DE3316353A1 - Ultraschall-bearbeitungseinrichtung, insbesondere reinigungseinrichtung - Google Patents

Ultraschall-bearbeitungseinrichtung, insbesondere reinigungseinrichtung

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DE3316353A1 DE19833316353 DE3316353A DE3316353A1 DE 3316353 A1 DE3316353 A1 DE 3316353A1 DE 19833316353 DE19833316353 DE 19833316353 DE 3316353 A DE3316353 A DE 3316353A DE 3316353 A1 DE3316353 A1 DE 3316353A1
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Description

Gesthuysen & von Rohr
-3-
83.140,ne Essen, den 3. Mai 1983
Patentanmeldung
der Firma
Taga Electric Co., Ltd. 3-1-1, Yaguchi, Ohta
Tokyo / Japan
betreffend eine
"Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung, insbesondere Reinigung^in;
Patentanwälte · Dipl.-lng. Hans Dieter Gesthuyson · Dipl.-Phys. Hans Wilhelm von Rohr 4300 Essen 1. Huyssenallee 15, Telefon: 02 01/233917, Telex: 0857 9990
' H-
Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung mit einem Ultraschall sender (Vibrator), vorzugsweise mit einem Verstärkerhorn und mit einem Breithorn, wobei der Ultraschal!sender in seiner Längsrichtung bei einer bestimmten Wellenlänge (XJ in Resonanz schwingt. Derartige Bearbeitungseinrichtungen finden insbesondere als Ultraschall-Reinigungseinrichtungen für das Reinigen bzw. Waschen von Textilien od. dgl. Anwendung.
Ultraschall-Bearbeitungseinrichtungen der in Rede stehenden Art sind seit längerem bekannt (vgl. die US-PSen 31 13 225, 36 01 084, 38 30 098, 42 75 363). Ein Ausführungsheispiel einer solchen bekannten Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung ist in Verbindung mit Fig. 1 der Zeichnung im speziellen Teil der Beschreibung erläutert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, bei der über die volle Breite des Breithornes an zumindest einem Ende Ultraschall-Schwingungen gleichmäßig erzeugbar sind.
Die erfindungsgemäße Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung, bei der die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Breithorn in Längsrichtung bei der halben Wellenlänge und in Querrichtung bei einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge in Resonanz schwingt. Zweckmäßigerweise ist der Ultraschallsender in Querrichtung des Breithornes in einem Amplitudenmaximum an das Breithorn angeschlossen oder an einem Ende des Breithornes in einem Amplitudenmaximum in Querrichtung an das Breithorn angeschlossen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 4 bis 6 sowie 8 und 9.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausftifirunysbei spiele darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung,
Fig. 2 in einer Frontansicht, schematisch dargestellt, ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ultraschal 1-Bearbeitung sei nrichtung,
Fig. 3 in perspektivischer Darstellung, teilweise geschnitten, ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ultraschal 1-Bearbe i tungsei nri chtung,
Fig. 4 den Gegenstand nach Fig. 3 in einer schematischen Frontansicht und
Fig. 5 in einer Frontansicht und in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung.
.Bekannte Ultraschall-Bearbeitungseinrichtungen werden im industriellen Bereich viel angewendet, beispielsweise für Reinigungseinrichtungen od. dgl.. Bei derartigen Ultraschall-Bearbeitungseinrichtungen wird die Energie von Hohlraumbildungen, die durch die Beaufschlagung mit starken Ultraschall-Schwingungen entstehen, effektiv ausgenutzt. Insbesondere bei Reinigungseinrichtungen od. dgl. müssen starke Schwingungen über eine große Breite erzeugt werden, um die gewünschte Beeinflussung zu erreichen. So ist es beispielsweise nicht wirksam, Gewebe und Textilien durch einen konventionellen Ultraschall-Reinigungsgang zu führen, um Bearbeitungen des Gewebes wie Waschen, Färben, Entstärken und Entfetten auszuführen. Die Schwingungen sind nämlich nicht ausreichend stark, um auch im Inneren des Gewebes eine Wirkung zu zeigen. Dementsprechend ist immer wieder die For-
derung nach einem Breitschwinger geäußert worden, bei dem Schwingungen eine: Senders mittels eines Verstärkerhornes amplitudenmäßig verstärkt und konzentriert werden, so daß am Ende desselben starke Schwingungen erzeugbar sind. Hierzu ist eine Einrichtung vorgeschlagen worden, die etwa wie in Fig. 1 dargestellt aufgebaut ist.
Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung weist ein Breithorn 1 eine Abstufung 2 auf, mit deren Hilfe die Schwingungsamplitude vergrößert wird, so daß starke bzw. intensive Schwingungen an einem Ende 3 des Breithorries 1 erzeugbar sind. In der Mitte des anderen Endes des Breithornes 1 ist" ein Verstärkerhorn 5 angeschlossen, an das selbst ein Ultraschall sender 4 (Vibrator) angeschlossen ist. Eine Mehrzahl von Schlitzen 6 sind in einer Reihe in Querrichtung des Breithornes 1 ausgebildet und erstrecken sind in Richtung der Längsachse des Ultraschallsenders 4. Die Schlitze 6 erstrecken sind also in Richtung von Schwingungen zwischen Teilen des Breithornes 1 nächst Schleifen an gegenüber liegenden Enden des Breithornes 1, so daß Interferenzen in der Querrichtung zwischen, benachbarten Knoten, durch die bei Schwingungen maximale Spannungen in Bereichen des Breithornes 1 erzeugt werden, verhindert werden können. Damit kann über die gesamte Breite des Endes 3 des Breithornes 1 eine gleichmäßige Schwingung erreicht werden, indem Resonanzschwingungen des Breithornes 1 möglich sind. Insbesondere ist während Resonanzschwingungen des Breithornes 1 in Längsrichtung die schwingungsbedingte Spannung im Breithorn 1 so verteilt, daß die maximale Spannung nahe der Abstufung 2 auftritt, dort also, wo die Knoten auftreten, während die Spannung nach den gegenüber liegenden Enden des Breithornes 1 hin langsam abnimmt. Schwingungen des Breithornes 1 werden, wenn auch geringer, entsprechend einer solchen Spannungsverteilung in Richtung senkrecht zur Richtung der ursprünglichen Schwingungen verursacht. Somit treten Resonanzen auch in anderen Richtungen als der Längsrichtung auf, und zwar wegen Interferenz solch möglicher Sekundärschwingungen in Querrichtung. Das führt im Ergebnis dazu, daß ganz gleichmäßige Schwingungen am Ende 3 des Breithornes 1 nicht zu erreichen sind. Das wiederum ist der Grund für die im Breithorn 1 ausgebildeten Schlitze 6.
Aus diesen Gründen haben die Schlitze 6 eine bedeutende Funktion zur Vermeidung von Interferenzen aufgrund von Schwingungen des Breithornes 1 in der Querrichtung. Die Schlitze 6 können jedoch nicht weit genug zu den Schleifen an gegenüber liegenden Enden des Breitfiornes ausgedehnt werden, da in Längsrichtung eine Übertragung von Ultraschallenergie notwendig ist. Somit ist es unmöglich, Interferenzen von Schwingungen in der Querrichtung vollständig auszuschalten. Dementsprechend wird die Breite des Endes 3 des Breithornes 1, die ganz gleichmäßige Schwingungen garantiert, entsprechend begrenzt.
Es wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Fig. erläutert. Hier ist ein Breithorn 7 etwa in der Form eines rechteckigen Parallelepipeds gezeigt, das ein erstes Ende 8 und ein gegenüber liegendes zweites Ende 9 aufweist und so gestaltet ist, daß Resonanzschwingungen bei 7v/2 in Längsrichtung und bei 6X/2, d. h. 3\, in Querrichtung auftreten. Drei Gruppen von Ultraschallsendern 10 und Verstärkerhörnern 11 sind an solchen Punkten an das Breithorn 7 angeschlossen, an denen die Amplitude der Schwingungen in der Schwingungsvertej lung in Querrichtung jeweils maximal ist. Ein Ultraschal1-Leistunystei 1 12 ist mit. den Ultraschal lsendern 10 verbunden.
Bei dieser Konstruktion werden im Breithorn 7 in seiner Längsrichtung bei angeschaltetem Ultraschall sender 10 Schwingungen mitA./2 erzeugt, wie das in Fig. 2c gezeigt ist. Die Amplitude der axialen Komponente der Schwingungen am ersten Ende 8 des Breithornes 7 schwankt wie in Fig. 2b gezeigt. Dementsprechend ist die Amplitude maximal aber gegenphasig an Stellen im Abstand von λ/2 in der Querrichtung. Auf Null wird die Amplitude an den Punkten reduziert, die von den Amplituderimaxima um λ/4 entfernt sind. Im Ergebnis ist die Verteilung der Schwingungsstärke am Ende B des Breithornes 7 so, daß Maxima und Minima ϊηλ./4-Abständen auftretrri, wie in Fig. 2d gezeigt.
.--' Geethtiysbn SrvonrRohr 3 316 35 3
Es darf der Ordnung halber darauf hingewiesen werden, daß trotz der Beschreibung des Ausführungsbeispieles mit drei Gruppen von Ultraschallsendern 10 und Verstärkerhörnern 11 auch nur eine einzige Gruppe ausreichen kann, um den gesamten Bereich des Breithornes 7 in der Querrichtung zürn Schwingen zu bringen, womit natürlich weniger Ultraschallenergie für die beabsichtigte Bearbeitung benötigt wird.
Im Gegensatz zu den voranstehenden Ausführungen kann eine zusätzliche Gruppe von Ultraschallsender 10 und Verstärkerhorn 11 bei höherem Energiebedarf vorgesehen sein. Diese zusätzliche Gruppe kann ihrerseits um λ/2 in der Querrichtung von einem Beeinflussurvgspunkt des Breithornes 1 entfernt sein, der mit (a) in Fig. 2 bezeichnet ist. Dann sollte diese Gruppe gegenphasig angesteuert werden.
Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Fig. 3 und 4 erläutert. Gleiche Teile erhalten gleiche Bezugszeichen und ihre Beschreibung unterbleibt nachfolgend.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat ein Breithorn 7 nur eine Gruppe von Ultraschallsender 10 und Verstärkerhorn 11. Diese Ausführungsform weist aber zwei solcher Konstruktionen auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung fällt auf, daß ein zu bearbeitender Gegenstand 14 in einem Behälter 13 die Form eines Gewebes vorgegebener Breite hat. Dieser Gegenstand 14 kommt in Kontakt mit einer Walze 15 und wird in Richtung des Pfeiles durchgezogen. Die beiden Breithörner 7 sind in Durchzugsrichtung des zu bearbeitenden Gegenstandes 14 mit Abstand voneinander angeordnet und senkrecht zur Durchzugsrichtung umX_/4 gegeneinander versetzt.
Fig. 4b und Fig. 4c zeigen ähnlich wie Fig. 2d die Verteilungen der Schwingungsstärke der Breithörner 7 in Querrichtung. Der zu bearbeitende Gegenstand 14 wird also zunächst unter dem ersten Breithorn 7 bearbeitet und danach unter dem Breithorn 7. Im Ergebnis wird also der zu bearbeitende Gegenstand 14 insgesamt so bearbeitet, wie das in Fig. 4d dargestellt ist.
-3-
Das beruht am Einfluß der Verteilungen der Schwingungsstärke des ersten und zweiten ßreithornes 7. Somit ist der Gegenstand im wesentlichen gleichmäßig über seine volle Breite bearbeitet worden.
Es darf darauf hingewiesen werden, daß, trotz der Erläuterung des Ausführungsbeispieles mit zwei Breithörnern 7 mit einer Versetzung von λ/4, ebensogut notwendigenfalls auch drei Breithörner 7 mit einer Versetzung von λ/6 eingesetzt werden können. Das bedeutet also eine Versetzung von jeweils Λ/η mit n/2 als Anzahl der eingesetzten Breithörner 7. In dieser abgeänderten Ausführungsform ist die Verteilung der Schwingungsstärke in der Querrichtung noch gleichmäßiger, so daß örtliche Ungleichmäßigkeiten der Bearbeitung ausgeschaltet werden, η muß hier eine gerade Zahl sein.
Die Konstruktionen von Ultraschall-Bearbeitungseinrichtungen gemäß den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen erlauben die Bearbeitung sehr breiter Gegenstände. So ist z. B. bei einer üblichen Einrichtung mit einer Ultraschall-Frequenz von 28 kHz die maximale Breite mit einer garantiert gleichmäßigen Amplitude bei Massenproduktion ungefähr 30 cm. Die Konstruktion der Ausführungsbeispiele macht einen Wegfall der Schlitze bekannter Einrichtungen möglich, so daß eine Abschwächung von Ultraschallenergie in der Querrichtung nicht auftritt. So kann selbst ein Brei thorn 7 einer Breite von 1 m einen Gegenstand ausreichend beeinflussen.
Nachfolgend wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Fig. 5 erläutert. Ein Breithorn 16 gemäß der Erfindung ist hier so ausgestaltet, daß eine Resonanzschwingung bei 3A./2 in der Querrichtung und beiX/2 in der Richtung senkrecht zur Querrichtung gegeben ist. Das Breithorn 16 ist an beiden Enden 17 in Querrichtung mit einer Gruppe, bestehend aus einem Ultraschall sender 19 und einer Ultraschall-Energiequelle 18 sowie einem Verstärkerhorn 20, verbunden. Die Verteilung der Schwingungsamplitude an einem Ende 21 und am anderen Ende 22 des Breithorries 16 kann so sein wie in Fig. 5b dargestellt. Das ist ähnlich wie in Fig. 2b. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann jedoch nicht nur das eine Ende 21,
sondern auch das andere Ende 22 des Breithornes 16 zur Abstrahlung von Ultraschallenergie genutzt werden.
In der Praxis ließe sich alternativ anstelle von zwei Gruppen von Ultraschallsendern 19 nur eine solche Gruppe an einem Ende 17 des Breithornes zur Aktivierung verwenden. Andererseits ist es auch möglich, eine Vielzahl solcher Anordnungen versetzt zueinander in Querrichtung so anzuordnen, wie das in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist.
Aus der voranstehenden Beschreibung ergibt sich erfindungsgemäß ein Breithorn, das Resonanzschwingungen mitA/2 in Längsrichtung und λ/2 χ η in der Querrichtung erzeugen kann. Dieses Breithorn weist einen Ultraschallsender auf, der an einen mittleren Punkt angeschlossen ist, an dem die Schwingungsamplitude in der Schwingungsverteilung in Querrichtung maximal ist. Der Ultraschallsender kann auch an einem Punkt am Ende in Querrichtung des Breithornes angeschlossen sein, an dem die entsprechende Amplitude der Schwingungen maximal ist. Dadurch können über die volle Breite des Breithornes Schwingungen gleichmäßig erzeugt werden. Außerdem ist wegen des Fehlens von Schlitzen im Breithorn eine übertragung von Ultraschallenergie in der Querrichtung effektiv möglich. Dadurch lassen sich gleichmäßige Schwingungen über sehr große Dimensionen in Querrichtung des Breithornes erzeugen. Darüber hinaus lassen sich mehrere Gruppen von Breithörnern in versetzter Anordnung in Querrichtung vorsehen, wodurch eine weitere Vergleichmäßigung der Bearbeitung eines Gegenstandes über dessen volle Breite erzielbar ist.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Ultraschall-Bearbeitungseiririchtung, insbesondere Reinigungseinrichtung, mit einem Ultraschall sender (Vibrator), vorzugsweise mit einem Verstärkerhorn und mit einem Breithorn, wobei der Ultrascha11 sender in seiner Längsrichtung bei einer bestimmten Wellenlänge (^) in Resonanz schwingt, dadurch gekennzeichnet, daß das Breithorn (7; 16) in Längsrichtung bei der halben Wellenlänge (Λ-/2) und in Querrichtung bei einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge (ηλ,/2) in Resonanz schwingt.
2. Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Breithornes (7; 16)^/2 und die Breite des Breithornes (7; 16) ηλ/2 sind.
3. Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder Z, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultra'schal 1 sender (10) in Querrichtung des Breithornes (7) in einem Amplitudenmaxirnum an das Breithorn (7) angeschlossen ist.
4. Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschall sender (10) vorgesehen sind und jeder der Ultraschallsender (10) in Querrichtung des Breithornes (7) in einem Amplitudenmaximum an das Breithorn (7) angeschlossen ist.
5. Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall sender (10) in Querrichtung des Breithornes (7) im Abstand einer vollen Wellenlänge (λ.) voneinander angeordnet und gleichphasig angesteuert sind.
6. Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall sender (10) in Querrichtung des Breithornes (7 im Abstand einer halben Wellenlänge (λ,/2) voneinander angeordnet und jeweils benachbarte Ultraschall sender (10) gegenphasig angesteuert sind.
7. Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschal!sender (19) an einem Ende (17) des Breithornes (16) in einem Amplitudenmaximum in Querrichtung an das Breithorn (16) angeschlossen ist.
8. Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ultraschallsender (19) vorgesehen sind und an jedem der einander gegenüber liegenden Enden (17) des Breithornes (16) ein Ultraschal !sender (19) an das Breithorn (16) angeschlossen ist.
9. Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Gruppen aus Ultraschallsender (10; 19) und Breithorn (7; 16) vorgesehen und in Durchzugsrichtung eines zu bearbeitenden Gegenstandes (14) mit Abstand voneinander angeordnet und die Gruppen in Querrichtung der Breithörner (7; 16) umA./n gegeneinander versetzt sind.
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