УСТАНОВКА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ Российский патент 2002 года по МПК B08B3/12 

Изобретение относится к чистке, а именно к чистке с использованием ультразвуковых колебаний, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для очистки загрязненных поверхностей.

Известна установка для ультразвуковой очистки фирмы Elma, содержащая технологическую ванну и ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи, которые жестко закреплены на стальной пластине через определенное расстояние, кратное половине длины изгибной волны, возникающей в пластине. Пластина вставлена в отверстие в дне ванны и жестко и герметично закреплена в нем таким образом, что преобразователи находятся снаружи. (Проспект фирмы Elma "Elma-Ultrasonik-Technology: Up to any task", 1998 г.).

Недостаток известной установки заключается в следующем. Поскольку преобразователи закреплены на наружной поверхности дна ванны, то вдоль дна ванны распространяются паразитные изгибные колебания. Наличие паразитных изгибных колебаний нарушает равномерность акустического поля внутри ванны. Кроме того, наличие паразитных изгибных колебаний обусловливает взаимодействие между собой ультразвуковых преобразователей, что также нарушает равномерность акустического поля внутри ванны. Для снижения влияния паразитных изгибных колебаний на равномерность акустического поля в технологической ванне в известной установке осуществляют развязку ультразвуковых преобразователей. Для этого преобразователи размещают на поверхности пластины через расстояние, кратное половине длины волны изгибных колебаний. Последнее усложняет конструкцию устройства, так как ставит размещение преобразователей в зависимость от частоты преобразования, а кроме того, предъявляет повышенные требования к стабильности генерируемой частоты и к идентичности параметров преобразователей. При этом сами изгибные колебания не устраняются. В результате отсутствия эффективного подавления паразитных изгибных колебаний снижается равномерность интенсивности акустического воздействия по всему объему ванны. Кроме того, конструкция усложняется также из-за требований к герметичности крепления пластины с преобразователями ко дну ванны.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство ультразвуковой очистки, содержащее технологическую ванну, ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний, причем плоскости излучателей преобразователей и демпфера соединены с плоскостью наружной поверхности дна ванны (заявка ЕР 0479070, В 08 В 3/12, 1991 г.).

Недостаток известного устройства состоит в следующем. Поскольку преобразователи закреплены на наружной поверхности дна ванны, то вдоль дна ванны, так же как и в установке-аналоге, распространяются паразитные изгибные колебания. Как уже было показано выше, это обусловливает паразитное взаимодействие между собой ультразвуковых преобразователей, что нарушает равномерность акустического поля внутри ванны. Развязку ультразвуковых преобразователей в известной установке осуществляют путем частичного гашения паразитных изгибных колебаний. Для этого осуществляют демпфирование последних пластиной, установленной на наружной поверхности дна ванны. Это упрощает конструкцию, поскольку снижает зависимость от частоты преобразования размещения преобразователей на наружной поверхности дна ванны. Однако поскольку эффективность гашения паразитных изгибных колебаний в известной установке осуществляют варьируя толщиной демпфера, изменяя тем самым упругость пластины в направлении изгиба, то эффективность развязки преобразователей и эффективность гашения паразитной изгибной волны находятся в зависимости от толщины пластины. Повышение толщины пластины приводит к усложнению конструкции устройства из-за проблем с креплением пластины к наружной поверхности дна ванны, так как пластина должна быть равномерно прижата по всей наружной поверхности дна ванны. В этом случае имеет большое значение вес пластины. Необходимость принятия компромиссного решения снижает эффективность подавления паразитных изгибных колебаний, а следовательно, снижает эффективность развязки преобразователей и ухудшает равномерность распределения акустического поля внутри ванны.

Таким образом, аналог и прототип предлагаемой установки для ультразвуковой очистки, выявленные в результате патентного поиска, при осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в улучшении равномерности распределения акустического поля внутри ванны за счет повышения эффективности подавления паразитных изгибных колебаний и улучшения развязки преобразователей, а также в упрощении конструкции установки.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания установки для ультразвуковой очистки, осуществление которой позволяет достичь технического результата, заключающегося в улучшении равномерности распределения акустического поля внутри ванны за счет повышения эффективности подавления паразитных изгибных колебаний и улучшения развязки преобразователей, а также в упрощении конструкции установки.

Суть изобретения заключается в том, что в установке для ультразвуковой очистки, содержащей технологическую ванну, ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний, причем плоскости излучателей преобразователей и демпфера соединены с плоскостью наружной поверхности дна ванны, демпфер паразитных изгибных колебаний выполнен в виде отдельных массивных стальных колец, концентрично охватывающих излучатели соответствующих преобразователей и расположенных на расстоянии от них, причем внутренняя поверхность кольца выполнена в форме шестерни с зубьями и пазами в виде равнобедренных трапеций, продолжения боковых сторон которых до центра кольца образуют равные телесные углы, а глубина пазов равна λ/4, где λ- длина изгибной волны в материале дна ванны, причем плоскости излучателей преобразователей и демпфера жестко соединены с плоскостью наружной поверхности дна ванны.

Технический результат достигается следующим образом. В предлагаемой установке технологическая ванна является емкостью для очищающей среды. Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи преобразуют электрическую энергию генератора в механические ультразвуковые колебания, которые, благодаря жесткому соединению плоскости излучения преобразователей с плоскостью наружной поверхности дна ванны, передаются через дно ванны в очищающую среду.

Демпфер паразитных изгибных колебаний, выполненный в виде отдельных массивных стальных колец, концентрично охватывающих излучатели соответствующих преобразователей и расположенных на расстоянии от них, благодаря жесткому соединению с плоскостью наружной поверхности дна ванны снижает паразитное взаимодействие работающих преобразователей, препятствуя распространению формируемых ими паразитных изгибных колебаний по наружной поверхности дна ванны. Это объясняется следующим. Из электроакустики известно, что причиной отражения звуковых волн от любой пространственной границы двух сред является неравенство (несогласованность) их волновых акустических сопротивлений. Отражающая способность среды тем больше, чем больше отличается ее волновое сопротивление от волнового сопротивления первой среды, например воздуха. (Сапожников М. А. Электроакустика. - М.: Связь, 1978, с.181-182). В нашем случае изгибная волна при распространении по наружной поверхности дна ванны встречает на своем пути неоднородность в виде стального кольца, которое обладает вполне определенной массой. Используя метод электромеханических аналогий (Сапожников М.А. Электроакустика. - М.: Связь, 1978, с.60), тонкое дно технологической ванны можно представить в виде длинной линии с распределенными параметрами. При этом масса дна ванны является аналогом электрической индуктивности, а гибкость дна ванны - аналогом электрической емкости, которые распределены равномерно в направлении распространения изгибной волны. В этом случае можно считать, что дно технологической ванны ведет себя подобно длинной линии с волновым сопротивлением Устанавливая стальное кольцо на пути распространения изгибной волны, мы тем самым устанавливаем в сечении длинной линии значительную массу при одновременном снижении гибкости. В результате, в соответствии с теорией распространения волн в длинной линии, сосредоточенная масса в виде стального кольца на пути изгибной волны является неоднородностью и эквивалентна сосредоточенной индуктивности, включенной в разрыв длинной линии. Поэтому участок линии в месте неоднородности оказывается нагруженным на реактивное сопротивление Х индуктивного характера. Поскольку материал дна технологической ванны представляет собой распределенную вдоль пути распространения волны массу, а дно ванны тонкое, то масса дна на единицу длины волны мала, в то время как стальное кольцо массивное. Отсюда и реактивное сопротивление Х неоднородности превышает Z, что приводит к отражению энергии от неоднородности в сторону источника колебаний и препятствует распространению волны за пределы неоднородности. Выполнение кольца массивным обеспечивает увеличение коэффициента отражения, который тем больше, чем больше реактивное сопротивление неоднородности, т.е. чем больше масса кольца. Это объясняется тем, что коэффициент отражения Г зависит от соотношения реактивного сопротивления неоднородности и волнового сопротивления линии Z, что видно из выражения
X/Z = (-2|Г|sinϕ)/(1+|Г|²-2|Г|cosϕ),
где ϕ- фазовый угол коэффициента отражения, определяющийся расстоянием между неоднородностью и источником колебаний (Советов Н.М. Техника сверхвысоких частот. - М.: Высшая школа, 1976, с.77).

Как видно из вышеизложенного, коэффициент отражения зависит от значения фазового угла отражения. Благодаря тому, что кольца концентрично охватывают соответствующие преобразователи и расположены от них на расстоянии, а внутренняя поверхность кольца выполнена в форме шестерни с зубьями и пазами в виде равнобедренных трапеций, продолжение боковых сторон которых до центра кольца образуют равные телесные углы, а глубина пазов равна λ/4, где λ- длина изгибной волны в материале дна ванны, обеспечивается возможность гашения изгибной волны внутри кольца. Это объясняется следующим. Рассмотрим поведение изгибной волны внутри телесного угла демпфирующего кольца, образованного расположенными рядом зубом и пазом шестерни. Изгибная волна распространяется внутри кольца от излучателя в сторону внутренней стенки кольца. Поскольку телесные углы равны, то и энергию изгибных волн, распространяющихся в этих углах, также можно принять равной. При этом, благодаря тому, что зубья и пазы выполнены в виде трапеций, образуются две отражающие поверхности: основания соответствующих трапеций. Благодаря этому часть энергии падающей волны отражается от выступающей части зуба шестерни, а другая - от внутренней поверхности паза. Поскольку зубья и пазы выполнены в виде равнобедренных трапеций, а глубина паза, т.е. боковая сторона трапеции, равна λ/4- отраженная от впадины волна при выходе из нее будет иметь фазовый сдвиг по отношению к отраженной волне от выступающей части зуба, равный 180^o. Таким образом, в соседних телесных углах, образованных зубом и пазом, отраженные волны на уровне выступающей части зуба шестерни находятся в противофазе. Это, а также равенство энергий падающих изгибных волн в телесных углах, обеспечивает в идеале внутри кольца взаимную компенсацию суммарных энергий волн, отраженных от выступающих частей зубов и внутренних поверхностей пазов шестерни. В результате обеспечивается эффективное гашение изгибных волн внутри демпфирующих колец, что снижает энергию изгибных волн и препятствует их дальнейшему распространению за пределы кольца.

Кроме того, происходит частичное поглощение изгибных волн материалом кольца за счет его шероховатости. (Сапожников М.А. Электро-акустика. - М.: Связь, 1978, с.183). Коэффициент поглощения увеличивается в результате дополнительного поглощения из-за поперечных колебаний, возникающих в вертикальных стенках кольца. При этом, благодаря тому, что демпфер паразитных изгибных колебаний выполнен в виде отдельных колец, концентричпо охватывающих излучатели соответствующих преобразователей, отражение паразитных изгибных колебаний идет как от внутренней поверхности, так и от внешней поверхности кольца. То же происходит и при частичном поглощении изгибной волны материалом кольца из-за шероховатости его поверхности.

Таким образом, благодаря эффективному гашению изгибной волны в дне технологической ванны, вокруг каждого преобразователя формируется барьер, препятствующий проникновению изгибных волн как от соседних преобразователей, так и от собственного преобразователя, что и обеспечивает развязку преобразователей. Это снижает потери при передаче ультразвука и повышает равномерность акустического поля в ванне. Эффективность отражения изгибной волны обеспечивает и материал кольца: кольцо выполнено из стали, которая имеет высокую твердость.

Благодаря эффективной развязке пьезоэлектрических преобразователей за счет препятствия прохождению изгибных паразитных колебаний за пределы демпфирующего кольца, расположение пьезоэлектрических преобразователей на наружной поверхности дна ванны не требует жесткой привязки к частоте ультразвуковых колебаний преобразователей. Это упрощает устройство и, кроме того, позволяет увеличить плотность расположения пьезоэлектрических преобразователей по наружной поверхности дна ванны, тем самым повысить удельную акустическую мощность установки и улучшить равномерность распределения акустического поля внутри ванны. Выполнение демпфера паразитных изгибных колебаний в виде колец упрощает конструкцию установки, так как исключает из нее тяжелый узел - металлическую плиту - и упрощает установку демпфера на наружную поверхность дна ванны. Кроме того, колебания дна ванны практически не передаются на боковые стенки ванны. Все это улучшает равномерность распределения акустического поля внутри технологической ванны.

Таким образом, предлагаемая установка ультразвуковой очистки при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в улучшении равномерности распределения акустического поля внутри ванны за счет повышения эффективности подавления паразитных изгибных колебаний и улучшения развязки преобразователей, а также в упрощении конструкции установки.

На фиг.1 изображена установка ультразвуковой очистки; на фиг.2 - демпфер паразитных изгибных колебаний.

Установка содержит технологическую ванну 1, ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи 2 и демпфер 3 паразитных изгибных колебаний, установленный на наружной поверхности дна 4 ванны 1. Демпфер 3 паразитных изгибных колебаний выполнен в виде отдельных массивных стальных колец 5, концентрично охватывающих излучатели 6 соответствующих преобразователей 2 и расположенных на расстоянии от них. Плоскости излучателей 6 преобразователей 2 и колец 5 демпфера 3 жестко соединены с плоскостью наружной поверхности дна 4 ванны 1.

Каждое кольцо 5 демпфера 3 выполнено в форме шестерни с зубьями 7 и пазами 8 в виде равнобедренных трапеций, продолжение боковых сторон которых до центра кольца образуют равные телесные углы 9, а глубина пазов равна λ/4, где λ- длина изгибной волны в материале дна ванны.

Ванна 1 заполнена очищающей средой 10 (очищаемые предметы не показаны).

Диаметр стального кольца 5 выбирают больше диаметра излучателя 6 преобразователя 2, но меньше расстояния между соседними преобразователями.

Массу кольца 5 можно выбрать исходя из требуемого коэффициента отражения (Советов Н.М. Техника сверхвысоких частот. - М.: Высшая школа, 1976, с.77). Коэффициент отражения Г зависит от соотношения реактивного сопротивления неоднородности и волнового сопротивления линии Z и определяется выражением
X/Z = (-2|Г|sinϕ)/(1+|Г|²-2|Г|cosϕ),
где ϕ- фазовый угол коэффициента отражения, определяющийся расстоянием между неоднородностью и источником колебаний.

Для ϕ=90^o получаем
X/Y=(-2|Г|)/(1+|Г|²).

Поскольку реактивные сопротивления неоднородности массивного стального кольца 5 и материала дна 4 ванны 1 эквивалентны их массам, то мы в результате имеем отношение требуемой массы неоднородности к массе материала дна на единицу пути распространения изгибной волны, выраженное через коэффициент отражения. Задавшись требуемым коэффициентом отражения и зная массу материала дна ванны, ограниченную кольцом, можно вычислить массу кольца, что и определит его толщину и высоту.

Сборку установки начинают с закрепления с помощью клея на наружной поверхности дна 4 ванны 1 демпферов 3 - массивных стальных колец 5, а затем внутри колец закрепляют преобразователи 2.

Установка ультразвуковой очистки работает следующим образом. В очищающую среду 10 ванны 1 загружают загрязненные предметы, например металлические. После подключения источника электропитания к ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователям 2 последние начинают генерировать ультразвуковые колебания, которые через дно 4 ванны 1 передаются в очищающую среду 10. Поскольку плоскости излучателей 6 преобразователей 2 жестко соединены с плоскостью наружной поверхности дна 4 ванны 1, то одновременно вдоль дна 4 ванны 1 от преобразователей 2 начинает распространяться паразитная изгибная звуковая волна. Благодаря тому, что кольца 5 демпфера 3 паразитных изгибных колебаний также жестко соединены с плоскостью наружной поверхности дна 4 ванны 1, паразитные изгибные волны, формируемые в результате работы преобразователей 2, встречают на пути распространения неоднородность. Изгибная волна распространяется внутри кольца от излучателя в сторону внутренней стенки кольца. При этом внутри телесных углов 9 демпфирующего кольца, образованных расположенными рядом зубом 7 и пазом 8 шестерни, часть энергии падающей волны отражается от выступающей части зуба 7 шестерни, а другая - от внутренней поверхности паза 8. Поскольку глубина паза 8 равна λ/4, отраженная от внутренней поверхности паза 8 волна при выходе из него будет иметь фазовый сдвиг по отношению к отраженной волне от выступающей части зуба, равный 180^o. В результате, отраженные волны на уровне выступающей части зуба шестерни находятся в противофазе. Это в идеале приводит внутри кольца к взаимной компенсации суммарных энергий волн, отраженных от выступающей части зуба и внутренней поверхности паза шестерни. В результате, обеспечивается эффективное гашение изгибных волн внутри демпфирующих колец, что снижает энергию изгибных волн и препятствует их дальнейшему распространению за пределы кольца 5. Это снижает взаимное влияние преобразователей 2 друг на друга и улучшает общую картину распределения акустического поля внутри технологической ванны 1. Под воздействием акустического поля в очищающей среде 10, контактирующей с поверхностью очищаемого предмета, возникает кавитация, в результате чего формируется микроударное воздействие на загрязненную поверхность предмета. Последнее приводит к разрушению и удалению загрязнений, прочно связанных с поверхностью очищаемого предмета.

Изобретение относится к очистке загрязненных поверхностей с использованием ультразвуковых колебаний и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Установка содержит технологическую ванну, ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний. Плоскости излучателей преобразователей и демпфера жестко соединены с плоскостью наружной поверхности дна ванны. Демпфер паразитных изгибных колебаний выполнен в виде массивных стальных колец. Внутренняя поверхность колец выполнена в форме шестерни, зубья которой и пазы выполнены в виде равнобедренных трапеций, продолжения боковых сторон которых до центра кольца образуют равные телесные углы. Глубина пазов равна λ/4, где λ - длина изгибной волны в материале дна ванны. Кольца концентрично охватывают излучатели соответствующих преобразователей и расположены на расстоянии от них. Изобретение обеспечивает улучшение равномерности распределения акустического поля внутри ванны за счет повышения эффективности подавления паразитных изгибных колебаний и улучшения развязки преобразователей, а также обеспечивает упрощение конструкции. 2 ил.

Установка для ультразвуковой очистки, содержащая технологическую ванну, ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний, причем плоскости излучателей преобразователей и демпфера соединены с плоскостью наружной поверхности дна ванны, отличающаяся тем, что демпфер паразитных изгибных колебаний выполнен в виде отдельных массивных стальных колец, концентрично охватывающих излучатели соответствующих преобразователей и расположенных на расстоянии от них, причем внутренняя поверхность кольца выполнена в форме шестерни с зубьями и пазами в виде равнобедренных трапеций, продолжения боковых сторон которых до центра кольца образуют равные телесные углы, а глубина пазов равна λ/4, где λ - длина изгибной волны в материале дна ванны, причем плоскости излучателей преобразователей и демпфера жестко соединены с плоскостью наружной поверхности дна ванны.