DE3523389A1 - Verfahren und vorrichtung zur optimierung des zerstaeubungsverhaltens eines piezoelektrischen ultraschall-koppelschwingers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung des Zerstäubungsverhaltens eines piezo­ elektrischen Ultraschall-Koppelschwingers zur Flüssig­ keitszerstäubung, der aus einem durch Piezoscheiben an­ regbaren Schwingergrundkörper und einem mit dem Schwinger­ grundkörper verbundenen Zerstäuberteller besteht.

Bei den bekannten Ultraschall-Koppelschwingern nach Lierke und Pohlmann wird die Betriebsresonanzfrequenz des Wandlers durch das Zusammenwirken zweier Grundfre­ quenzen des schwingungsfähigen Systems gebildet. Die Lamda/2-Longitudinal-Resonanzfrequenz des Schwingergrund­ körpers ohne Zerstäubungsteller wirkt über die anregenden Piezoscheiben als Erregerfrequenz und der Teller mit sei­ ner Lamda/4-Biegeresonanzfrequenz wird in einer erzwungenen Schwingung betrieben (siehe Erläuterungsskizze). Diese zwei Frequenzen sind beim fertigen Koppelschwinger nicht einzeln meßbar, sie sind zu einer einzigen, zwischen diesen Frequenzen liegenden Gesamtresonanzfrequenz ver­ schmolzen, welche als Betriebsresonanzfrequenz des Wand­ lers vorhanden ist. Eine optimale Tellerschwingungsampli­ tude, welche zur Zerstäubung notwendig ist, scheint bei oberflächlicher Betrachtung dann erreicht zu sein, wenn die Grundlongitudinalresonanz mit der Tellerresonanz über­ einstimmt. Dies führt aber nachweislich zu einem totalen Verschwinden der gewünschten Wandlerresonanz. Der Grund hierfür ist, daß eine beliebige Näherung der Grundlongi­ tudinalfrequenz an die Tellerresonanz nicht möglich ist, weil der Teller wegen des Zerstäubungsverhaltens und der Schnelleverteilung auf dem Teller in der Nähe der Lamda/ 4-Biegeresonanz betrieben werden muß. Physikalisch be­ deutet dies, daß die Lamda/2-Grundlongitudinalfrequenz des Schwingergrundkörpers ein Schnellemaximum am Schwinger­ ende bedingt, also an der Stelle, an der der Teller an­ gebracht ist, während der Teller in Lamda/4-Resonanz ein Schnelleminimum in der Tellermitte, also an der gleichen Stelle, erfordern würde. Diese beiden Forderungen wider­ sprechen sich grundsätzlich, insbesondere auch deshalb, weil zwischen diesen beiden schwingungsfähigen Systemen eine feste Kopplung besteht. Die Tellerbiegeresonanz be­ dämpft die Grundlongitudinalresonanz so, daß im Extrem­ fall einer kritischen Abstimmung des Wandlers die er­ wünschte Wandlerresonanz, gebildet aus den beiden oben genannten Grundresonanzen, total verschwindet bzw. sich sprunghaft verschiebt.

Andererseits ist aber insbesondere für die Zerstäubung von hochviskosen Flüssigkeiten, oder für die Zerstäubung von Flüssigkeiten über weite Temperaturbereiche insbeson­ dere bei sehr tiefen Temperaturen, eine große Amplitude des Zerstäubungstellers nötig. Da der Teller in einer er­ zwungenen Schwingung betrieben wird, ist bei größerem Unterschied zwischen Erregerfrequenz (Wandlerresonanz­ frequenz) und Resonatorfrequenz (Tellerresonanzfrequenz) zur Erzeugung einer genügend großen Telleramplitude eine große Erregeramplitude, d.h. bei diesem Schwingertypus eine große Schnelletransformation durch große Querschnitts­ änderungen des Wandlers bzw. ein großer Leistungsaufwand zur Erzeugung der großen Schnelleamplituden nötig. Es ist bisher nur schlecht gelungen, auf diese Art ein Optimum an Zerstäubungsverhalten zu erzeugen.

Möglichst große Telleramplituden sind andererseits auch über eine definierte Annäherung der Wandlerresonanz an die Tellerresonanz möglich. Da die beiden an der Wandler­ resonanz beteiligten "Grundresonanzfrequenzen" von ver­ schiedenen Faktoren der Schwingergeometrie sowie von der Massenverteilung im Schwinger und selbstverständlich auch von den Schallgeschwindigkeiten der verwendeten Materialien abhängen, dazuhin für die Schnelleamplituden die Ladungs­ konstante der Piezoscheiben zusätzlich verantwortlich ist, ist eine sorgfältige Dimensionierung des Wandlers nötig, um nicht, wie oben beschrieben, durch überkritische Ab­ stimmung den Wandler unbrauchbar zu machen.

Von den mechanischen Abmessungen her oder von den Material­ konstanten der verwendeten Metalle gibt es keine Schwierig­ keiten, die Toleranzen sind sehr eng. Aus produktions­ technischen Gründen sind aber die verwendeten Piezoschei­ ben bezüglich einiger wesentlicher Parameter, vor allen Dingen der Schallgeschwindigkeit und der piezoelektrischen Ladungskonstanten, relativ großen Toleranzen unterworfen, zudem ändern sich diese Parameter mit der Zeit. Da aber gerade die Schallgeschwindigkeit der Scheiben im Verhält­ nis der Dicke der Scheiben zur Gesamtlänge des Wandlers in die Grundlongitudinalresonanzfrequenz und damit in die Wandlerresonanz eingeht und sich dadurch auf die Teller­ amplituden auswirkt, ist eine Abstimmung des Wandlers notwendig, wenn man obigen Effekt der Erhöhung der Teller­ amplituden durch gezielte Annäherung der Wandlerresonanz an die Tellerresonanz, ohne ein Versagen des Wandlers zu provozieren, ausnutzen will. Die Tellerresonanzfrequenz läßt sich nach der Herstellung nur noch durch spanabhe­ bende Bearbeitung in einer Richtung ändern, eine solche "Abstimmung" scheidet, da sie irreversibel und einseitig ist, von vorneherein aus.

Eine Selektion der Piezoscheiben nach Schallgeschwindig­ keit und Ladungskonstante und eine Anpassung der geometri­ schen Abmessungen (Drehmaße) der Wandler bei der Fertigung an diese Scheiben ist aus Kostengründen für große Stück­ zahlen undenkbar, weil sie eine ständige Umstellung der Drehmaschine erforderlich machen würde.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Funktion des Ultraschall-Koppelschwingers der eingangs erwähnten Art zu verbessern und vor allem zu verhindern, daß aufgrund einer überkritischen Abstimmung, die insbe­ sondere durch die unvermeidlichen Toleranzen der Piezo­ scheiben bezüglich Schallgeschwindigkeit und Ladungs­ konstante eintreten kann, die gewünschte Eigenfrequenz des Wandlers ganz verschwindet.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ge­ mäß den Unteransprüchen gelöst. Durch die reversiblen Ver­ änderungen der Länge, der Masse oder der Masseverteilung des Schwingergrundkörpers wird auch die Grundlongitudinal­ frequenz des Schwingergrundkörpers und damit verbunden auch die Schwingamplitude des Zerstäubertellers verändert. Auf diese Weise erhält man einen abstimmbaren Wandler, mit dem der nachteilige Einfluß der unvermeidbaren To­ leranzen der Piezoscheiben, insbesondere hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit und der Ladungskonstante, auf die Zerstäubungseigenschaften ausgeglichen werden kann. Insbe­ sondere bei der Zerstäubung hochviskoser Flüssigkeiten oder bei tiefen Betriebstemperaturen wird mit der erfin­ dungsgemäßen Abstimmung des Schwingergrundkörpers eine Optimierung des Zerstäubungsverhaltens des Wandlers erzielt.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, die mehrere Ausführungsbeispiele darstellt, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des piezo­ elektrischen Ultraschall-Koppelschwingers mit einer Zwischenscheibe zur Längenände­ rung,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Ultra­ schall-Koppelschwingers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer wei­ teren Ausführungsform des Ultraschall-Kop­ pelschwingers mit einer verschiebbaren Mas­ se zur Änderung der Masseverteilung,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform des Ultra­ schall-Koppelschwingers nach Fig. 3 und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des Ultra­ schall-Koppelschwingers nach Fig. 3

Die schematische Zeichnung zeigt in vereinfachter Dar­ stellung den prinzipiellen Aufbau eines Ultraschall-Kop­ pelschwingers, der aus einem Schwingergrundkörper 1 und einem Zerstäuberteller 2 besteht. Der Zerstäuberteller 2 ist an der Stirnseite eines Schafts 3 angeordnet, der mit dem Schwingergrundkörper 1 verbunden ist. Im Schwin­ gergrundkörper 1 sind zwei Piezoscheiben 4 angeordnet, die den Schwingergrundkörper 1 und den Zerstäuberteller 2 bei Zuführung elektrischer Energie in Schwingungen ver­ setzen, wobei die Schwingungen des Zerstäubertellers 2 vom Schwingergrundkörper 1 angeregt werden. Durch einen Kanal 5 im Schaft 3 wird dem Zerstäuberteller 2 die zu zerstäubende Flüssigkeit zugeführt.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist im Schwingergrund­ körper 1 zusätzlich zu den Piezoscheiben 4 eine weitere Zwischenscheibe 6 angeordnet, durch die die Länge des Schwingergrundkörpers 1 und damit seine Grundlongitudinal­ frequenz veränderbar ist. Diese Veränderung der Grundlongi­ tudinalfrequenz ist erforderlich, um das durch unterschied­ liche Schallgeschwindigkeiten oder Ladungskonstanten der Piezoscheiben 4 geänderte Schwingungsverhalten, das sich auf die Funktion des Zerstäubertellers 2 nachteilig aus­ wirken kann, wieder auszugleichen. Die mit unterschied­ lichen elektromechanischen Eigenschaften anfallenden Pie­ zoscheiben 4 werden bezüglich der Schallgeschwindigkeit und der Ladungskonstanten selektiert und in Gruppen mit gleicher oder geringfügig abweichender Qualität zusammen­ gefaßt. Um eine bestimmte, optimale Schwingungsamplitude des Zerstäubertellers 2 zu erhalten, werden die Zwischen­ scheiben 6 in ihrer Dicke passend zu den selektierten Piezoscheiben 4 ausgewählt und in den Schwingergrundkör­ per 1 eingebaut. Es können auch mehrere Zwischenscheiben 6 gleicher oder unterschiedlicher Dicke für den Einbau ver­ wendet werden. In gleicher Weise kann auch die zwischen den Piezoscheiben 4 liegende Zwischenelektrode 7 mit un­ terschiedlicher Dicke für den Einbau vorgesehen werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der den Zerstäu­ berteller 2 tragende Schaft 3 in einer Gewindebohrung 8 des Schwingergrundkörpers 1 angeordnet. Da sich die Ge­ windebohrung 8 in der Längsrichtung des Schwingergrund­ körpers 1 erstreckt, kann dessen Länge und damit seine Grundlongitudinalfrequenz durch Ein- und Ausschrauben des Schaftes 3 verändert werden. Mit Hilfe einer Kontermutter 9 ist der Schaft 3 in der gewünschten Position fixierbar.

Die Fig. 3 zeigt den Ultraschall-Koppelschwinger mit einer Masse 10, die auf dem Schaft 3 in Längsrichtung des Schwin­ gergrundkörpers 1 verschiebbar ist. Mit einer Klemmschrau­ be 11 kann die Masse 10 in der gewünschten Position fixiert werden. Durch die Verschiebung der Masse 10 wird eine Änderung der Masseverteilung und damit auch eine Änderung der Grundlongitudinalfrequenz des Schwinger­ grundkörpers 1 erreicht. Es können mehrere Massen 10 unter­ schiedlicher Größe zur Auswahl für den Einbau vorgesehen werden.

Eine ähnliche Ausführung ist in Fig. 4 dargestellt. Am Schwingergrundkörper 1 ist ein sich in Längsrichtung er­ streckender Gewindebolzen 12 mit aufgeschraubter Masse 10 und Klemmschraube 11 befestigt. Durch Ein- und Ausschrau­ ben der Masse 10 kann die Masseverteilung des Schwinger­ grundkörpers 1 verändert werden.

Die Fig. 5 zeigt den Ultraschall-Koppelschwinger mit einer Abstimmschraube 13, die in einer Gewindebohrung 14 des Schwingergrundkörpers 1 angeordnet ist. Durch Ein- und Aus­ schrauben der Abstimmschraube 13 wird eine Feinabstimmung des Schwingungsverhaltens erreicht.

Eine weitere Möglichkeit zur Optimierung des Zerstäubungs­ verhaltens besteht darin, daß die Piezoscheiben 4 relativ zur Wandlerlänge möglichst dünn gewählt werden, damit die Toleranzen der Piezoscheiben bezüglich der Schallge­ schwindigkeit möglichst wenig Einfluß auf die Wandler­ resonanz und damit auf die Telleramplitude haben.

Die Wirkungsweise des Ultraschall-Koppelschwingers ge­ mäß der Erfindung ist wie folgt.

Der Ultraschall-Koppelschwinger zur Flüssigkeitszerstäu­ bung ist ein schwingungsfähiges Gebilde mit einer mecha­ nischen Eigenfrequenz. Diese Eigenfrequenz oder Resonanz­ frequenz setzt sich aus zwei Grundfrequenzen zusammen, der Grundlongitudinalfrequenz des Schwingergrundkörpers 1 ohne Zerstäuberteller 2 (Länge des Körpers ungefähr gleich halber Wellenlänge) und der Biegeresonanzfrequenz des Zer­ stäubertellers 2 (Tellerradius ungefähr gleich ein Vier­ tel der Wellenlänge). Zur Zerstäubung benötigt man eine ausreichende Schwingamplitude des Zerstäubertellers. Die Amplitude des Zerstäubertellers hängt von der Amplitude der Grundlongitudinalschwingung (hier als Erregerfrequenz wirkend), dem Abstand der Tellerresonanzfrequenz zur Eigenfrequenz des Wandlers (Resonanzerscheinung), der Schnelletransformation im Wandler und sonstigen mechani­ schen Eigenschaften des Zerstäubertellers 2 ab. Eine zu starke Näherung der Zerstäuber-Eigenfrequenz an die Tel­ lerresonanz ist aus physikalischen Gründen nicht mög­ lich, weil die Grundlongitudinalschwingung am Schwinger­ ende ein Schnellemaximum, der Teller aber an der gleichen Stelle ein Schnelleminimum hat. Eine zu starke Näherung der beiden Frequenzen läßt die Eigenfrequenz des Wandlers verschwinden.

Die unvermeidlichen Toleranzen der die Schwingung an­ regenden Piezoscheiben 4 bezüglich der Schallgeschwindig­ keit und der piezoelektrischen Ladungskonstanten wirken sich auf die Eigenfrequenz des Wandlers direkt aus. Es treten damit bei der Fertigung der Wandler je nach Streu­ ung der Piezoscheiben 4 starke Unterschiede in der Zer­ stäubungsqualität der Wandler auf, unter Umständen sind die Wandler sogar unbrauchbar. Abhilfe kann nur durch ge­ zielte Kompensation der Scheibentoleranzen über einen ab­ stimmbaren Wandler erfolgen.

Nach der mechanischen, spanabhebenden Fertigung des Schwingergrundkörpers 1 ist die Resonanz des Zerstäuber­ tellers 2 bereits festgelegt, kann also nicht mehr be­ einflußt werden (außer durch weitere spanabhebende Be­ arbeitung). Die Grundlongitudinalfrequenz des Schwinger­ grundkörpers 1 kann aber mit Hilfe einer Längenänderung oder einer Änderung der Massenverteilung beeinflußt werden. Wenn man nun die Eigenfrequenz des Wandlers gezielt der Tellerresonanz nähern kann, können die Einflüsse der Piezoscheiben 4 kompensiert werden und es kann dadurch die gewünschte Telleramplitude eingestellt werden.

Die vom Hersteller gelieferten Piezoscheiben 4 müssen, da sie sich in ihrer Schallgeschwindigkeit und ihren La­ dungskonstanten unterscheiden, entweder vermessen wer­ den oder vom Hersteller hinsichtlich dieser Parameter spezifiziert sein. Nach diesen gemessenen oder angegebe­ nen Größen von Schallgeschwindigkeit und Ladungskonstante werden die am Schwinger vorzunehmenden Änderungen festge­ legt. Danach kann die Endfertigung der Schwinger beginnen.

Selbstverständlich ist mit den Abstimmethoden nach Fig. 2, 3, 4 und 5 auch eine Abstimmung nach endgültiger Fertig­ stellung des Schwingers möglich.

Eine vorherige Festlegung der Änderungen wird aber ratio­ neller sein, da die Piezoscheiben aus einer Hersteller­ charge nur sehr wenig streuen, d.h., die Änderungen am Schwinger für eine Anzahl von Scheiben aus einer Her­ stellercharge immer die gleichen sind, solange bestimmte mechanische Toleranzen des Schwingers eingehalten werden. Mit diesen Abstimmethoden lassen sich selbstverständlich auch Schwinger für sehr spezielle Aufgaben herstellen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Optimierung des Zerstäubungsverhaltens eines piezoelektrischen Ultraschall-Koppelschwingers zur Flüssigkeitszerstäubung, der aus einem durch Piezo­ scheiben anregbaren Schwingergrundkörper und einem mit dem Schwingergrundkörper verbundenen Zerstäuberteller besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfre­ quenz des Schwingergrundkörpers (1) nach seiner Ferti­ gung entsprechend der gewünschten Zerstäuberresonanz­ frequenz reversibel veränderbar ist.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen, die Masse oder die Masseverteilung des Schwingergrund­ körpers (1) veränderbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Schwingergrundkörpers (1) veränder­ bar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Piezoscheiben (4) eine oder mehrere Zwischenscheiben (6) in den Schwingergrund­ körper (1) einbaubar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Zwischenscheiben (6) oder Zwischenelektroden (7) unterschiedlicher Dicke zur Auswahl vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenscheiben (6) oder die Zwischenelektro­ de (7) in ihrer Dicke passend zu den nach Gruppen be­ züglich der Schallgeschwindigkeit und der Ladungs­ konstanten selektierten Piezoscheiben (4) ausgewählt werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (3) des Zerstäuber­ tellers (2) in einer Gewindebohrung (8) des Schwinger­ grundkörpers (1) längsverstellbar und feststellbar an­ geordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schaft (3) des Zerstäubertellers (2) eine Masse (10) längsverschiebbar und feststellbar ange­ ordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (10) auf einem Gewindebolzen (12) des Schwingergrundkörpers (1) längsverschiebbar und fest­ stellbar angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Gewindebohrung (14) des Schwingergrund­ körpers (1) parallel zu seiner Längsachse eine Ab­ stimmschraube (13) angeordnet ist.

11. Vorrichtung zur Optimierung des Zerstäubungsver­ haltens eines piezoelektrischen Ultraschall-Koppel­ schwingers zur Flüssigkeitszerstäubung, der aus einem durch Piezoscheiben anregbaren Schwingergrundkörper und einem mit dem Schwingergrundkörper verbundenen Zerstäuberteller besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Piezoscheiben (4) relativ zur Länge des Ultraschall-Koppelschwingers möglichst gering ist.