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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sieben, Klassieren, Sichten,
Filtern oder Sortieren trockener fester Stoffe oder fester Stoffe
in Flüssigkeiten
nach den Oberbegriffen der unabhängigen
Patentansprüche.
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Es
ist bekannt, dass die durch Ultraschall erzeugten schwingenden Bewegungen
besonders beim Sichten und Feinsieben einen günstigen Einfluss auf den Siebdurchsatz
und das Siebgut ausüben;
das Siebgut wird durch die übertragenen schwingenden
Bewegungen im Mikronbereich schonend behandelt, die Agglomerierungskräfte und Oberflächenspannungen
werden erheblich reduziert und die allgemeine Neigung zum Verstopfen
der Siebmaschen nimmt ab oder wird gänzlich verhindert.
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Die
EP 0 369 572 A2 offenbart
eine Siebvorrichtung mit in einem Rahmen eingespannter Siebfläche und
an diese gekoppeltem piezoelektrischem Wandler. Letzterer ist mehrteilig
sowie zwischen zwei Körper
unterschiedlicher Massen eingespannt, von denen der jener Siebfläche nähere aus
zwei Teilen besteht; der eine Teil ist mit dem Sieb verklebt, der andere
auswechselbar. Zudem wird ein Regelkreis beschrieben, der das Siebgewebe
unter Last in Resonanz halten soll – dies aber dürfte technisch
nicht möglich
sein.
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Es
sollen Resonatoren so ausgebildet werden, dass sich das Sieb möglichst über die
ganze Fläche
in ungedämpfte
schwingende Bewegung versetzt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe führen
die Lehren der unabhängigen
Patentansprüche.
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Dem
Ultraschallwandler soll erfindungsgemäß wenigstens ein der Siebfläche anliegender
Resonator zugeordnet werden, der auf die Resonanz des Ultraschallwandlers
abgestimmt und von letzterem in Schwingungen – insbesondere in Biegeschwingungen – versetzbar
ist.
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Zudem
hat es sich als günstig
erwiesen, den Resonator mit fingerartig von ihm an der Siebfläche abragenden
Resonanz übertragenden
Elementen zu versehen.
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Die
Lösung
besteht also mit anderen Worten darin, dass kein Bereich auf der
aktiven Siebfläche mehr
als ca. 20 bis 30 cm von der nächsten
Ultraschallquelle entfernt liegt. Dies gelingt mit einem System
von Resonatorstäben,
die im Biegeresonanzmod arbeiten und von einem einzigen Ultraschallwandler erregt
werden. Bei den häufig
verwendeten runden Schüttelsiebmaschinen
ist es zweckmäßig, den Schallwandler
in das Zentrum zu setzen und die Resonatorstäbe radial um diesen Schallwandler
herum anzuordnen. Dieser Schallwandler erzeugt auf bekannte Weise
Longitudinalschwingungen, die in den tangential zur longitudinalen
Schwingrichtung angeordneten Resonatorstäben Biegeschwingungen der gleichen
Frequenz anregen. Die Schwingungsamplituden bei 40 kHz liegen bei
etwa 2 μm.
Die benötigte Ultraschallleistung
liegt bei etwa 60 Watt pro qm Siebfläche.
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Mit
dieser Siebvorrichtung können
Verfahrensbedingungen hergestellt werden, bei denen zwischen der
oberen und unteren Siebfläche
ein Druckunterschied herrscht und/oder dass die Materialverteilung
auf dem Sieb mittels Gas- oder Flüssigkeitsstrahl erfolgt.
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Das
Siebgut kann auf dem Sieb durch Bürsten und Profile aus Kautschuk,
Kunststoff und Metall verteilt werden und/oder das Siebgut kann
mittels Gas- oder Flüssigkeitsstrahl
auf die Siebfläche
befördert
werden.
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Zudem
sind auf der Siebfläche
liegende Körper
einsetzbar, die sich frei zur Siebfläche bewegen.
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Die
Verteilung des Ultraschalls kann vom Ultraschallwandler mit frequenzabgestimmten
Schallleitungen aus Metall erfolgen.
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Als
vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Ultraschallwandler hermetisch
abzudichten und explosionsgeschützt
zu gestalten.
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Die
Arbeitsfrequenz soll im Bereich von 15–100 kHz liegen.
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Das
System wird frequenz- und amplitudenmoduliert oder aber nur frequenzmoduliert
oder nur amplitudenmoduliert.
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Der
Ultraschallwandler wird im Buch "Ultraschall" von Wilhelm Lehfeldt,
1973, Vogel-Verlag, ISBN 3-8023-0060-2,
Seite 40, als Verbundschwinger bezeichnet und läßt sich in allen Bereichen
der aktiven Ultraschallanwendungen – wie beispielsweise Ultraschallschweißen und
Ultraschallreinigen – einsetzen.
In diesem Buch findet auf Seite 48 zu Schaltungen mit automatischer
Frequenznachführung
jener in
EP 0 369 572
A2 angedeutete Regelkreis Erwähnung.
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Alle
bisher bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß die Schallverteilung über das
ganze aktive Siebgewebe, das in den meisten Fällen aus einem Drahtgewebe
besteht, sehr schlecht ist. Die Ursache dieses Verhaltens liegt
darin, daß das
meist straff in einem runden oder rechteckigen Stahlrahmen montierte
Siebgewebe nicht in Resonanz mit der Arbeitsfrequenz erregt werden
kann. Dazu fehlen die physikalischen Voraussetzungen. Das Siebgewebe kann
nur als relativ schlechter Ultraschalleiter dienen. Liegt zudem
Siebgut auf dem Gewebe, führt
die dadurch entstehende Dämpfung
zu einer weiteren Reduzierung der Schallleitfähigkeit.
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Diese
Zusammenhänge
führen
dazu, daß schon
nach wenigen Zentimeter Distanz von der Schallquelle die Schallintensität – und damit
auch der Fördereffekt – stark
reduziert ist.
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In
Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt,
durch eine geeignete Konstruktion diese Nachteile weitgehend zu
beseitigen.
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Es
sollen Sieb- und Klassiervorgänge
sowie Maschinen dafür
verbessert sowie das Sieben im Trocken- und Naßbereich mit Hilfe von Ultraschall begünstigt werden.
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Da
die Resonatorstäbe
in ihrer Eigenresonanz erregt werden, ist die Amplitude an jedem
Bewegungsknoten unabhängig
von Länge
und Belastung immer gleich. Mit dieser Methode der Verwendung einer
Vielzahl von Resonatorstäben
hat man es in der Hand, die Schalldichte und die Schallhomogenität auf dem
Siebgewebe beliebig zu verändern.
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Das
Siebgewebe kann durch eine Klebung in gutem Kontakt mit jedem Resonatorstab
stehen.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung sollen jene Stabresonatoren
in Abstand zum Rahmen enden. Die gesamte sternförmige Vorrichtung ist bevorzugt über Entkopplungsbleche
in den Siebrahmen geschweißt
und bil det mit diesem zusammen eine Einheit, die auch mechanisch
sehr stabil ist.
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Die
Verwendung einer Vielzahl von Resonatorstäben, die im Biegemodus von
einem einzigen Schallwandler erregt werden, macht es möglich, daß keine
schalltoten Inseln auf dem Siebgewebe entstehen können. Damit
ist die Aufgabe, die sich der Erfinder gestellt hat, auf elegante
Art und Weise gelöst. Die
Resonatorstäbe
können
dabei verschiedene Formen aufweisen. Sie können gebogen, kreisrund oder einfach
gerade sein. Ihr Querschnitt wird aufgrund von physikalischen Gesetzmäßigkeiten
gewählt,
welche die Erregung der gewünschten
Biegeschwingungen in einer Vorzugsrichtung ermöglichen. Sie können aus
Vollmaterial oder aus einem hohlen Profil bestehen. Aus Gewichtsgründen ist
ein hohles Profil vorzuziehen.
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So
kann etwa bei einer weiteren Ausführung im kreisförmigen Rahmen
wenigstens ein konzentrischer ringförmiger Stabresonator verlaufen,
der mit dem Rahmen durch radiale Entkopplungsbleche verbunden ist.
Der Ultraschallwandler wird hier exzentrisch angebracht.
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Alle
jene Entkopplungsbleche werden bevorzugt in einem Knotenpunkt des
Bewegungsnullpunktes befestigt. Als günstig hat es sich erwiesen,
auf die Stabresonatoren ein Lochblech oder ein großmaschiges
Gitter aufzulegen.
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Erfindungsgemäß soll zwischen
Ultraschallwandler und Resonator wenigstens ein Befestigungselement
verlaufen, und an diesem sollen die Stabresonatoren befestigt sein,
die in Biegeresonanz mit dem Ultraschallwandler schwingen, wobei
weitere Biegeschwingungen erzeugbar und auf die Siebfläche übertragbar
sind.
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Im
Rahmen der Erfindung liegt es, daß der Resonator an einer ein
Amplitudenminimum aufweiseaden Stelle form- oder kraftschlüssig, direkt
oder indirekt, mit den Siebrahmen verbunden ist; die Siebfläche soll
durch den Ultraschallwandler mit dem Resonator an zumindest einer
Stelle abgestützt
sein.
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Im
Rahmen der Erfindung liegt auch, daß die ganze Siebvorrichtung
durch ein oder mehrere übergeordnete
Schwingsysteme in allen Ebenen bewegt werden kann.
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Auch
können
zwei Siebe aufeinanderliegen oder miteinander verbunden sein, wobei
das gröbere der
beiden Siebe nur für
die Fortplanzung und die Übertragung
der Schwingungen verwendet wird. Auch können spezielle Siebe eingesetzt
werden, die aus verschiedenen Drahtdurchmessern bestehen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnung; diese zeigt in
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1:
eine geschnittene Schrägsicht
auf ein Sieb, das über
seine gesamte Fläche
in schwingende Bewegung versetzbar ist mit Ultraschallwandler und dazu
radialen Biegewellen-Stabresonatoren;
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2:
den Querschnitt durch 1 nach deren Linie II-II;
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3:
den Befestigungsbereich eines radialen Biegewellen-Stabresonatoren
an einem Wandlerhals in Seitenansicht;
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4:
die Draufsicht auf ein anderes Sieb mit radialen Longitudinalwellen-Stabresonatoren;
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5:
den Querschnitt durch 4 nach deren Linie V-V;
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6:
eine Schrägsicht
auf einen Ultraschallbiegeresonator mit einem Teil eines Longitudinalresonators;
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7:
einen vergrößerten Radialschnitt durch
einen Teil der 6;
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8:
den Querschnitt durch einen pilzartig geformten Ultraschallwandler;
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9:
einen Querschnitt durch einen Ultraschallresonator mit radialen
Stabresonatoren;
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10:
ein geändertes
Detail der 9;
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11:
eine Schrägsicht
auf die Vorrichtung nach 8;
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12, 13:
der 11 entsprechende Darstellungen weiterer Vorrichtungen;
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14:
eine Schrägsicht
auf ein weiteres Sieb;
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15:
eine der 3 etwa entsprechende Wiedergabe eines anderen
Wandlerhalses mit einem Teil eines eingespannten Lochbleches;
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16, 17:
Draufsichten auf Teile von Lochblechen;
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18 bis 20:
Schrägsichten
auf Resonatorköpfe
mit Lochblechauflagen;
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21, 22:
Schrägsichten
auf Resonatorköpfe;
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23, 24:
Schnitte durch Ultraschallwandler anderer Ausführungen;
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25:
den Längsschnitt
durch ein Siebsystem;
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26:
eine Schrägsicht
auf ein Feinsieb samt Kurvenskizze;
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27:
die Draufsicht auf ein Siebgewebe;
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28:
vergrößerte Querschnitte
durch Siebgewebe;
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29:
die Draufsicht auf einen Konverter mit mehreren Resonatoren;
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30:
eine Seitenansicht zu 29;
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31 bis 33:
Schnitte durch unterschiedliche Schwingsiebmaschinen;
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34:
die Draufsicht auf eine Ultraschallsiebvorrichtung mit verschiedenen
Körpern
auf einer Siebfläche.
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Ein
Ultraschalwändler
oder Konverter 10 gemäß
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1, 2 schwingt
mit einem Biegewellenresonator – aus
einem über
ihm axial angeordneten und durch ein Befestigungselement 12 angebrachten
Biegewellen-Membranresonator 14 und mehreren Biegewellen-Stabresonatoren 16 – in Longitudinalresonanz.
Dabei erregt der Ultraschallwandler 10 den Biegewellen-Membranresonator 14 des Durchmessers
d zu Biegeschwingungen. Diese werden auf die von ihm radial abragenden
und unter einer Siebfläche
bzw. einem Sieb 18 verlaufenden Biegewellen-Stabresonatoren 16 übertragen.
Das Sieb 18 ist in einem ringförmigen – in 1, links,
hohlen oder, rechts, vollen – Rahmen 20 eingespannt,
zu dem die freien Enden 16a der
Biegewellen-Stabresonatoren 16 einer freien Länge a in
einem Spaltabstand b enden.
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In 2 ist
mit 22 der Verlauf der Longitudinalwellen skizziert und über dem
Sieb 18 mit 24 der Verlauf der Amplitude, deren
einer Nullpunkt bei 26 liegt.
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In
einem abgedichteten, über
einem Wandlerständer 27 angeordneten
Sockelgehäuse 28 des Ultraschallresonators 10 sind
wechselweise PZT-Ringe 30 und Beryllium-Kupfer-Scheiben 32 mit Leitungsanschlüssen 34, 34a untergebracht. Die PZT-Ringe 30 sowie
die Beryllium-Kupfer-Scheiben 32 sind
mit einer unteren Sockelplatte 36 in der Wandlerachse A
von einem Gewindestift, einer Schraube 38 od. dgl. Organ
durchsetzt, der axial zum Befestigungselement 12 verläuft. Letzteres
durchgreift einen Wandlerhals 40.
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Es
sind also mehrere aufeinander abgestimmte, gekoppelte Schwingsysteme
vorgesehen, die miteinander auf der gleichen Frequenz schwingen.
Der Durchmesser d des Membranresonators 14 sowie die Länge a der
Stabresonatoren 16 sind von erheblicher Bedeutung und müssen auf
die Betriebsfrequenz abgestimmt werden.
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In 3 ist
der Befestigungsbereich der radialen Biegewellen-Stabresonatoren 16 eines
Querschnitts von 8 × 8
mm auf dem Wandlerhals 40 einer Kopfweite e von 80 mm dargestellt
mit angedeuteter Schwingungskurve, deren Knoten alle 21 oder 42 mm
wiederkehren.
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Der
Ultraschallwandler 10 der 4, 5 schwingt
in Longitudinalresonanz mit einem über ihm festliegenden Dehnungswellenresonator 42.
Von diesem ragen radial Longitudinalwellen-Stabresonatoren 44 ab,
die in der eigenen Longitudinalresonanz erregt werden. Im Gegensatz
zum Biegeresonator liegen beim Longitudinalresonator die Amplitudennullpunkte 26 viel
weiter auseinander, wie es beispielhaft oberhalb des Siebes 18 in 5 angedeutet ist.
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Dieser
Ultraschallwandler 10 ist mit seinem Dehnungswellenresonator 42 gegebenenfalls
einstückig.
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Nach 6, 7 quert
den Ultraschallwandler oder Konverter 10; der in der Mitte
oder an den Siebrahmenecken dieses Longitudinalresonator-Systems
angeschlossen sein kann, in Abstand f wenigstens ein Radialstab 46 der
Höhe h
von 10 mm mit zentralem Anschlußstück 47 der
Höhe h1
von 21 mm. Von diesem Radialstab 46, der wie die Stabresonatoren 16 aus
einem Metallprofil hergestellt ist, gehen parallele Querstäbe 48 mit
dem zu den Stabresonatoren 16 der 5 beschriebenen
rechteckigen Querschnitt aus.
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Eine
pilzförmige
Ausgestaltung eines Ultraschallwandlers 10a ,
der Longitudinalschwingungen in Membranschwingungen umwandelt, ist
in 8 explosionsgeschützt dicht mit dem Sockelgehäuse 28 verschweißt, das
eine dichte seitliche Durchführung 29 für die Leitungen 34, 34a zweier an PZT-Ringe 30 angelegter
Beryllium-Kupfer-Scheiben 32 – als Sandwichschwinger – anbietet.
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Dieser
Ultraschallresonator 10a mit den
Platten 30 aus Piezokeramik zwischen den Kontaktelementen 32 ist
in 9 bis 13 mit – drei bis acht – bevorzugt
hohlen Biegewellen-Stabresonatoren 16 als Biegeschwinger
versehen, deren freie Enden 16a durch
flügelartige
Entkopplungsbleche 50 an den Rahmen 20 angeschlossen
sind. Deren achsparallele Anschlußnaht 51 liegt in
einem Bewegungsnullpunkt. Es handelt sich um einen besonders gut
abgestimmten Resonator zur Schallverteilung.
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An
dem in 9 rechten Rahmenquerschnitt ist ein Steckergehäuse 52 mit
Durchgang 53 zu erkennen, der unterhalb des Rahmens 20 an
einem Halter 54 festliegt. Der Durchgang 53 der 10 verläuft in Höhe der hohlen
Stabresonatoren 16, deren Innenraum mit 17 bezeichnet
und durch einen Stirndeckel 56 verschlossen ist.
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Das
Sieb der 14 zeigt einen Siebbelag aus
einem gröberen
Sieb 18 und einem Feinsieb 19.
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In
den Wandlerhals 40 der 15 ist
ein – bevorzugt
mit einer Laserschneidmaschine erzeugtes – Lochblech 58 der
Dicke i (von beispielsweise 8 mm bei Aluminium und von 12 mm bei
Stahl) eingespannt, auf das ein Feinsieb 19 aufgeklebt
oder in anderer Weise gehalten ist. Das eingesetzte Lochblech 58 bietet
hier Radialrippen 59 und diese verbindende Ring- oder Bogenrippen 60 an,
deren Abstand n voneinander φ/2
mißt.
Dieses Lochblech 59 kann auch andere Konturen und Ausnehmungen 62 aufweisen. Bei
der Ausführung
der 16 liegt der Ultraschallwandler 10 zentral,
in 17 an einem Eck.
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Andere
Lochblechformen mit runden und rechtwinkeligen Ausnehmungen 62 deuten 18 oberhalb
eines Resonatorkopfes 64 mit radialen Stabresonatoren 16 und 19, 20 – letztere mit
Wabendurchbrüchen 62a – auf
einem Resonatorkopf 65 ohne Stabresonatoren an.
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Der
Resonatorkopf 66 des Ultraschallwandlers 10b der 21 weist
innerhalb des Rahmens 20 zu diesem in Radialabstand b drei
vom Zentrum Z ausgehende etwa teilkreisförmige Stabresonatoren 16k auf, die – gleichgerichtet gekrümmt – nahe ihrer freien
Enden an dünnen
und i. w. radial verlaufenden Entkopplungsblechen 50a festliegen. In diesen ist jeweils
zumindest ein Durchbruch 49 angeordnet – ein solcher kann auch in
den Entkopplungsblechen 50 der 11 bis 14 vorhanden
sein.
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Der
Resonatorkopf 67 der 22 trägt exzentrisch
innerhalb des Rahmens 20 an den Entkopplungsblechen 50a einen Kreisstab 68.
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Vorteilhafterweise
kann die Ultraschallsiebvorrichtung nach der Erfindung, als Zusatz
in eine bestehende Schwingsiebmaschine 70 (23)
eingebaut werden. Mit dieser wird der Ultraschallwandler 10 form-
oder kraftschlüssig
verbunden. Die durch das übergeordnete
mechanische Schwingsystem verursachten Massenträgheitskräfte werden von der Ultraschallsiebvorrichtung
und deren Befestigung aufgenommen und nicht auf das Sieb 18 und
den Siebrahmen 20 übertragen.
Das Sieb 18 erhält
somit eine weitere Abstützung,
was besonders bei großen feinmaschigen
Siebflächen
von Bedeutung ist.
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Der
Ultraschallwandler 10 der 23 ist
mit seinem Biegewellenmembran-Resonator 14 in eine runde
Schwingsiebmaschine 70 auf Schwingstelzen 72 eingebaut.
Deren schwingende Bewegungen sorgen für eine gleichmäßige Verteilung
des Siebgutes 74 auf der Siebfläche 18 und ermöglichen
den Austrag des Grobgutes 75 über einen Randausgang 76.
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24 zeigt,
daß auch
mehrere Biegewellenresonatoren 14 übereinander in einem der Frequenz
angepaßten
Abstand q von φ/2
durch einen Ultraschallwandler 10 angeregt werden können.
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In 25 liegen
zwei Siebe 18, 19 aufeinander, wobei das eine
Sieb 18 nur für
Fortpflanzung und Übertragung
der Schwingungen eingesetzt wird. Die Schwingung wird mittels Klebstoff
oder durch das Eigengewicht des Siebgutes übertragen. Die Erfindung hat
den Vorteil, daß nicht
nur den Ultraschall gut weiterleitende Stahlsiebe zum Einsatz kommen,
sondern auch synthetische Sieb- und Filtergewebe als Feinsieb 19.
Auch können
große
Flächen
beschallt werden.
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Das
Feinsieb 19 wird nur am Rande festgelegt (Fixierpunkte 76 in 26),
und es wird durch das Siebgut auf das Stützgitter 18 gedrückt, wobei der
Ultraschall übertragen
wird und zwar nur dann, wenn auf dem Feinsieb 19 Siebgut
lastet. Das Stützgitter 18 besteht
hier beispielsweise aus Stahldrähten
von 2 bis 4 mm Durchmesser. Die Rahmenteile sind bei 78 durch
einen Spalt getrennt. Unterhalb der Siebfläche ist ein Schwingungsbild
angedeutet.
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Bei
einem speziellen Siebgewebe für
das Ultraschallsieben ist nach 27, 28 der
Maschendraht 18b unterschiedlich
dick; dank der dickeren Drähte
breitet sich der Ultraschall auf dem ganzen Sieb 18 aus.
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Gemäß 29, 30 wird
Ultraschall mit abgestimmten Schalleitern 80 aus Metall
von einem Konverter 10 auf mehrere mit einem Sieb verbundene
Resonatoren 14, 16 übertragen. Der Ultraschallwandler 10 ist
also auch hier nicht direkt mit dem Resonator 14, 16 verbunden.
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In
den nachfolgenden Figuren der Zeichnung werden Hilfsmittel aufgezeigt,
die das Sieben mit Ultraschall unterstützen. So gibt 31 eine
Schwingsiebmaschine 70 mit Ultraschall-Siebvorrichtung
wieder, bei der in einem Gefäß 82 ein
Druckunterschied zwischen der oberen und unteren Siebfläche erzeugt wird.
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In 32 wird
bei einer Ultraschall-Siebvorrichtung das Siebgut durch Düsen 84 mittels
Luftstrahl 86 auf die Siebfläche 18 geschossen,
was den Durchsatz beim Sieben positiv beeinflußt.
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33 zeigt
eine Ultraschall-Siebvorrichtung, bei der für die Materialverteilung auf
dem Sieb 18 Gas- oder Flüssigkeitsstrahlen 86,
Bürsten 88 und/oder
Profile 89 aus Kautschuk, Kunststoff und Metall verwendet
werden.
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Schließlich sind
auf dem Sieb 18 der 34 Kugelkörper 90 aus
Metall oder Kunststoff vorgesehen, die sich durch Ultraschall bewegen
und das Siebgut durch die Maschen drücken.