УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНЦЕНТРАТОР Российский патент 2005 года по МПК B06B3/00 

Область техники

Изобретение относится к ультразвуковой технологии и оборудованию и предназначено для ввода акустической мощности в жидкую среду. Предложение целесообразно использовать для интенсификации акустической кавитации в затрудненных условиях, например, при повышенном гидростатическом давлении и/или вязкости жидкости.

Уровень техники

Известны концентраторы ультразвуковой мощности [1; с.186, 4 абзац; с.187, 2 абзац], состоящие из синфазно колеблющихся ячеек-излучателей, расположенных на поверхности, обладающей фокусом, например, на стенке сферической полости. Помимо сложности такого устройства, его недостатком является перераспределение акустического давления при возникновении кавитационной области, в результате чего кавитационная область уходит из геометрического фокуса. Это препятствует повышению акустической мощности в кавитационной области.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является “Ультразвуковой концентратор” [2], выполненный в виде параболоида вращения, усеченного плоскостью, нормальной к оси, на расстоянии, превышающем половину параметра от его вершины. Заявленный технический эффект этого изобретения заключается в повышении интенсивности акустических колебаний в фокусе параболоида и сужении его диаграммы направленности.

Из формулы (и описания) этого изобретения видно, что геометрия и размеры параболоида, включая толщину стенок, никак не связаны с длиной волны в среде, передающей акустическую мощность. Отсюда следует, что использовано приближение геометрической оптики, исключающее учет интерференционных и дифракционных эффектов, обусловленных волновой природой ультразвука. Такое приближение для характеризуемого устройства справедливо, если в его фокусе не возникает излучатель ультразвука, некогерентный со входящим потоком излучения, например, кавитационная область. Это условие выполняется в случае газовой среды, а в случае жидкости - лишь в докавитационном состоянии. При возникновении же кавитационной области концентрация мощности в фокусе резко падает, а диаграмма направленности расширяется.

Можно заключить, что этот концентратор применяют либо на воздухе, либо в жидкости, но в этом случае лишь как приемник сигнала с большой чувствительностью и угловым разрешением, например, гидролокатор.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является интенсификация акустической кавитации в жидкости, преимущественно в условиях, затрудняющих кавитацию: при повышенных гидростатическом давлении и/или вязкости.

Технический результат заключается в снижении необходимой для этого электрической мощности и повышении общего коэффициента полезного действия.

Общим с указанным прототипом [2] существенным признаком изобретения служит наличие сосуда для размещаемой в нем среды, сужающегося в направлении распространения волн в этой среде.

В общем случае заявляемое изобретение отличается тем, что в качестве среды используют жидкость, поступающую в сосуд через канал из сообщающегося с ним технологического объема, при этом положение центра кавитационной области зависит от амплитуды колебаний поршневого согласующего устройства, обеспечивающего возбуждение акустической волны в сосуде с жидкостью.

На чертеже представлена схема ультразвукового концентратора с указанием текущего угла сужения α в текущей точке А. При этом t - касательная к контуру полости сосуда в точке А, а l - параллельная оси, проходящая через эту точку.

Осуществление изобретения

Ультразвуковой концентратор включает сосуд 1, заполненный жидкостью 2, поступающей в него из технологического объема 3 через канал 4. Сосуд 1 выполнен сужающимся в направлении распространения акустической волны в жидкости с текущим углом сужения α. В его широкой части введено поршневое согласующее устройство (в дальнейшем - поршень) 5 в виде рабочего торца ультразвукового излучателя.

При работе ультразвукового излучателя в жидкости возбуждается плоская продольная акустическая волна. Плотность переносимой ею акустической мощности возрастает по мере уменьшения поперечной площади сосуда. При достижении порогового значения плотности мощности для определенной жидкости в определенных условиях жидкость кавитирует; дальнейшее увеличение плотности мощности приводит к образованию кавитационной области.

Положение центра кавитационной области зависит от амплитуда колебаний поршня и, таким образом, является управляемым. В зависимости от решаемой задачи кавитационную область либо фиксируют в сосуде, либо выносят из сосуда в технологический объем. Некогерентное собственное акустическое излучение кавитационной области в данном устройстве не влияет на волновой поток, транспортируемый концентратором.

Указанный общий технический результат обусловлен тем, что практически вся акустическая мощность, подводимая поршнем к жидкости, поглощается в кавитационной области, вне зависимости от ее положения, то есть полезно используется.

Пример использования изобретения. Создано, испытано и сдано в эксплуатацию устройство для ультразвукового диспергирования медицинского препарата - эмульсии внутривенного питания. Препарат представляет высокодиспергированную эмульсию лецитина в подсолнечном масле.

Известно (см. Агранат Б.А., Дубровин М.Н., Хавский И.Н., Эскин Г.И. Основы физики и техники ультразвука. - М.: Высшая школа, 1987.-352 с., на с.313), что для этой цели используют промышленную установку УЗВД-6 (см. там же, на с.306) с ультразвуковой мощностью на выходе 4 кВт и мощностью питания ультразвукового генератора 20 кВт. Столь высокие параметры обусловлены необходимостью возбуждения кавитации в затрудненных условиях: повышенного гидростатического давления (около 1 МПа) и большой вязкости жидкости.

В устройстве с использованием изобретения за счет большой интенсивности кавитации устранена необходимость повышенного гидростатического давления и увеличена производительность (со 100 до 250 л/мин) с одновременным снижением требуемой ультразвуковой мощности в 20 раз (с 4000 до 200 Вт). Эффект обусловлен достижением высокой концентрации ультразвуковой мощности непосредственно в обрабатываемой эмульсии и осуществлением протока этой эмульсии через кавитационную область при ее подаче в область поршня. Выбором соответствующей величины амплитуды колебаний поршня центр кавитационной области фиксируют в области выхода сосуда концентратора, поэтому устройство не содержит технологического объема в виде ванны. Пройдя сверху, от области поршня, вниз, к выходу сосуда, через расположенную здесь кавитационную область, диспергированная эмульсия непосредственно заливается в фасовочную емкость.

Устройство характеризуется параметрами: частота 22 кГц, диаметр поршня 25 мм, амплитуда колебаний поршня 10 мкм. При длине концентратора 100 мм он является полутораволновым акустическим резонатором и при диаметре выходного отверстия 3 мм обладает коэффициентом усиления около 70. Выходной наконечник концентратора выполнен из кавитационно стойкого metglas 2605 (аморфный Fe₈₀B₂₀).

Отсутствие повышенного акустического давления в данном технологическом процессе, при необходимости, может быть компенсировано увеличением вязкости жидкости (ее основа - подсолнечное масло) путем охлаждения. Степень концентрации ультразвуковой мощности, достигаемой при использовании изобретения, позволяет преодолеть порог кавитации при высоких величинах вязкости.

Источники информации

1. Ультразвуковая технология. Под ред. Аграната Б.А. М.: Металлургия, 1974, 504 с.

2. Флора В.Ф., Кортнев А.В. SU 301185, 29.07.1971.

Использование: для интенсификации акустической кавитации преимущественно в затрудненных условиях, например, при повышенном гидростатическом давлении и/или вязкости жидкости. Сущность: концентратор выполнен в виде сосуда для размещаемой в нем среды, сужающегося в направлении распространения акустической волны в этой среде. В качестве среды используют жидкость, поступающую в сосуд через канал из сообщающегося с ним технологического объема. Положение кавитационной области зависит от амплитуды колебаний поршневого согласующего устройства, обеспечивающего возбуждение акустической волны в сосуде с жидкостью, и, таким образом, является управляемым. Технический результат состоит в снижении необходимой электрической мощности, затрачиваемой на процесс интенсификации кавитации, и повышении общего для устройства коэффициента полезного действия. 1 ил.

Ультразвуковой концентратор, содержащий сосуд для размещаемой в нем среды, сужающийся в направлении распространения акустической волны в среде, отличающийся тем, что в качестве среды используют жидкость, поступающую в сосуд через канал из сообщающегося с ним технологического объема, при этом положение центра кавитационной области зависит от амплитуды колебаний поршневого согласующего устройства, обеспечивающего возбуждение акустической волны в сосуде с жидкостью.