DE19854013C2

DE19854013C2 - Ultrasonic horn

Info

Publication number: DE19854013C2
Application number: DE1998154013
Authority: DE
Inventors: Harald Hielscher
Original assignee: Dr Hielscher GmbH
Current assignee: Dr Hielscher GmbH
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: DE19854013A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sonotrode zur Übertragung hoher Leistungen mit gleichzeitig hohen Amplituden.The invention relates to an ultrasonic sonotrode Transmission of high performance with high at the same time Amplitudes.

Um Ultraschall zu erzeugen und in ein Medium mit einer gewünschten Leistung einzubringen, werden prinzipiell ein Ultraschall-Wandler (λ/2-Schwinger), der die eingebrachte elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandelt, und eine Sonotrode verwendet.To generate ultrasound and in a medium with a to bring the desired performance in principle an ultrasonic transducer (λ / 2 transducer) that the electrical energy introduced into mechanical Converts vibrations, and uses a sonotrode.

Die Sonotrode ist als ein Werkzeug anzusehen, über das die Ultraschall-Leistung an den Wirkungsort geleitet wird. Dabei können bedingt durch physikalische Abhängigkeiten zwischen der Ultraschall abstrahlenden Fläche der Sonotrode und der Amplitude des eingestrahlten Ultraschalls nur begrenzte Leistungen mit hoher Amplitude in das Medium eingebracht werden, die für einige industrielle Anwendungen nicht ausreichen. Die für die Übertragung einer vorgegebenen hohen Leistung mit einer vorgegebenen hohen Amplitude benötigte Abstrahlfläche kann mit vertretbarem Aufwand nicht bereitgestellt werden.The sonotrode is to be regarded as a tool through which the ultrasound power is directed to the place of action becomes. This can be due to physical Dependencies between the ultrasound radiating Area of the sonotrode and the amplitude of the radiated ultrasound only limited power are introduced into the medium with high amplitude, not for some industrial applications suffice. The one for transferring a given high power with a predetermined high amplitude required radiation area can be done with reasonable effort not be provided.

Bei der industriellen Anwendung von Ultraschall zum Emulgieren, Suspendieren, Homogenisieren von Substanzen aller Art in Flüssigkeiten, beim Desagglomerieren werden zunehmend höhere Leistungen bei gleichzeitig hohen Amplituden als nach dem Stand der Technik mit zumutbarem Aufwand möglich sind benötigt. In the industrial application of ultrasound for Emulsifying, suspending, homogenizing substances of all kinds in liquids, when disagglomerating become increasingly higher performances at the same time with high amplitudes than according to the prior art reasonable effort is required.

Nach dem allgemeinen Stand der Technik wird die Ultraschall-Leistung über die Stirnfläche einer Sonotrode in die Flüssigkeit eingestrahlt oder über die Strahlungsbäuche bei Stabsonotroden. Im letzteren Fall sind nur kleine Amplituden realisierbar, die für viele Anwendungen unzureichend wirksam sind.According to the general state of the art Ultrasonic power over the face of one Sonotrode irradiated into the liquid or over the Radiation bellies in rod sonotrodes. In the latter case only small amplitudes can be realized, which for many Applications are insufficiently effective.

Aus der DE 26 07 038 A1 ist ein Ultraschall- Geschwindigkeitstransformator bekannt, mit dem eine Vergrößerung der Amplitude eines Ultraschallgebers dadurch erreicht werden soll, dass an Knoten- und Bauchstellen der stehenden Welle dünne Platten befestigt werden, in denen Biegeschwingungen erregt werden, die in Flüssigkeit abgestrahlt werden.DE 26 07 038 A1 describes an ultrasound Speed transformer known with one Increasing the amplitude of an ultrasound transmitter should be achieved in that at node and Abdominal areas of the standing wave thin plates be attached in which bending vibrations are excited be emitted in liquid.

Die Erzeugung von Biegeschwingungen hat den Nachteil, dass bei bereits geringer Kavitation sich durch Kavitationsverschleiß die Frequenz des Biegeschwingers verändert, sodass ständig eine neue Abstimmung der Frequenz erforderlich wird, um ein Schwingen in Resonanz zu erreichen.The generation of bending vibrations has the disadvantage that if cavitation is low, Cavitation wear the frequency of the bending vibrator changed, so that a new coordination of the Frequency is required to swing in To achieve resonance.

Zur Vermeidung dieser Verstimmung muss die Eigen schwingung der Platten vermieden werden.To avoid this upset, the owner vibration of the plates can be avoided.

Aus der US 3 131 515 ist es bekannt, die Verstärkung der Amplitude durch das Aneinanderkoppeln von zwei Halbwellensonotroden zu erreichen.From US 3 131 515 it is known the reinforcement the amplitude by coupling two together To achieve half-wave sonotrodes.

Bei der Abstrahlung der Ultraschall-Leistung über die Stirnfläche einer Sonotrode können nicht beliebig hohe Amplituden und gleichzeitig hohe Leistungen in ein Medium abgestrahlt werden. Bei einer bestimmten Amplitude ist nur eine definierte höchste Leistung übertragbar, wenn der Durchmesser der Stirnfläche vorgegeben ist. Der Durchmesser einer Sonotrode sollte erfahrungsgemäß für einen λ/2-Schwinger maximal in der Größe von λ/4 gewählt sein, das entspricht z. B. einem Durchmesser von 50 mm bis 70 mm bei einer Frequenz von ca. 20 kHz. Diese physikalisch bedingte natürliche Grenze bewirkt, dass entweder mit kleinen Amplituden unter 20 µm eine größere Stirnfläche der Sonotrode oder mit einer höheren Amplitude eine kleinere Stirnfläche gewählt werden kann.When emitting the ultrasonic power over the The end face of a sonotrode cannot be of any height Amplitudes and high performance in one Medium are emitted. With a certain Amplitude is only a defined highest performance transferable if the diameter of the end face is specified. The diameter of a sonotrode should be experience has shown that for a λ / 2 transducer maximum in the Be chosen size of λ / 4, which corresponds to z. B. one Diameters from 50 mm to 70 mm at a frequency of approx. 20 kHz. This physically conditioned natural Limit causes either small amplitudes less than 20 µm a larger face of the sonotrode or with a higher amplitude a smaller face can be chosen.

Mit den bekannten Sonotroden ist also bei einer vorgegebenen Amplitude der maximal mögliche Leistungs eintrag durch den begrenzten Sonotrodendurchmesser festgelegt. Die Forderung nach hohen Amplituden von 20 µm bis 200 µm bei gleichzeitig hohem Leistungseintrag ist mit den bekannten Sonotroden nicht erfüllbar.With the known sonotrodes is one predetermined amplitude of the maximum possible power entry due to the limited sonotrode diameter established. The requirement for high amplitudes of 20 µm up to 200 µm with high power input cannot be achieved with the known sonotrodes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Sonotrode zu entwickeln, mit der die Mängel der bekannten Sonotroden vermieden werden und mit der gewährleistet ist, dass hohe Leistungen mit gleichzeitig hohen Amplituden abgestrahlt werden können.The invention is therefore based on the object To develop ultrasonic sonotrode with which the defects the known sonotrodes can be avoided and with the it is guaranteed that high performance with high amplitudes are emitted at the same time can.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Ultraschall-Sonotrode nach der Erfindung zur Übertragung hoher Leistungen bei gleichzeitig hohen Amplituden, wobei die Sonotrode aus λ/2-Segmenten gebildet ist, die jeweils im Bereich des Schwingungsmaximums einen tellerförmigen Ring aufweisen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmentflächen der tellerförmigen Ringe geome trisch so ausgebildet sind, dass die Eigenfrequenz möglicher Biegeschwingungen sehr viel größer ist als die Eigenfrequenz der Sonotrode, sodass die Ringsegmentflächen eine Ultraschall-Leistung in Längsrichtung der Sonotrode übertragen.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1 solved. The ultrasonic sonotrode after the invention for the transmission of high powers high amplitudes simultaneously, with the sonotrode off λ / 2 segments is formed, each in the area of Vibration maximums a plate-shaped ring have, is characterized in that the Ring segment surfaces of the plate-shaped rings geome are designed so that the natural frequency possible bending vibrations is much larger than the natural frequency of the sonotrode, so that the Ring segment surfaces have an ultrasonic power in Transfer the longitudinal direction of the sonotrode.

Die nach der Erfindung aus λ/2-Segmenten gebildete Sonotrode weist jeweils im Bereich des Schwingungsmaximum einen tellerförmigen Ring auf, über dessen Ringsegmentfläche beidseitig Ultraschall- Leistung abgestrahlt wird. Durch beliebiges Aneinanderreihen von λ/2-Segmenten können hohe Amplituden und hohe Leistungen realisiert werden, die leicht an den gewünschten Anwendungsfall angepasst werden können. Es können Sonotroden mit Durchmessern bis etwa 70 mm modulförmig bis zur gewünschten Leistung aneinandergereiht mit hohen Amplituden realisiert werden. Die Sonotroden können industriell im kW- Leistungsbereich eingesetzt werden.The formed according to the invention from λ / 2 segments Sonotrode points in the area of Vibration maximum on a plate-shaped ring, over whose ring segment surface is ultrasonic on both sides Power is radiated. By any Series of λ / 2 segments can be high Amplitudes and high powers are realized that easily adapted to the desired application can be. Sonotrodes with diameters can be used up to about 70 mm modular to the desired performance lined up with high amplitudes become. The sonotrodes can be Performance range.

Es werden mit der Sonotrode nach der Erfindung Anwendungsbereiche erschlossen, die bisher einer Beschallung mit Ultraschall wegen unzureichendem Leistungseintrag nicht oder nur mit unbefriedigend hohem Aufwand und wenig zufriedenstellendem Ergebnis zugänglich waren. Mit der variabel gestaltbaren Sonotrode nach der Erfindung können in Verbindung mit einem exakt definierten, kontrollierbaren Leistungseintrag Anwendungen mit höherer Effektivität als bisher erschlossen werden, die den Eintrag von Ultraschall in Flüssigkeiten vorsehen wie das Emulgieren, Suspendieren, Homogenisieren, Beschleunigen von Lösungsvorgängen, Aufschließen von Zellen, Filtrieren und dgl.It will be with the sonotrode according to the invention Opened up areas of application that were previously one Sonication with ultrasound due to insufficient Service entry not or only with unsatisfactory high effort and unsatisfactory result were accessible. With the variably configurable Sonotrodes according to the invention can be used in conjunction with a precisely defined, controllable Applications with higher effectiveness than so far, the entry of Provide ultrasound in liquids like that Emulsify, suspend, homogenize, accelerate of solution processes, unlocking cells, Filtering and the like

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments of the invention result from the subclaims.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel einer Sonotrode näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on a drawing closer to an embodiment of a sonotrode are explained. Show it:

Fig. 1 die schematische Seitenansicht einer Sonotrode mit vier λ/2- Segmenten, Fig. 1 is a schematic side view of a sonotrode with four λ / 2 segments,

Fig. 2 die schematische Seitenansicht eines der λ/2-Segmente und Fig. 2 is a schematic side view of one of the λ / 2 segments and

Fig. 3 die schematische Seitenansicht einer Sonotrode mit Verbindungsstellen zwischen den Segmenten. Fig. 3 is a schematic side view of a sonotrode with junctions between the segments.

Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 besteht eine Sonotrode 1 beispielsweise aus vier λ/2-Segmenten 2, die jeweils einen tellerförmigen Ring 3 im Bereich des Schwingungsmaximums 7 aufweisen.As shown in FIG. 1, a sonotrode 1 for example, four λ / 2 segments 2 each comprising a plate-shaped ring 3 in the area of the vibration peak. 7

Die Sonotrode 1 mit den vier λ/2-Segmenten 2 ist monolithisch ausgeführt.The sonotrode 1 with the four λ / 2 segments 2 is monolithic.

Die Fig. 3 zeigt die Sonotrode 1 in einer modularen Bauweise. Je nach Anwendungsfall werden n λ/2-Segmente 2 nach Fig. 2 über eine Verbindung 4, zum Beispiel eine Schraubverbindung, im Bereich des Schwingungsmaximums 7 aneinandergefügt. Fig. 3 shows the sonotrode 1 in a modular construction. Depending on the application, n λ / 2 segments 2 according to FIG. 2 are joined together in the area of the vibration maximum 7 via a connection 4 , for example a screw connection.

Wenn die Sonotrode 1 mit einem nicht dargestellten HF- Generator mit Stufenhörnern (Schallwandler) zu Längsschwingungen 8 angeregt wird, dann können diese Längsschwingungen 8 über Ringsegmentflächen 5 der tellerförmigen Ringe 3 beidseitig in zum Beispiel eine Flüssigkeit abgestrahlt werden.If the sonotrode 1 is excited with a non-illustrated RF generator with stepped horns (transducer) to longitudinal vibrations of 8, then the longitudinal vibrations can be emitted, a liquid 8 via ring segment surfaces 5 of the dish-shaped rings 3 in both sides, for example.

Es kann durch die Summation der Ringsegmentflächen 5 der tellerförmigen Ringe 3 und der Stirnfläche 6 des letzten λ/2-Segmentes 2 eine hohe Leistung bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte in die Flüssigkeit mit einem vertretbaren Aufwand für die Übertragung der Ultraschall-Leistung eingetragen werden.By summing the ring segment areas 5 of the plate-shaped rings 3 and the end face 6 of the last λ / 2 segment 2, a high power with a simultaneously high power density can be entered into the liquid with a reasonable effort for the transmission of the ultrasound power.

Wenn für eine gewünschte Anwendung eine bestimmte Leistung bei einer bestimmten Amplitude eingestrahlt werden soll, dann wird die hierfür notwendige Abstrahl- Fläche bestimmt und danach die Anzahl n der benötigten λ/2-Segmente 2 für die Sonotrode 1 festgelegt.If a certain power with a certain amplitude is to be irradiated for a desired application, then the radiation area required for this is determined and then the number n of the λ / 2 segments 2 required for the sonotrode 1 is determined.

Über Ultraschallprozessoren mit Leistungen im kW- Bereich und Sonotroden nach der Erfindung können große Leistungen mit hoher Schallintensität in Flüssigkeiten eingetragen und eine effiziente und kontrollierte Bearbeitung von Flüssigkeiten und eine gleichbleibende Qualität der Endprodukte erzielt werden.Via ultrasonic processors with outputs in the kW The area and sonotrodes according to the invention can be large Performances with high sound intensity in liquids registered and an efficient and controlled Processing fluids and a constant Quality of the end products can be achieved.

Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der beschriebenen Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. The invention is not based on that described here Embodiment limited. Rather it is possible by combining and modifying the Features described further variants realize without the scope of the invention leave.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Sonotrode
sonotrode

22

λ/2-Segment
λ / 2 segment

33

tellerförmiger Ring
plate-shaped ring

44

Verbindung
connection

55

Ringsegmentfläche
Ring segment surface

66

Stirnfläche
face

77

Schwingungsmaximum
maximum oscillation

88th

Schwingungsrichtung
vibration direction

Claims

1. ultrasonic sonotrode for transmitting high performance combined with high amplitudes, wherein the sonotrode is formed (1) from λ / 2 segments (2) each comprise a dish-shaped ring (3) in the region of the vibration maximum (7), characterized characterized in that the ring segment surfaces ( 5 ) of the plate-shaped rings ( 3 ) are geometrically designed such that the natural frequency of possible bending vibrations is very much greater than the natural frequency of the sonotrode ( 1 ), so that the ring segment surfaces ( 5 ) have an ultrasonic power in the longitudinal direction of the Transfer sonotrode ( 1 ).

2. Ultrasonic sonotrode according to claim 1, characterized in that the sonotrode ( 1 ) is monolithic.

3. Ultrasonic sonotrode according to claim 1, characterized in that the λ / 2 segments ( 2 ) in the region of the maximum vibration ( 7 ) have a connection ( 4 ) and can be strung together as desired via the connection ( 4 ).

4. Ultrasonic sonotrode according to claims 1 to 3, characterized in that the last λ / 2 segment ( 2 ) has an end face ( 6 ) with a maximum possible diameter, via which ultrasonic power is emitted.