 13 durch die Leitung 15 zu- und aus

  dein Behälter durch die Leitung 16 abgeführt wird.

  Zur Kühlung der als Isolationsmittel wirkenden

  FlÜssigkeit ist ein Kühler 17, der in der Zeichnung

  in die Leitung 16 eingebaut ist, vorgesehen. Die Zu-

  und Abführungsleitungen 3 und .4 für den Behand-

  lungsbehälter 2 sind durch die Wandungen des Iso-

  liergefäßes 13 gut abgedichtet hindurchgeführt. Die

  vorbeschriebene Einrichtung eignet sich für die Behandlung von Flüssigkeiten mittels Ultraschall sowohl bei Über- als auch bei Unterdruck gleich gut.
• In der Fig.4 ist eine Ausbildung des Gegenstandes der Erfindung dargestellt, die sich nur für die Behandlung bei Überdruck eignet. Die wesentlichen Teile der Vorrichtung stimmen in ihrer Ausbildung und Wirkungsweise mit denen der vorbeschriebenen Figuren überein und weisen dieselben Bezugszeichen auf. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, steht sowohl der Behandlungsraum 2' als auch der Luftraum 5' mit dem Raum des die eigentliche Behandlungseinrichtung umgebenden Isoliergefäßes 13 in Verbindung, und zwar über ein kommunizierendes Gefäß 18, das zum Teil mit einer Sperrflüssigkeit gefüllt ist und dessen einer Schenkel über die Leitung mit dem Behandlungsraum--' in Verbindung steht, während sein anderer Schenkel offen ist, so daß Druckänderungen sich unmittelbar auf den Raum des Gefäßes 13 bzw. auf dessen Füllung und damit auf den Luftraum 5' übertragen. Der zuletzt genannte Raum 5' befindet sich innerhalb der in an sich bekannter Weise ausgebildeten und angeordneten Luftdose 5, die mit Luft gefüllt ist und an ihrem Boden eine Durchbreehung aufweist. Im vorliegenden Falle kann der Boden der Luftdose auch in Wegfall kommen, so daß sie lediglich aus einem erhöhten Rand besteht und einerseits von der einen Sc'hwingerfläche und andererseits von der in dem Raum des Behälters 13 vorhandenen Flüssigkeit begrenzt wird. je nach den vorliegenden Druckverhältnissen wird die zwischen dem Schwinger und der Sperrflüssigkeit vorhandenen Luft mehr oder weniger zusammengedrückt werden, und .es wird damit auf dieser Seite des Schwingerzeugers der angestrebte Druckausgleich herbeigeführt.
• Der Gegenstand der Erfindung kann noch in der verschiedensten `''eise ausgebildet sein.
• So zeigt z. B. die Fig. 5 eine Einrichtung ohne Luftdose, die aber in ihrem sonstigen Aufbau genau der Vorrichtung gemäß Fig.4 entspricht und deren Teile die gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Teile in der zuletzt genannten Figur aufweisen. An Stelle der Luftdose ist eine Metallpatte i9 angeordnet, die die gleiche Funktion wie die Luftdose, nämlich die Reflexion der nach dieser Richtung vom Quarz ausgehenden Schwingungen, erfüllt. Die Metallplatte weist zweckmäßig eine Dicke auf, die ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der in ihr sich ausbildenden Schwingungen beträgt. Die Entfernung vom Quarzschwinger ist so gewählt, daß die reflektierten Wellen konplias mit dem Schwingungszustand der Quarzplatte sind, so daß also die Energieabgabe der oberen Fläche des Quarzschwingers wie durch die Wirkung der Luftdose annähernd verdoppelt wird.
• Die Arbeitsweise der in der Fig.5 dargestellten Vorrichtung geht aus der Zeichnung in Verbindung in] t der Beschreibung der Einrichtung gemäß Fig.4 klar hervor. Durch das als kommunizierendes Gefäß ausgebildete Ausgleichsgefäß i8 werden sowohl im Behandlungsraum 2' als auch im Raum des Gefäßes 13 immer die gleichen Druckverhältnisse bergestellt, wobei auch die untere Fläche des Schwingers t ebenso wie die Metallplatte i9 von dem isolierenden Medium, mit dem der Rand des Gefäßes 13 gefüllt ist, dauernd benetzt wird.
• Die elektrischen Leitungen und Anschlüsse sind bei den in den vorgenannten Figuren beschriebenen Einrichtungen der Einfachheit halber nicht mit ein-",ezeichnet.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten mit Ultraschall unter Über- oder Unterdruck, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herbeiführung und Aufrechterhaltung gleicher Druckbelastungen auf den beiden Flächen des Schwingerzeugers, z. B. eines Quarzschwingers, bzw. in den von diesen Flächen einseitig begrenzten Räumen Druckausgleichsmittel (7, 9, io, 18) angeordnet sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, bei der der Schwingerzeuger einerseits den über seiner energieabgebenden Fläche angeordneten Behandlungsraum für die Flüssigkeit und andererseits den auf der entgegengesetzten Seite angeordneten reflektierenden Gasraum, z. B. eine sog. Luftdose, einseitig begrenzt, dadurch gekennzeichnet, d.aß die beiden Räume durch außerhalb dieser angeordneten Leitungen über ein Druckausgleichsgefäß oder eine Ausgleichsleitung in Verbindung stehen.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behandlungsraum und der reflektierende Gasraum miteinander über einen als eine Sperrflüssigkeit, z. B. Quecksilber, enthaltendes kommunizierendes Gefäß (io, 18) ausgebildeten Druckausgleiohsbehälter in Verbindung stellen.
4. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung in einem mit einem isolierenden Medium, z. B. Öl, ,angefüllten geschlossenen 13Chälter (13) angeordnet ist und die Zu- undAbführung@sleitungen (3, 16) für die zu behandelnde Flüssigkeit durch die Wandungen dieses Behälters Ihindurchgeführt sind.
5. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behandlungsraum (2') und der reflektierende Gasraum (5') der Schwingereinrichtun,güber den ein isolierendes Medium enthaltenden Raum des die Einrichtung umgebenden Behälters (13) in Verbindung stehen, und zwar in der Weise, daß der Behandlungsraum über ein kommunizierendes Gefäß (18) und der eine Gasfüllung, z. B. Luft, enthaltende Gasraum unmittelbar, beispielsweise über'Durchbrechungen (Fig. 4), mit dem Raum des Isolierbehälters in Verbindung stehen.
6. 6. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, z. B. eine Pumpe (14), die das isolierende Medium des Behälters gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Kühlers (17) in Umlauf setzen.
7. 7. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des isolierenden Mediums in dem Behälter dem Arbeitsdruck in dem Behandlungsraum angepaßt ist. B. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Luftdose unterhalb des Quarzschwingers eine Metallplatte angeordnet ist, deren Entfernung vom Quarzschwinger so gewählt ist, daß die reflektierten Wellen konphas mit dem Schwingungszustand der Quarzplatte sind und die Dicke der Quarzplatte ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der in ihr sich ausbildenden Schwingungen beträgt.