УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано при конструировании ультразвуковых колебательных систем технологического назначения, позволяющих в несколько раз снизить энергетические затраты, повысить производительность процесса и увеличить объем или площадь обрабатываемого объекта.

Известно устройство, содержащее преобразователь, концентратор и волновод продольных колебаний, позволяющее получать ультразвуковые колебания большой интенсивности [Гершлаг Д. А., Фридман В.М. "Ультразвуковая технологическая аппаратура", "Энергия", Москва, 1976 г., с. 134-144]. Устройство широко используется в различных технологических процессах, но оно имеет и существенный недостаток, заключающийся в том, что излучающая поверхность волновода имеет ограниченные линейные размеры, поэтому объем или площадь обрабатываемого объекта также ограничены. Для того чтобы обрабатывать большие объемы или площади, требуется несколько таких систем, причем к каждой системе необходимо иметь отдельный ультразвуковой генератор и преобразователь, что значительно удорожает стоимость установки и требует значительных затрат в процессе эксплуатации.

Известно устройство, содержащее преобразователь с концентратором и изгибные волноводы, позволяющее получать достаточно равномерное ультразвуковое поле [Тризна Ю. П., Бертник Ю.Н., Ковальчук В.А., Волощук В.Д., Тесля В.Е. "Ультразвуковой излучатель", авт. св. СССР 281045 от 24.11.1970 г.]. Технологические возможности устройства ограничены, так как оно эффективно может работать только на газовую и жидкую среды с малым коэффициентом вязкости. Его также нельзя использовать для обработки твердых тел сложной формы.

Известно ультразвуковое устройство, включающее магнитострикционный преобразователь, концентратор, волновод изгибных колебаний, установленный перпендикулярно оси концентратора, и два волновода продольных колебаний, жестко закрепленных на концах изгибного волновода [И.И. Теумин "Ультразвуковые волноводы изгибных колебаний". Физика и техника мощного ультразвука. Источники мощного ультразвука. Под редакцией проф. Л.Д. Розенберга. Издательство "Наука", M.: 1967 г., с. 280, рис.15] - прототип первого варианта устройства.

В качестве прототипа второго изобретения выбрано ультразвуковое устройство, включающее преобразователь, концентратор, крестообразный волновод изгибных колебаний, установленный перпендикулярно продольной оси концентратора, и четыре волновода продольных колебаний, установленных на концах изгибного волновода перпендикулярно его продольным осям [И.И. Теумин "Ультразвуковые волноводы изгибных колебаний". Физика и техника мощного ультразвука. Источники мощного ультразвука. Под редакцией проф. Л.Д.Розенберга. Издательство "Наука", М.: 1967 г., с. 281, рис.16].

Отличительной особенностью данных устройств является то, что они могут работать на любой тип среды: твердую, жидкую, газовую.

Однако известные устройства не оказывают заметного влияния на производительность процесса и снижение энергетических затрат.

Задачи, на решение которых направлено изобретение, следующие:
1. Создание волноводоизлучающей системы, способной работать в различных технологических процессах, протекающих в газовых и жидких средах с высоким коэффициентом вязкости, например в расплавах металлов, при работе на твердую среду, например при очистке металла от окалины и нагара, при деформации металлов, размерной обработке и т.д.;
2. Снижение энергетических затрат более чем в 10 раз;
3. Повышение более чем в 10 раз производительности процесса и увеличение объема или площади обрабатываемого объекта.

Поставленные задачи решаются тем, что известные устройства, содержащие преобразователь, концентратор и волновод изгибных колебаний в соответствии с изобретением имеют волноводоизлучающую систему, состоящую из набора волноводов продольных колебаний, которые жестко закреплены в пучностях колебаний изгибных волноводов перпендикулярно их продолной оси.

Сущность изобретения заключается в том, что экспериментальным и расчетным путем подобраны волноводы изгибных и набор волноводов продольных колебаний.

В первом варианте ультразвуковое устройство, содержащее преобразователь, концентратор, волновод изгибных колебаний, в виде узкой пластины установленный перпендикулярно оси концентратора, и два волновода продольных колебаний, закрепленных на концах изгибного волновода, дополнительно снабжено волноводами продольных колебаний, один из которых установлен соосно концентратору, а остальные волноводы продольных колебаний установлены перпендикулярно плоскости изгибного волновода в пучности колебаний последнего.

Ультразвуковое устройство снабжено по крайней мере одним дополнительным волноводом изгибных колебаний, установленным параллельно основному волноводу, толщины основного и дополнительного волноводов не равны между собой, при этом на дополнительном волноводе изгибных колебаний в пучностях колебательных смещений установлены волноводы продольных колебаний (аналогично п. 1).

Между концентратором и волноводом изгибных колебаний установлен дополнительный концентратор или волновод продольных колебаний.

Волноводы продольных колебаний выполнены в виде стержней, концентраторов, стержней с насадкой-инструментом.

Во втором варианте изобретения ультразвуковое устройство, содержащее преобразователь, концентратор, крестообразный волновод изгибных колебаний, установленный перпендикулярно продольной оси концентратора, и четыре волновода продольных колебаний, установленных на концах изгибного волновода перпендикулярно его продольным осям, снабжено дополнительными волноводами продольных колебаний, один из которых установлен в центре крестообразного волновода изгибных колебаний соосно концентратору, а остальные волноводы продольных колебаний установлены перпендикулярно плоскости изгибного волновода в пучностях колебаний последнего.

Между концентратором и волноводом изгибных колебаний установлен дополнительный концентратор или волновод продольных колебаний.

Волноводы продольных колебаний выполнены в виде стержней, концентраторов, стержней с насадкой-инструментом.

На фиг. 1 представлен общий вид ультразвукового устройства; на фиг. 2 - то же, вид сверху (вариант 1); на фиг. 3 - ультразвуковое устройство с двумя параллельно расположенными волноводами изгибных колебаний; на фиг. 4 - то же, вид сверху (п.2 формулы изобретения); на фиг. 5 - ультразвуковое устройство, которое снабжено дополнительным волноводом продольных колебаний, установленным между концентратором и волноводом изгибных колебаний; на фиг. 6 - то же, вид сверху (п.1 и 4 формулы изобретения); на фиг. 7 - ультразвуковое устройство которое снабжено дополнительным концентратором, установленным между основным концентратором и волноводом изгибных колебаний; на фиг. 8 - то же, вид сверху (п.1 и 3 формулы изобретения); на фиг. 9 - ультразвуковое устройство с двумя параллельно расположенными волноводами изгибных колебаний, снабженное дополнительным волноводом продольных колебаний, расположенным между концентратором и волноводами изгибных колебаний; на фиг. 10 - то же, вид сверху (п.2 и п. 4 формулы изобретения); на фиг. 11 - ультразвуковое устройство с двумя параллельно расположенными волноводами изгибных колебаний, которое снабжено дополнительным концентратором продольных колебаний, расположенным между основным концентратором и волноводами изгибных колебаний; на фиг. 12 - то же, вид сверху (п.2 и п. 3 формулы изобретения); на фиг. 13 - форма волноводов продольных колебаний в виде стержней; на фиг. 14 - форма волноводов продольных колебаний в виде концентраторов; на фиг. 15 - форма волновода-инструмента в виде стержней и концентраторов с насадкой; на фиг. 16 - общий вид ультразвукового устройства с крестообразным волноводом изгибных колебаний; на фиг. 17 - то же, вид сверху (вариант 2); на фиг. 18 - ультразвуковое устройство с крестообразным волноводом изгибных колебаний, которое снабжено дополнительным волноводом продольных колебаний, установленным между концентратором и крестообразным волноводом изгибных колебаний; на фиг. 19 - то же, вид сверху (п.8 формулы изобретения); на фиг. 20 - ультразвуковое устройство с крестообразным волноводом изгибных колебаний, которое снабжено дополнительным концентратором, установленным между основным концентратором и крестообразным волноводом изгибных колебаний; на фиг. 21 - то же, вид сверху (п.7 формулы изобретения); на фиг. 22 - форма волноводов продольных колебаний в виде стержней; на фиг. 23 - форма волноводов продольных колебаний в виде концентраторов; на фиг. 24 - форма волновода-инструмента в виде стержней и концентраторов с насадкой.

Устройство (вариант 1, фиг. 1, 2) содержит преобразователь 1, концентратор 2, волновод 3 изгибных колебаний, два волновода 4 продольных колебаний, закрепленных на концах изгибного волновода 3, набор дополнительных волноводов 5 продольных колебаний, установленных перпендикулярно плоскости изгибного волновода 3 в пучностях колебаний последнего.

Устройство (по п. 2, фиг. 3, 4) содержит, кроме вышеперечисленных элементов, дополнительный волновод 6 изгибных колебаний, толщина которого не равна толщине основного волновода 3. На волноводе 6 изгибных колебаний в пучностях колебательных смещений установлены волноводы 7 продольных колебаний.

Устройства по п. 4 (фиг. 5, 6 и 9, 10) в сравнении с устройствами на фиг. 1 - 4 дополнительно содержат волновод 8 продольных колебаний.

Устройства по п. 3 (фиг. 7, 8 и 11, 12) в сравнении с устройствами на фиг. 1 - 4 дополнительно содержат концентратор 9 продольных колебаний.

Устройство (вариант 2, фиг. 16, 17) содержит преобразователь 10, концентратор 11, крестообразный волновод 12 изгибных колебаний, установленный перпендикулярно продольной оси концентратора 11, четыре волновода 13 продольных колебаний, установленных на концах изгибного волновода 12 перпендикулярно его продольной оси, дополнительный волновод 14 продольных колебаний, установленный в центре крестообразного волновода 12 соосно концентратору, и дополнительные волноводы 15 продольных колебаний, установленные перпендикулярно плоскости изгибного волновода 12 в пучностях колебаний последнего.

Устройство по п. 8 на фиг. 18, 19 содержит, кроме вышеперечисленных элементов, дополнительный волновод 16 продольных колебаний.

Устройство по п. 7 фиг. 20, 21 в сравнении с устройством на фиг. 16, 17 дополнительно содержит концентратор 17.

Устройства работают следующим образом: при подаче на обмотку возбуждения (условно не показана) преобразователя 1 (или 10) тока высокой частоты в нем возникают продольные упругие колебания, которые посредством концентратора 2 (или 11) усиливаются и передаются (непосредственно или через дополнительные волноводы 8, 16 и или концентраторы 9, 17) на волновод изгибных колебаний 3, 6 (или 12), в котором продольные колебания преобразуются в изгибные и трансформируются к волноводам 4, 5, 7 (или 13 - 15), где снова преобразуются в продольные колебания. Таким образом, получают систему с несколькими волноводами продольных колебаний, для которых не требуется отдельных источников возбуждения (ультразвуковые генераторы, преобразователи).

Описанная волноводоизлучающая система продольно- изгибно - продольных колебаний может быть установлена в ванне для очистки широких прокатных полос, листов и других изделий от окалины и нагара, для рафинирования металлического расплава в больших объемах, получения металлических порошков из расплава металла с производительностью десятки килограммов в минуту, обработки жидкостей в больших объемах и может использоваться для создания технологических и экологически чистых процессов и т.д.

При этом энергетические затраты снижаются в несколько раз, поскольку не требуется для каждого волновода продольных колебаний использовать отдельные источники возбуждения ультразвуковых колебаний (ультразвуковые генераторы и преобразователи).

Таким образом, новые отличительные от прототипа признаки обеспечивают решение поставленных задач, что дает основание считать, что заявляемое техническое решение соответствует критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

Использование: при конструировании ультразвуковых колебательных систем технологического назначения. Сущность: устройства содержат преобразователь, концентратор и волновод изгибных колебаний, а также имеют волноводоизлучающую систему, состоящую из набора волноводов продольных колебаний, которые жестко закреплены в пучностях колебаний изгибных волноводов перпендикулярно к их продольной оси. Экспериментальным и расчетным путем подобраны волноводы изгибных и набор волноводов продольных колебаний. Технический результат: снижение энергетических затрат, повышение производительности процесса и увеличение объема или площади обрабатываемого объекта. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 24 ил.

1. Ультразвуковое устройство, содержащее преобразователь, концентратор, волновод изгибных колебаний в виде узкой пластины, установленный перпендикулярно продольной оси концентратора, и два волновода продольных колебаний, закрепленных на концах изгибного волновода, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными волноводами продольных колебаний, один из которых установлен соосно с концентратором, а остальные волноводы продольных колебаний установлены перпендикулярно плоскости изгибного волновода в пучностях колебаний последнего. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено, по крайней мере, одним дополнительным волноводом изгибных колебаний, установленным параллельно основному волноводу, толщины основного и дополнительного волноводов не равны между собой, при этом на дополнительном волноводе изгибных колебаний в пучностях колебательных смещений установлены волноводы продольных колебаний. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что между концентратором и волноводом изгибных колебаний установлен дополнительный концентратор. 4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что между концентратором и волноводом изгибных колебаний установлен дополнительный волновод продольных колебаний. 5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что волноводы продольных колебаний выполнены в виде стержней, концентраторов, волноводов с насадкой-инструментом. 6. Ультразвуковое устройство, содержащее преобразователь, концентратор, крестообразный волновод изгибных колебаний, установленный перпендикулярно продольной оси концентратора и четыре волновода продольных колебаний, установленных на концах изгибного волновода перпендикулярно к его продольным осям, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными волноводами продольных колебаний, один из которых установлен в центре крестообразного волновода изгибных колебаний соосно с концентратором, а остальные волноводы продольных колебаний установлены перпендикулярно плоскости изгибного волновода в пучностях колебаний последнего. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что между концентратором и волноводом изгибных колебаний установлен дополнительный концентратор продольных колебаний. 8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что между концентратором и волноводом изгибных колебаний установлен дополнительный волновод продольных колебаний. 9. Устройство по любому из пп. 6-8, отличающееся тем, что волноводы продольных колебаний выполнены в виде стержней, концентраторов, волноводов с насадкой-инструментом.