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DE102004025836B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Ultraschall in ein fließfähiges Medium - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Ultraschall in ein fließfähiges Medium Download PDF

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DE102004025836B3
DE102004025836B3 DE102004025836A DE102004025836A DE102004025836B3 DE 102004025836 B3 DE102004025836 B3 DE 102004025836B3 DE 102004025836 A DE102004025836 A DE 102004025836A DE 102004025836 A DE102004025836 A DE 102004025836A DE 102004025836 B3 DE102004025836 B3 DE 102004025836B3
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Holger Hielscher
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Dr Hielscher GmbH
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Dr Hielscher GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Ultraschall in ein fließfähiges Medium mittels einer Sonotrode, wobei das fließfähige Medium nicht direkt mit der Sonotrode in Berührung steht. DOLLAR A Vorgeschlagen wird ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A - Anbringen einer Folie (8) an die Sonotrode (4), derart, dass die Anpresskraft, mit der die Folie (8) an die Sonotrode (4) gepresst wird, immer so groß ist, dass die Folie (8) den Hubbewegungen der Sonotrode (4) in der entsprechenden Frequenz und Amplitude folgt, DOLLAR A - Einbringen der Ultraschallleistung über die Folie (8) in das Medium (2) und Verlagerung der Verschleißerscheinungen auf die Folie (8).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Ultraschall in ein fließfähiges Medium mittels einer Sonotrode, wobei das fließfähige Medium nicht direkt mit der Sonotrode in Berührung steht.
  • Bei entsprechendem Energieeintrag in ein fließfähiges Medium kommt es im beschallten Bereich zur Kavitation mit lokal konzentrierten extrem hohen Drücken und Temperaturen, was bei direktem Kontakt von Sonotrode und behandeltem Medium zur Ablösung feinster Partikel aus dem Sonotrodenmaterial führt. Die meisten üblichen Sonotroden haben metallische Oberflächen, so dass es zum Eintrag von Feinstpartikeln und Metallionen in das behandelte Material kommt, was für viele ultraschallbehandelte Materialien wie Lebens- oder Arzneimittel höchst unerwünscht ist. Zudem ist der Verschleiß des Sonotrodenmaterials als solcher bereits nachteilig, da dieser zum Rauwerden der Oberfläche und zu anschließender Bildung von Mikrorissen in der Sonotrode führt und die Sonotrode in mehr oder weniger großen Zeitabständen ersetzt werden muss. Nach der DE 102 43 837 A1 wird vorgeschlagen, den Ultraschall auf ein Medium unter Zwischenschalten einer weiteren Flüssigkeit zu übertragen, so dass das fließfähige Medium nicht direkt mit der Sonotrode in Berührung kommt, wobei die Flüssigkeit unter erhöhtem Druck steht und vom zu behandelnden Medium durch eine Wandung getrennt ist. Die Übertragungsflüssigkeit muss dazu in einem Druckgefäß gehalten werden, auf dessen Wandung die Sonotrode einwirkt. Damit können Verschleißpartikel nicht von der Sonotrode in das zu behandelnde Medium gelangen. Kavitation findet in den Flüssigkeiten jedoch nach wie vor statt und führt zum Verschleiß der schwingenden Gefäßwandungen der Durchflusszelle und der Sonotrode.
  • Durch die DE 40 41 365 A1 wurde auch bereits vorgeschlagen, das schwingende Ende der Sonotrode zur Verringerung des durch Kavitation bedingten Verschleißes mit einer Schutzschicht aus polykristallinem Diamant zu versehen. Die Maßnahme verteuert die Sonotroden jedoch in erheblichem Maße.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen der an der Sonotrode durch sie selbst verursachte Verschleiß kostengünstig erheblich vermindert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Danach sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
    • – Anbringen einer Folie an die Sonotrode mittels einer Anpresskraft, die so groß gewählt wird, dass die Folie den Hubbewegungen der Sonotrode in der entsprechenden Frequenz und Amplitude folgt,
    • – Einbringen der Ultraschallleistung über die Folie in das Medium und Verlagerung von Verschleißerscheinungen auf die Folie.
  • Die Anpresskraft auf die Folie wird nach einer bevorzugten Variante des Verfahrens durch Erzeugen eines Unterdrucks auf der der Sonotrode zugewandten Seite der Folie gegenüber dem Druck auf der der Sonotrode abgewandten Seite oder bei einer gekrümmten Sonotrode, bei der die Folie außen über der Sonotrode liegt, durch Erzeugen einer Zugkraft auf die Folie aufgebracht.
  • Nach einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird die Folie auf der der Sonotrode zugewandten Seite mit einer Flüssigkeit benetzt, z.B. mit einem Öl, einem Kunstharz oder einer Silikonverbindung.
  • Zweckmäßig wird die Folie während des Betriebes der Sonotrode kontinuierlich oder diskontinuierlich über die Sonotrode bewegt.
  • Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Verschleiß von der Sonotrode auf die Folie verlagert wird. Es ist geeignet zur Anwendung in der Lebensmitteltechnologie, der pharmazeutischen und chemischen Industrie, zur Mischung oder Emulgierung verschiedenartiger Flüssigkeiten, zur Behandlung von Klärschlamm und in anderen Bereichen, in denen Ultraschall eingesetzt wird. Bei Verwendung aggressiver Medien kommt der Vorteil hinzu, dass die Folie die Sonotrode auch vor einer chemischen Reaktion schützt.
  • Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist zweckmäßig so aufgebaut, dass zwischen Sonotrode und Medium eine flexible Folie derart angeordnet ist, dass zum Schutz der Sonotrode vor selbstverursachtem Verschleiß zwischen Sonotrode und Medium eine Folie derart angeordnet ist, dass die Folie an der Sonotrode direkt anliegt oder indirekt in einem Abstand bis 100 μm über der Sonotrode liegt, wobei in diesem Abstand flüssige Mittel vorgesehen sind, und die Folie durch eine Anpresskraft an der Sonotrode) gehalten ist, die durch eine Anzugskraft unterstützt ist, wobei die Anpresskraft während des Betriebes der Vorrichtung immer so groß ist, dass die Folie immer an der Sonotrode direkt oder indirekt anliegt und deren Hubbewegungen folgt.
  • Die Anpresskraft kann einfach dadurch realisiert werden, dass in dem zu beschallenden Medium ein entsprechender statischer oder dynamischer Druck aufrechterhalten wird, so dass die Folie auch bei schwingender Sonotrode ständig an diese gedrückt wird. Die Anpresskraft lässt sich aber auch unterstützen durch weitere Mittel, z.B. indem ein Unterdruck auf die der Sonotrode zugewandte Seite der Folie aufgebracht wird oder – bei gekrümmten Sonotroden – die Folie mittels einer Spannvorrichtung über die Sonotrode gespannt wird, also eine Zugkraft auf die Folie aufgebracht wird.
  • Die Vorrichtung kann in erfindungsgemäß bevorzugter Weise so aufgebaut sein, dass die Folie zwischen einer Einrich tung zur Halterung der Sonotrode und einer Durchflusszelle gespannt ist.
  • Sie kann auch so aufgebaut sein, dass die Folie über eine Plattensonotrode gespannt ist, die in ein offenes Gefäß mit der zu beschallenden Flüssigkeit taucht.
  • Nach einer weiteren Variante kann sie auch als Ultraschallwanne aufgebaut sein, an der Piezoschwinger außen angebracht sind. Die Folie befindet sich dann an der Innenwand der Ultraschallwanne und wird durch Unterdruck an die schwingende Fläche gepresst.
  • Zum Weiterbewegen der Folie ist die Vorrichtung zweckmäßig mit einer Transportvorrichtung ausgerüstet, mit der die Folie kontinuierlich oder abschnittsweise zwischen einer Vorratsrolle und einer Aufnahmerolle weiterbefördert wird.
  • Die Folie kann aus Metall oder Kunststoff bestehen und eine Dicke zwischen 5 und 200 μm aufweisen. Um eine enge Anbindung der Folie an die Sonotrode zu gewährleisten, kann die Folie zusätzlich auf ihrer der Sonotrode zugewandten Seite mit einer Flüssigkeit, einem Öl, einem Kunstharz oder Silikon, benetzt sein.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die aus den zugehörigen Zeichnungen ersichtlichen Anordnungen zeigen in
    •
  • 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Blocksonotrode,
  • 2 schematisch eine solche Vorrichtung mit einem Biegeschwinger als Sonotrode,
  • 3 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Plattenschwinger als Sonotrode,
  • 4 schematisch eine Ultraschallwanne mit der erfindungsgemäßen Folie und
  • 5 schematisch die Erfindung an einer Hohlschwinger-Sonotrode.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Ultraschallbehandlung eines fließfähigen Mediums 2. Ein Ultraschallwandler 3 mit einer Sonotrode 4, hier ausgeführt als Blocksonotrode, ist mit der Vorrichtung 1 über eine Flanschverbindung 5 fest verbunden und zusätzlich mit einer Dichtung 6 gegen den Innenraum der Vorrichtung 1 abgedichtet. An ihrer Unterseite ist die Vorrichtung 1 mit einer Durchflusszelle 7 verbunden, wobei zwischen der Vorrichtung 1 und der Durchflusszelle 7 eine dünne Folie 8, vorzugsweise im Bereich von 5 μm – 200 μm Dicke z.B. 50 μm, so platziert wird, dass die Folie 8 direkt an der Stirnfläche der Sonotrode 4 anliegt und mit Hilfe einer Dichtung 9 den Raum in der Vorrichtung 1 von der Durchflusszelle 7 und die Durchflusszelle 7 nach außen abdichtet.
  • Über einen Ein- und Auslass 10, 11 wird ein zu beschallendes Medium 2 (vorzugsweise eine Flüssigkeit, z.B. Wasser) durch die Durchflusszelle 7 gepumpt. Durch den sich aufbauenden Druck in der Durchflusszelle 7 wird die Folie 8 an die Stirnfläche der Sonotrode 4 gedrückt. Zusätzlich wird über einen Anschluss 12 ein Unterdruck in der Vorrichtung 1 erzeugt, der zusätzlich die Folie 8 über einen kleinen, zwischen der Sonotrode 4 und dem Gehäuse der Vorrichtung 1 verbleibenden Spalt 13, z.B. 0,1 mm, an die Stirnfläche der Sonotrode 4 zieht. Die Kraft, die über den Unterdruck erzeugt wird, muss dabei größer sein als die auf die Folie 8 wirkenden Beschleunigungskräfte an der Stirnfläche der Sonotrode 4, um die Folie 8 immer im Kontakt mit der Sonotrode 4 zu halten. Unterstützt werden kann dieser Vorgang, durch Aufbringen einer schwer aufreißenden Flüssigkeit oder eines Flüssigkeitsfilms auf der dem Medium 2 abgewandten Folienseite.
  • Über die Sonotrode 4 und die Folie 8 wird während des Betriebes der Vorrichtung 1 ein Kavitationsfeld in der Durchflusszelle 7 erzeugt. Die durch die Wirkung der Kavitation hervorgerufenen Abnutzungserscheinungen beziehen sich nun ausschließlich auf die Folie B. Je nach Größe der auftretenden mechanischen Amplitude, hier z.B. 100 μm, und der Eigenschaften der Folie 8, werden Standzeiten der Folie 8 von mehreren Minuten erreicht. Eine Transportvorrichtung 14 für die Folie 8 sorgt dafür, dass die Beschallungszeit der Folie 8 immer kleiner als deren Standzeit gehalten wird.
  • 2 zeigt eine Variante der Vorrichtung 1 mit einem Biegeschwinger als Sonotrode 4.
  • 3 zeigt eine Ultraschall-Behandlungseinrichtung mit einem offenen Behandlungsgefäß 15. Durch einen Ultraschallwandler 3 wird eine Sonotrode 4 zum Schwingen gebracht. Die Schwingungen werden über die Stirnfläche der Sonotrode 4 in ein flüssiges Medium 2 abgegeben.
  • Um die durch Kavitation entstehenden Verschleißerscheinungen an der Stirnfläche der Sonotrode 4 zu unterdrücken, wird eine dünne Folie 8 über eine Transportvorrichtung 14 so eingebracht, dass das Medium 2 die Stirnfläche der Sonotrode 4 nicht berührt. Die Folie 8 hat dabei vorzugsweise eine Dicke von 5 μm – 200 μm, hier z.B. 50 μm. Die Zugkraft über die Transportvorrichtung 14 muss dabei wiederum so groß sein, dass die Folie 8 permanent an die Stirnfläche der Sonotrode 4 gepresst wird. Während des Betriebes muss diese Anpresskraft in jedem Fall größer als die Beschleunigungskraft sein, die durch die schwingende Sonotrode 4 auf die Folie 8 wirkt.
  • 4 zeigt die Erfindung in Verbindung mit einer Ultraschallwanne. Der Aufbau einer Ultraschallwanne ist an sich hinlänglich bekannt und beschrieben.
  • Die Vorrichtung besteht aus der eigentlichen Wanne 16, an der Piezoschwinger 17 von außen angebracht sind und die so wie eine Sonotrode wirkt. Um die durch die Kavitation entstehenden Verschleißerscheinungen zu unterdrücken, wird in die Wanne 16 eine dünne Folie 18 eingebracht. Die Folie 18 hat dabei vorzugsweise eine Dicke von 5 μm – 200 μm, hier z.B. 50 μm.
  • Die Folie 18 wird durch einen Deckel 19 fixiert, der gleichzeitig den Raum zwischen der Folie 18 und der Wanne 16 dicht abschließt. Über einen Anschluss 20 wird die Folie 18 durch Erzeugung eines Unterdrucks an die Wanne 16 gezogen.
  • 5 zeigt die Erfindung in Verbindung mit einem Hohlschwinger, wiederum in einem offenen Behandlungsbehälter 15. Die Mantelfläche eines als Hohlschwinger ausgebildeten Ultraschallwandlers 21 wird zum Schwingen gebracht. Die Schwingungen werden über diese Mantelfläche in die Flüssigkeit 2 abgegeben.
  • Um die durch Kavitation entstehenden Verschleißerscheinungen an der Mantelfläche des Ultraschallwandlers 21 zu unterdrücken, wird eine dünne Folie 8 über eine Transportvorrichtung 14 so eingebracht, dass keine Flüssigkeit 2 die Mantelfläche des Ultraschallwandlers 21 berührt. Die Folie 8 hat dabei vorzugsweise eine Dicke von 5 μm – 200 μm, hier z.B. 50 μm. Über eine Vorrichtung 22 zum Andrücken der Folie 8 wird diese so um den Ultraschallwandler 21 gelegt, dass keine Flüssigkeit 2 die Mantelfläche des Ultraschallwandlers 21, auch an den Umlenkpunkten, berühren kann. Die Zugkraft über die Transportvorrichtung 14 muss dabei so groß sein, dass die Folie 8 permanent an die Mantelfläche des Ultraschallwandlers 21 gepresst wird. Während des Betriebes muss diese Anpresskraft in jedem Fall größer als die Beschleunigungskraft sein, die durch die schwingende Mantelfläche des Ultraschallwandlers 21 auf die Folie 8 wirkt.
    • 1
    Vorrichtung (zur Aufnahme der Ultraschall-
    Sonotrode)
    2
    fließfähiges Medium
    3
    Ultraschallwandler
    4
    Sonotrode
    5
    Flanschverbindung
    6
    Dichtung
    7
    Durchflusszelle
    8
    Folie
    9
    Dichtung
    10
    Einlass (des zu beschallenden Mediums)
    11
    Auslass (des zu beschallenden Mediums)
    12
    Anschluss zur Unterdruckerzeugung
    13
    Spalt
    14
    Transportvorrichtung
    15
    Behandlungsgefäß
    16
    Wanne
    17
    Piezoschwinger
    18
    Folie
    19
    Deckel
    20
    Anschluss zur Unterdruckerzeugung
    21
    Ultraschallwandler
    22
    Vorrichtung (zum Andrücken der Folie)

Claims (20)

  1. Verfahren zum Einbringen von Ultraschall in ein fließfähiges Medium über eine Sonotrode, wobei das fließfähige Medium nicht direkt mit der Sonotrode in Berührung steht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Anbringen einer Folie an die Sonotrode mittels einer Anpresskraft, die so groß gewählt wird, dass die Folie den Hubbewegungen der Sonotrode in der entsprechenden Frequenz und Amplitude folgt, – Einbringen der Ultraschallleistung über die Folie in das Medium und Verlagerung von Verschleißerscheinungen auf die Folie.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresskraft der Folie durch Erzeugen eines Unterdrucks auf der der Sonotrode zugewandten Seite erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich auf der der Sonotrode abgewandten Seite der Folie ein Überdruck aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresskraft der Folie durch Erzeugen einer Zugkraft auf die Folie aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie auf der der Sonotrode zugewandten Seite mit einer Flüssigkeit benetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie kontinuierlich oder diskontinuierlich über die Sonotrode bewegt wird.
  7. Vorrichtung zum Einbringen von Ultraschall in ein fließfähiges Medium (2) über eine Sonotrode (4; 16; 21), wobei das fließfähige Medium (2) nicht direkt mit der Sonotrode (4; 16; 21) in Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der Sonotrode (4; 16; 21) vor selbstverursachtem Verschleiß zwischen Sonotrode (4; 16; 21) und Medium (2) eine Folie (8; 18) derart angeordnet ist, dass die Folie (8; 18) an der Sonotrode (4; 16; 21) direkt anliegt oder indirekt in einem Abstand bis 100 μm über der Sonotrode (4; 16; 21) liegt, wobei in diesem Abstand flüssige Mittel vorgesehen sind, und die Folie (8; 18) durch eine Anpresskraft an der Sonotrode (4; 16; 21) gehalten ist, die durch eine Anzugskraft unterstützt ist, wobei die Anpresskraft während des Betriebes der Vorrichtung immer so groß ist, dass die Folie (8; 18) immer an der Sonotrode (4; 16; 21) direkt oder indirekt anliegt und deren Hubbewegungen folgt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (8) zwischen einer Einrichtung (1) zur Halterung der Sonotrode (4) und einer Durchflusszelle (7) aufgespannt ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (18) an die Innenwand einer Ultraschallwanne (16) gepresst ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (8) um die Sonotrode (21) herumgelegt und mittels einer Spannvorrichtung (22) gehalten ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein hinter der der Sonotrode (4; 16) zugewandten Seite der Folie (8; 18) gebildeter Raum mit einem Unterdruck beaufschlagt ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Medium (2) unter Überdruck steht.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Transportvorrichtung (14) zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Weiterbewegung der Folie (8) ausgerüstet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (8; 18) auf der der Sonotrode (4; 16; 21) zugewandten Seite mit einer Flüssigkeit benetzt ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Öl ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Kunstharz ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine Silikonverbindung ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (8; 18) eine Metallfolie ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (8; 18) eine Kunststofffolie ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Folie (8; 18) zwischen 5 und 200 μm liegt.
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