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Einrichtung zur Behandlung von Stoffen, insbesondere von Flüssigkeiten,
mittels Ultraschallschwinqungen Das Patent 759 999 betrifft eine neue Einrichtung
zur Behandlung von insbesondere flüssigen Stoffen mittels Ultraschall, wobei es
möglich ist, in besonders vorteilhafter Weise verhältnismäßig sehr große Ultraschallenergien
in -einem Punkte der Einrichtung zu konzentrieren. Der Gegenstand des genannten
Patents zeichnet sich dadurch au.s, daß auf einer oder auf jeder der beiden energieabgehenden
Seiten des Schwingers ein im Querschnitt parabelförmig ausgebildeter, als Reflektor
für die Schwingungen wirkender Belhandlungsbehälter angeordnet ist. Das zu behandelnde
Gut gelangt in der Einrichtung auf seinem Behandlungsweg in den Brennpunkt des die
Form eines Rotationsparaboloids aufweisenden Behandlungsbehälters und unterliegt
somit der verstärkten Einwirkung der erzeugten Ultraschallschwingungen.
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Es hat sich gezeigt, daß bei Einrichtungen der vorgenannten Art auf
der einen oder den beiden schallabstrahlenden Flächen des Quarzschwingers in bezug
auf die Wirkung der auf diese Flächen reflektierten Energie zwei -verschiedene Bereiche
.entstehen. Dieser Umstand hat seinen Grund darin, daß bei der Verwendung der in
-Frage stehenden
Reflektoren auf einen Teil der jeweiligen Schwingerfläche
nur ein Teil der von der betreffenden Schwingerfläche senkrecht abgestrahlten Energie
auf diese wieder senkrecht und konphas zurückgelangt, während dies bei einem anderen
Teil der Energieabstrahlenden Fläche nicht in dieser Weise eintritt. Um nun eine
möglichst große und gleichmäßige Aufschaukelung der Amplitude des Schwingquarzes
zu erreichen, ist es aber erforderlich, daß die ganze Quarzplatte möglichst gleichmäßig
der Einwirkung der reflektierten Energie unterliegt. Es besteht also die Aufgabe,
die Behandlungseinrichtung so auszubilden, daß möglichst alle von dem Quarzschwinger
senkrecht ausgehenden Schwingungen wieder senkrecht und konphas auf diesen reflektiert
werden.
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Die Erfindung- gibt nun eine Anweisung, wie diese vorgenannte, insbesondere
in bezug auf den Wirkungsgradeines Schwingquarzes besonders vorteilhafte Wirkung
einer gleichmäßigen Reflexion der von dem Schwinger abgegebenen Energie erreicht
wird. Die Erfindung besteht in einer Einrichtung zur Behandlung von Stoffen, insbesondere
von Flüssigkeiten, mittels Ultraschallschwingungen eines Quarzschwingers mit planparallelen
Platten gemäß Patent 759 999 und zeichnet sich dadurch aus, daß der jeweils über
einer energieabgebenden-Fläche des Schwingers angeordnete, im Schnitt parabelförmige
und als Behandlungsbehälter ausgebildete Reflektor für die Schwingungen an der Stelle,
an der die auftreffenden Schwingungen nicht senkrecht auf die Schwingerfläche reflektiert
würden, eine Aussparung aufweist, die derart überdacht ist, daß die Innenfläche
der Überdachung die auf sie auftreffenden, von der- Schwingeroberfläche senkrecht
ausgehenden Schwingungen in der Hauptsache wieder senkrecht und konphas auf die
Schwingeroberfläche oder auf eine Membran reflektiert.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung erläutert bzw. in
schematischer Form beispielsweise dargestellt.
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So zeigt die Fig. i schematisch eine Einrichtung mit im Querschnitt
pärabolförmig ausgebildetem und über dem -Quarzschwinger angeordnetem Behandlungsraum
und die Richtung der Schwingungen sowie die Ausbildung der ungleichmäßigen Zonen
auf der Schwingerfläche, während in den Fig. 2 und 3 zwei verschiedenartige Ausbildungen,
des Erfindungsgegenstandes im Aufriß dargestellt sind.
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In der Fig. i ist der Quarzschwinger mit i und der im Querschnitt
parabolförmig ausgebildete Behandlungsraum mit 2 bezeichnet. Der Brennpunkt im Behandlungsraum
trägt das Bezugszeichen F. Wie die Figur zeigt, treffen mit Ausnahme der Schwingungen,
die in der senkrechten Mittelachse des Geräts liegen, alle von der durch eine Pfeilstrecke
a angezeigten Fläche des Quarzschwingers 'ausgehenden und von dem Reflektor reflektierten
Schwingungen, im Gegensatz zu den von der übrigen energieabgebenden und den Behandlungsraum
begrenzenden Fläche des Schwingers, nicht mehr senkrecht auf die Abstrahlungsfläche
des Quarzes. Dadurch entstehen die bereits genannten Nachteile in bezug auf die
Ausbildung der Amplitude der Quarzplatte und die Belastung.
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In der Fig 2 ist eine Einrichtung gemäß der Erfindung dargestellt,
bei- der Maßnahmen getroffen sind, die auch eine senkrechte und konphase Reflexion
der Schwingungen auf die in Fig. i durch die Pfeillinie d angedeutete Fläche des
Ouarzschwingers herbeiführen. In der Fig.2 ist ebenso wie in Fig. i der Quarzschwinger
mit dem Bezugszeichen i, die parabolförmige Begrenzung des Behandlungsraums mit
2 und der Brennpunkt im Behandlungsraum mit F bezeichnet. Die Zu- und Abführung
des zu behandelnden Gutes erfolgt wie bei der Einrichtung gemäß dem Hauptpatent
durch die Zu- und Abführungsleitungen 3 und 4, wobei die Abführungsleitung so in
den Behan.dlungraum hineingeführt ist, daß ihre innere Öffnung in unmittelbarer
Nähe des Brennpunktes F liegt. Auch die in der Fig. i durch die Pfeillinie a angedeutete
Fläche ist in der Fi.g. 2 auf die gleiche Weise kenntlich gemacht. In ungefähr den
gleichen Abmessungen, die diese Fläche aufweist, ist, und zwar senkrecht über dieser,
in der Begrenzung 2 des Behandlungsraums eine Aussparung, die mit der Überdachung
5 gegen dieAußenatmosphäre abgeschlossen ist. Diese Überdachung besteht aus einer
seitlichen, normalerweise senkrecht stehenden Begrenzung, die mit dem Reflektor
2 verbunden ist, und aus einer waagerecht liegenden Platte 5'. Das Ableitungsrohr
4 für das behandelte Gut ist in dem dargestellten Fall durch diese Platte hindurchgeführt.
Es steht natürlich nichts im Wege, die Leitung auch durch die seitliche Begrenzung
der Überdachung zu führen. Die von der durch die Pfeillinie a angedeuteten Fläche
des Schwingers i ausgehenden Schwingungen treffen nun auf die waagerecht liegende
Ab schlußplatte 5' der Abdeckung 5 und «erden von dieser senkrecht und konphas auf
die energieabstrahlende Ausgangsfläche des Quarzschwingers zurückgeworfen. Damit
ist also die Möglichkeit einer großen und gleichmäßigen Vergrößerung der Amplitude
der Quarzplatte erreicht. Wie bereits erwähnt, gelangen bekanntlich @ sämtliche
-von dem angedeuteten Bereich der schallabstrahlendenFläche des Schwingers ausgehenden
Schwingungen in den. Brennpunkt F und treffen von dort durch nochmalige Reflexion
an der Innenfläche des Parabolreflektors wieder senkrecht und konphas auf dem Schwinger
auf. Die günstigsten Bedingungen werden bei der Einrichtung gemäß Fig. 2 erreicht,
wenn der Axia,lschnitt des Reflektors der Gleichung y2-2.hix genügt (p1 = Halbparameter).
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Der Radius der reflektierenden Kreisfläche ist zweckmäßig zu
zu wählen (a1 = Höhe des Paraboloids).
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Sofern nun in dem Teil des Behandlungsraums, der über der durch die
Pfeillinie a angedeuteten Fläche liegt, stehende Schwingungen zustande komtuen
sollen,
muß der Abstand b (Fig. 2) der zweckmäßig aus Metall bestehenden Platte 5' der Überdachung
5 von der schallabgebenden Fläche des Quarzes ein ungeradzah:liges Vielfaches einer
Viertelwellenlänge sein.
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Außer den beiden Bedingungsgleichungen (ai-i bis fas sind ganze positive
Zahlen)
muß noch die Gleichung
erfüllt werden. In dieser Gleichung ist n; nicht willkürlich wählbar, da b der Ungleichung
genügen muß.
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Es ist aber auch möglich, den Gegenstand der Erfindung in der Weise
auszubilden, daß in der Überdachung ein oder mehrere weitere Behandlungsräume entstehen.
So ist in der Fig. 3 eine Einrichtung dargestellt, in der die Überdachung 5 einen
zweiten Behandlungsraum bildet. Der erste und Hauptbehandlungsraum für das zu beschallende
Gut wird, wie bei der Einrichtung gemäß Fig.2, von dem Quarzschwinger i und von
dem Reflektor 2 begrenzt. Die Flüssigkeit strömt durch den Anschlußstu.tzen 3 in
den Behandlungsraum ein und durch die Leitung d. aus diesem Raum wieder heraus.
Dabei gelangt sie ebenfalls wieder, wie in der Einrichtung nach Fig. 2, in die Zone
einer besonders intensiven Ultraschalleinwirkung, die beim Brennpunkt F liegt. Durch
die Leitung 4 fließt das Gut in die Überdachung 5, deren untere Begrenzung durch
eine Membran 6 und deren seitliche Begrenzung durch einen im Querschnitt parabolförmigen
Reflektor 7 gebildet wird. Aus diesem zweiten Behandlungsraum strömt .das behandelte
Gut durch die Leitung 8 aus.
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Das zu. behandelnde Gut erfährt also in der Einrichtung nach Fig.
3 eine doppelte Behandlung mit Ultraschallschwingungen, und zwar wird -es in dem
ersten Behandlungsraum stehenden Schwingungen ausgesetzt, deren Amplitude größer
ist als die der fortschreitenden Schwingungen bei gleicher aufzuwendender Leistung.
Im zweiten Behandlungsraum gelangt die durch das Rohr .a. von der ersten Kav itationszone
F1 des ersten Behandlungsraums abgeführte Flüssigkeit auf ihrem Weg durch den zweitenBehandlungsraum
in die z-tveiteKavitationszone F@, in welcher eine nochmalige intensive Ultraschalleinwirkung
erfolgt. Die Membran 6 und das Zuleitungsrohr q. sind bei der Einrichtung möglichst
leicht ausgebildet. DerAbstand der Membran vom Quarzschwinger beträgt vorteilhafterweise
ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge.
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Für den Parabolreflektor 7 des zweiten Behandlungsraums gelten an
Stelle der entsprechenden Gleichungen für den ersten Behandlungsraum folgende Bedingungen:
Der dem zweiten Behandlungsraum bzw. Reflektor zukommende, in der Zeichnung 3 durch.
gestrichelte Linien angedeutete Bereich der von dem Quarzschwinger abgestrahlten
Schwingungen kann durch entsprechende Wahl der Parameter und der Abmessungen der
Parabolreflektoren so gewählt werden, daß eine nochmalige Zusammenfassung der Schwingungen
in den meisten Fällen sich erübrigt. Es steht aber nichts im Wege, gegebenenfalls
über dem zweiten Behandlungsraum noch weitere anzuordnen.