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 ультразвуковые преобразователи закреплены фактически на наружной поверхности дна ванны, то вдоль дна ванны распространяются паразитные изгибные колебания, что обусловливает паразитное взаимодействие между собой ультразвуковых преобразователей. Это 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 изгибной волны, возникающей в дне технологической ванны. 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. 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 размещения преобразователей на наружной поверхности дна ванны от частоты преобразования. 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 развязки ультразвуковых преобразователей и 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 развязки ультразвуковых преобразователей и 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 плоскости излучателей преобразователей и демпфера жестко соединены с плоскостью наружной поверхности дна ванны. Кроме того, кольца, концентрично охватывающие излучатели соответствующих преобразователей, расположены от них на расстоянии, кратном nλ/4, где λ - длина изгибной волны в материале дна ванны, n = 1, 3, 5,...

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 (М.А. Сапожников "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 (М. А. Сапожников "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 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 (Н.М. Советов "Техника свервысоких 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 излучатели соответствующих преобразователей и расположены от них на расстоянии, кратном nλ/4, где λ - длина изгибной волны в материале дна ванны, n = 1, 3, 5,..., обеспечивается возможность достижения максимального коэффициента отражения, так как в этом случае значение фазового угла отражения будет кратно 90^o.

Задав для простоты ϕ=90^o, получаем
X/Z = (-2|Г|)/(1+|Г|²).
При этом, в идеале изгибная волна отражается от неоднородности в противофазе. В результате сложения отраженной и падающей волн энергия изгибных волн внутри кольца заметно гасится, что также препятствует их прохождению за пределы кольца и повышает эффективность развязки преобразователей.

Таким образом, изгибная волна отражается от внутренних стенок кольца. При этом, эффективность отражения определяется коэффициентом отражения. Поскольку стенки кольца обладают шероховатостью, то при отражении образуются рассеянные волны. Взаимодействие отраженных волн между собой, а также с падающими волнами приводит к их частичному гашению, что также снижает силу воздействия изгибных волн и препятствует их дальнейшему распространению за пределы кольца.

Кроме того, происходит частичное поглощение изгибных волн материалом кольца за счет его шероховатости (М.А. Сапожников "Электроакустика", 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, концентрично 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, 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 обеспечивается также и благодаря тому, что 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 развязки ультразвуковых преобразователей и 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, установленные 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, кратном nλ/4, где λ - длина изгибной волны в материале дна ванны, n=1, 3, 5,... Плоскости излучателей 6 преобразователей 2 и колец 5 демпфера 3 жестко соединены с плоскостью наружной поверхности дна 4 ванны 1. Ванна 1 заполнена очищающей средой 7 (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 (Н. М. Советов "Техника свервысоких 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.

Задав для простоты ϕ=90^o, получаем
X/Z = (-2|Г|)/(1+|Г|²).
Поскольку реактивные сопротивления неоднородности - массивного стального кольца 5 и материала дна ванны - 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 4 ванны 1, ограниченную кольцом 5, можно вычислить массу кольца 5, что и определит его толщину и высоту.

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

Установка ультразвуковой очистки работает следующим образом. В очищающую среду 7 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 7. 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 демпфер 3 паразитных изгибных колебаний также жестко соединен с плоскостью наружной поверхности дна 4 ванны 1 и выполнен в виде массивных стальных колец 5, паразитные изгибные волны, формируемые в результате работы преобразователей 2, встречая на пути распространения неоднородность, частично отражаются от нее, а частично проходят за ее пределы, но уже заметно ослабленные. Распространяясь далее, они встречают на своем пути неоднородность в виде демпфирующего кольца 5 соседнего преобразователя 2 и еще более ослабляются. В результате снижается взаимное влияние преобразователей 2 друг на друга, что улучшает общую картину распределения акустического поля внутри технологической ванны 1. Под воздействием акустического поля в очищающей среде 7, 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 чистке с использованием ультразвуковых колебаний и может быть использовано в различных отраслях промышленности для очистки загрязненных поверхностей. 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 отдельных массивных стальных колец, концентрично охватывающих излучатели соответствующих преобразователей и расположенных от них на расстоянии, кратном nλ/4, где λ - длина изгибной волны в материале дна ванны, n = 1, 3, 5, ... Установка является простой и обеспечивает улучшение равномерности распределения акустического поля внутри ванны за счет повышения эффективности развязки ультразвуковых преобразователей. 2 ил.

Установка ультразвуковой очистки, содержащая технологическую ванну, ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний, установленные на наружной поверхности дна ванны, причем плоскости излучателей преобразователей и демпфера жестко 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 от них на расстоянии, кратном nλ/4, где λ - длина изгибной волны в материале дна ванны, n = 1, 3, 5, ...