Modellbasierte und experimentelle Charakterisierung von intensiven Ultraschall-Stehwellenfeldern für die Zerstäubung hochviskoser Flüssigkeiten

Für die Zerstäubung hochviskoser Flüssigkeiten werden neben Düsenzerstäubern vor allem UltraschallStehwellenzerstäuber angewendet [1]. Diese ermöglichen ohne weitere Maßnahmen zwar keine gerichtete Zerstäubung, benötigen jedoch im Gegensatz zu Düsenzerstäubern keine hohen Drücke und haben keine hohen Austrittsgeschwindigkeiten. Zur Erzeugung der Ultraschallwellen werden typischerweise piezoelektrische, mit Bolzen verschraubte LangevinWandler verwendet [1-4], die eine starke Schallabstrahlung bei einer elektrischen Eingangsleistung von bis zu einigen Kilowatt erzeugen können. Wie bei jedem anderen schwingenden System emittiert der Ultraschallwandler zunächst eine Wanderwelle. Mit einem Reflektor, der gegenüber der Sonotrode angeordnet ist, wird eine stehende Welle erzeugt. Im Resonanzabstand zwischen Reflektor und Wandler werden abgestrahlte und reflektierte Wellen so überlagert, dass höhere Schalldruckamplituden erzielt werden. Ein einfacher Ansatz zur Maximierung des Schallpegels im Stehwellenfeld ist die Erhöhung der Schwingungsamplituden des Wandlers, die jedoch zu Schäden oder zumindest zu einer Verringerung der Lebensdauer führen kann. Hohe Schalldrücke werden auch bei geringen Abständen zwischen Wandler und Reflektor erreicht. Das Volumen des Schallfeldes ist in diesem Fall jedoch für die meisten Prozesse zu klein. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung zweier entgegengesetzt angeordneter Wandler [5]. In diesem Fall erfordert jedoch die Erzeugung einer stehenden Welle eine genaue Abstimmung von Frequenz und Phase beider Wandler, was eine komplexe Steuerung erfordert. Ebenso ist es möglich, geometrische Randbedingungen des Stehwellensystems zu optimieren, sodass es zu optimaler Interferenz der Wellen kommt. Im Folgenden wird der Anschaulichkeit halber vereinfachend angenommen, dass der Wandler an seiner Sonotrodenoberfläche einzelne Schallstrahlen aussendet, die in Nähe des Wandlers nahezu parallel verlaufen und sich mit zunehmender Entfernung vom Wandler auffächern. Ein einfaches Stehwellensystem, bestehend aus ebener Sonotrode und ebenem Reflektor, erzeugt bei kleinem Abstand zwischen Sonotrode und Reflektor sehr hohe Schallpegel, da nahezu sämtliche ausgesandten Schallstrahlen in Richtung der Sonotrode reflektiert werden positive Interferenz entsteht. Erhöht man jedoch den Abstand zwischen Sonotrode und Reflektor, so nehmen die Verluste durch Schallstrahlen, die den Prozessraum verlassen, zu. Wie Abbildung 1 gezeigt, werden nur Schallstrahlen, die in etwa parallel zur Rotationsachse verlaufen, zum Wandler zurück reflektiert und tragen zum Stehwellenfeld bei. Die Strahlen haben zudem abhängig vom Abstrahlwinkel unterschiedliche Weglängen. Die Stehwellenbedingung ist demnach nur für Strahlen in der Nähe der Rotationsachse exakt erfüllt. Um dies zu vermeiden, müssen die Geometrien von Wandler und Reflektor optimiert werden. In den folgenden Abschnitten wird zunächst ein Optimierungsansatz vorgestellt. Mithilfe eines FiniteElemente-Modells werden die Auswirkungen einer optimierten Geometrie auf den maximalen Schalldruckpegel untersucht. Ergebnisse werden durch Messungen an einem experimentellen Aufbau eines Stehwellensystems validiert. Es wird gezeigt, wie sich die Optimierung der geometrischen Randbedingungen auf die Zerstäubung hochviskoser Flüssigkeiten auswirkt.