Zusatzpatent zum Hauptpatent Nr. 223105. Einrichtung zur Erzeugung von Schall- oder Ultraschallschwingungen in einer Flüssigkeit. Es ist bekannt, dass durch die Einwirkung von Schall- oder Ultraschallschwingungen auf festes, flüssiges, breiförmiges oder auch gasförmiges Gut Veränderungen in dem Gut hervorgerufen werden können.
Im Haupt patent ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Schall- oder Ultraschallschwingungen in einer Flüssigkeit beschrieben, bei der als Schwingungserzeuger in der zu beschallen den Flüssigkeit eine Schneide und eine Düse angeordnet sind, wobei durch die Düse eine in die Flüssigkeit einströmende, gegen die Schneide gerichtete und von letzterer beein flusste Flüssigkeitsströmung getrieben wird.
Vorteilhaft ist es hierbei, eine Düse mit zur Schneide paralleler, spaltförmiger Auslass- öffnung vorzusehen. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Einrichtung für die Behandlung beliebigen Gutes durch Schall- oder Ultra schallschwingungen besonders geeignet ist.
Um die mit dieser Einrichtung erzeugte Schwingfrequenz, die proportional der An- strömgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der Schneide und umgekehrt proportional dem Abstand zwischen Düse und Schneide ist, kräftiger anzuregen, ist in dem Hauptpatent vorgeschlagen worden, der Schneide einen Hohlraumresonator als Resonanzmittel zuzu ordnen, vrie es auch bei den lufterregten Pfeifen üb'Lich ist.
Beim praktischen Betrieb solcher mit einem Hohlraumresonator versehener Ein- richtungen hat es sich als nachteilig gezeigt, dass sich gelegentlich Luftblasen in dem Re sonator ansammeln.
Da das Volumen des Re sonatorhohlraumes auf die zu erzeugende Frequenz abgestimmt ist, wird durch die Luftblasen das Flüssigkeitsvolumen im Hohl raum und somit seine Eigenfrequenz in un- erwünschter Weise verstimmt. Diese Ver stimmung stört die akustischen Eigenschaf ten der Einrichtung und gibt zum Zischen und einer merklichen Verformung des sinus- förmigen Wellenverlaufes der Schwingung Anlass.
Erfindungsgemäss werden diese Nachteile dadurch vermieden, dass als der Schneide zu geordnetes Resonanzmittel ein fester Reso nanzkörper vorgesehen wird, dessen Eigen schwingungszahl auf die zu erzeugende Fre quenz abgestimmt ist. Der Resonanzkörper gerät dann beim Betrieb der Einrichtung in Schwingungen und erhöht die Intensität der zu erregenden Schwingung.
Bei mit Luft oder einem andern Gas zum Schwingen er regten Pfeifen würde eine solche Massnahme keinen Zweck haben, da Gase gegenüber festen Körpern einen so hohen Schallhärte unterschied haben, dass der Resonanzkörper niemals zum Mitschwingen gebracht werden könnte. Bei mit Flüssigkeit erregten Pfeifen dagegen ist der Schallhärteunterschied er-, heblich geringer, so dass der Resonanzkörper bei richtiger Abstimmung kräftig mit- schwingt.
Im praktischen Betrieb ist an dem Resonanzkörper eine deutliche Kavitations- zone durch helles weisses Aufleuchten der Flüssigkeit zu erkennen.
Für die praktische Ausbildung des Re sonanzkörpers gibt es verschiedene Möglich keiten. Einzelheiten solcher Ausführungs formen und ihre Vorteile werden an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter vor teilhafter Ausführungsbeispiele erläutert.
In Fig. 1 ist eine Düse 1 mit ring förmiger Auslassöffnung gezeigt, der ein Schneidenkörper 2 mit ringförmiger Schneide gegenübersteht. In einigem Abstand hinter dem Schneidenkörper ist eine Membran 3 angeordnet, die den Abschluss eines kapsel förmigen, mit Luft gefüllten Gehäuses bildet. Die Teile 1 bis 4 befinden sich innerhalb der zu beschallenden Flüssigkeit. Wird durch die Düse ein Flüssigkeitsstrom gegen die Schneide getrieben, so entstehen an dieser in der im Hauptpatent erläuterten Weise Schwingungen in der Flüssigkeit.
Da der Flüssigkeitsstrahl an dem Schneiden körper vorbei auf die Membran auftrifft, so gerät diese, sofern sie auf die zu erzeugende Schwingungsfrequenz abgestimmt ist, in Biegeschwingungen. Der bei den eingangs er wähnten Hohlraumresonatoren auftretende Nachteil einer Verstimmung durch Luft bläschen ist hier in sehr einfacher Weise ver mieden, indem sich Luftbläschen nirgends störend ansammeln können.
Auch die bei Hohlraumresonatoren einfacher Ausführung auftretende Schwierigkeit mangelnder Schall härte des Resonanzmittels ist hier in ein facher Weise umgangen, indem die Eigen frequenz der Einrichtung nicht durch die Volumenschwingung der ' Flüssigkeit im IHohlraumresonator, sondern durch die Eigen- schwingung der Membran festgelegt ist.
Durch die hinter der Membran befind liche Luft wird ein grosser Schallhärteunter- schied zwischen der Membran und dem an sie angrenzenden Medium erzeugt und da durch die Wirksamkeit der Membran wesent lich erhöht. Der Abstand zwischen der Mem bran und der Düse ist zweckmässig einstell- bar, um die Wirksamkeit der Membran auf den Bestwert einregeln zu können. Ferner ist zweckmässig auch der Abstand zwischen der Membran und der ihr gegenüberliegenden Rückwand des Gehäuses 4 einstellbar, um auch die vom Gehäuse eingescklossene Luft auf die zu erzeugende Frequenz abstimmen zu können.
Eine andere Ausführungsform eines Re sonanzkörpers ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Düse 5 ha:t hier eine geradlinige Aus lassöffnung, wie es die Aufsicht der Düse in Fig. 3 zeigt. Der Schneidenkörper 6 ist als Biegefeder, und zwar als Blattfeder, ausge bildet, die an ihrem der Schneide abgewand ten Ende fest eingespannt ist. Vorteilhaft bildet sie mit ihrem Einspannkörper, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, ein einziges Stück.
Der Schneidenkörper ist so bemessen, dass seine Eigenbiegeschwingung, deren Kno tenlinien parallel zur Schneide verlaufen, auf die zu erzeugende Frequenz abgestimmt ist. Der Schneidenkörper dient also im vor liegenden Fall selbst als Resonanzkörper. Wird durch die Düse gegen die Schneide ein Flüssigkeitsstrahl getrieben, so erregt er den Schneidenkörper zu Biegeschwingungen, die auch hier die Intensität der erzeugten Schwingung erhöhen.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausbildung der Einrichtung ermöglicht eine Anpassung derselben an die jeweils vorliegenden Be triebsbedingungen, wenn neben einer Verän derlichkeit der Schneidenstellung auch die Form und Breite der Schneide sowie der Düse veränderlich ausgebildet sind.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausbildung der Einrichtung kann in der Weise vorteilhaft abgewandelt werden, dass der als Blattfeder ausgebildete Schneidenkörper an zwei ein ander gegenüberliegenden Seiten mit je einer Schneide versehen wird, von denen jede mit tels einer Düse mit Flüssigkeit angeströmt wird.
Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in den Fig. 4 und 5 im Aufriss und Grundriss gezeigt. Der zweischneidige Schneidenkörper 7 ist hier zwischen den beiden Düsen 8 und 9 angeordnet und wird beiderseits mit Flüs- sigkeit angeströmt (in Fig. 4 sind die Düsen der Einfachheit halber nicht mitgezeichnet). Die Eigenbiegeschwingung des Schneiden körpers ist wiederum auf die zu erzielende Frequenz abgestimmt,
so dass er auch hier unmittelbar selbst als Resonanzkörper dient. Zur Halterung des Schneidenkörpers sind Spitzenlager 10 vorgesehen, die ihn an seinen Biegeschwingungs-Knotenlinien schwingbar halten. Die Wirkungsweise dieser Schneiden form ist die gleiche wie bei der Ausbildung nach Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, dass durch die vorteilhafte Kombination zweier Schwingungserzeuger unter Verwen dung eines gemeinsamen Schneidenkörpers die Schwingungsintensität ungefähr verdop pelt ist.
Die Intensität der in den Fig. 2 bis 5 ge zeigten Einrichtungen ist unter anderem von der Länge der Schneidenkante abhängig, während die Ausdehnung des Schneiden körpers in den zur Schneidenkante senkrech ten Richtungen weitgehend durch die zu er zielende Eigenfrequenz festgelegt ist. Die Intensität kann daher durch Verlängerung der Schneidenkante unter entsprechender Verlängerung des Düsenspaltes noch gestei- gert werden.
Wird die Schneidenkante jedoch so sehr verlängert, dass sie nur noch wenig kürzer ist als die dazu senkrechte Länge des Schneiden körpers, so dass sich der Schneidenkörper einer quadratischen Form nähert, so können ausser oder statt der erwünschten Biege schwingungen, deren Schwingungsknoten- linien parallel zur Schneidenkante verlaufen, unerwünschte Biegeschwingungen senkrecht dazu auftreten.
Diese können dadurch in ein facher Weise vermieden werden, dass der Schneidenkörper mit einer oder mehreren streifenförmigen Aussparungen parallel zur Düsenachse versehen wird, vorzugsweise in Form von an der Oberfläche des Schneiden körpers eingefrästen Nuten. In Fig. 5 sind zwei solche Nuten 11 eingezeichnet.
Während bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 bis 5 der als Resonanzkörper aus gebildete Schneidenkörper eine gerade Schneide hat, zeigen die Ausführungs beispiele der Fig. 6 bis 11 als Resonanz körper ausgebildete Schneidenkörper mit kreisförmiger Schneide.
In Fig. 6 hat die Düse 12 die gleiche Ausbildung wie die Düse 1 in Fig. 1. Dem kreisförmigen Auslassschlitz der Düse steht ein Schneidenkörper 13 gegenüber, der, wie aus der Zeichnung ersichtlich, aus einem massiven Ringkörper mit am Innenrand an gesetzter kreisförmiger Keilschneide besteht. Eine Seitenansicht dieses Schneidenkörpers ist in Fig. 7 gezeigt.
Werden die Düse und Schneide in einer Flüssigkeit angeordnet und wird durch die Düse gegen die Schneide ein Flüssigkeitsstrahl getrieben, so wird die Schneide an allen Stellen ihres Umfanges in radialer Richtung zu Schwingungen erregt, wie es in der Zeichnung durch die Pfeile an gedeutet ist. Die Schwingbewegungen der Schneide übertragen sich auf den gesamten Schneidenkörper, so dass auch dieser an allen Stellen seines Umfanges in radialer Rich tung schwingt.
Der Schneidenkörper ist auf die zu erzeugende Frequenz abgestimmt, so dass auch hier die Intensität der erzeugten Schwingung durch den als Resonanzkörper wirkenden Schneidenkörper erhöht wird.
Die Schwingungen des Schneidenkörpers vollziehen sich, wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, in der Weise, dass sich der Kreis seiner zylindrischen Innen- b\,ezw. Aussen fläche periodisch konzentrisch vergrössert und verkleinert.
Der Schneidenkörper wird periodisch gedehnt und gestaucht, führt also Longitudinalschwingungen a,us. Im prakti schen Betrieb kann es jedoch vorkommen, dass sich hierbei der Kreis deformiert, indem sich auf dem Kreis in gleichen Abständen ruhende Knotenpunkte bilden, während sich nur die zwischen diesen Knotenpunkten be findlichen Bogenstücke periodisch nach innen und aussen durchbiegen. Beispielsweise kön nen vier Knotenpunkte mit vier dazwischen liegenden Bogenstücken entstehen,
wobei sich in einem bestimmten Augenblick jeweils zwei einander gegenüberliegende Bogenstücke nach innen durchbiegen, während sich zur gleichen Zeit die"beiden andern Bogenstücke nach aussen durchbiegen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Einrichtung verringert. Diese Erscheinung kann jedoch dadurch in einfacher Weise vermieden werden, dass der Schneidenkörper mit einer Mehrzahl von um seine Ringachse sternförmig in Agialebenen angeordneten dünnen Schlitzen versehen wird.
In der Fig. 7 sind diese Schlitze mit 14 bezeichnet.
Der als Resonanzkörper wirkende Schnei- denkörper kann statt der in Fig. 6 und 7 ge zeigten Form auch verschiedene andere For men erhalten, wofür einige vorteilhafte Bei spiele in den Fig. 8 bis 11 gezeigt sind, So sind beispielsweise bei dem in Fig. 8 und 9 im Schnitt und im Aufriss dargestellten Schneidenkörper 15 ebenfalls schmale Schlitze 16 sternförmig in Agial.ebenen angeordnet;
doch durchdringen die Schlitze den Körper nicht in zu seiner Achse paralleler Richtung, sondern in zu seiner Achse senkrechter Rich tung. Die Wirkung dieser Schlitze ist ähn lich wie bei der Anordnung nach Fig. 6 und 7. In den Fig. 10 und 11 sind zwei ver schiedene Schneidenkörper 17 bezw. 18 ge zeigt, die aus einem Hohlringkörper mit an gesetzter Schneide bestehen.
In Fig. 10 hat der Schneidenkörper einen Querschnitt in Form eines Rechteckes, dessen längere Sei tenkanten zur Düsenachse senkrecht stehen, während in Fig. 11 der Schneidenkörper einen runden Querschnitt hat.
Die Einrichtung nach der Erfindung ist nicht an die in der Zeichnung wesenhaft dar gestellten Ausführungsbeispiele gebunden, sondern kann in mannigfacher Weise ab gewandelt werden. Beispielsweise kann bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Membran am Rand verstellbar eingespannt sein, so dass ihre Eigenfrequenz nach Bedarf geändert werden kann.
Ferner kann bei dem Beispiel der Fig. 1 das Gehäuse 4 statt mit Luft auch mit einem andern Medium mit ähnlichem akustisehem Widerstand gefüllt sein. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 kann zur Änderung der Eigenfrequenz die freie Länge des eingespannten Schwing- körpers veränderlich sein.
Die Einrichtung nach der Erfindung ist auch nicht an das Arbeiten mit Biege- oder Longitudinal- schwingungen des Resonanzkörpers be schränkt, sondern kann bei entsprechender Ausbildung auch mit andern Schwingungs arten, beispielsweise Torsionsschwingungen, arbeiten.
Schliesslich sei noch erwähnt, dass die mit einem festen Resonanzkörper ver sehene Einrichtung nach der Erfindung ausser zur Behandlung eines Gutes auch zu beliebigen andern Anwendungszwecken der mit der Einrichtung erzeugten Schwingungen mit Vorteil verwendet werden kann, bei spielsweise in der Unterwasser-Signaltechnik.