Акустический преобразователь Советский патент 1981 года по МПК B06B1/08 

(54) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

I

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а более конкретно к устройству акустических (ультразвуковых, звуковых) преобразователей, и может быть использовано преимущественно в машиностроительной промышленности при создании установок для очистки, пропитки и других видов жидкостной обработки ультразвуковых станков в радиоэлектронной и электротехнической промышленности, при создании ультразвуковых паяльников и ванн лужения, в медицинской технике при создании хирургических инструментов, а также в других отраслях, где используются акустические преобразователи.

Известен акустический преобразователь, содержаш,ий возбудитель, помеш,енный в герметичный корпус с теплоносителем. Для охлаждения возбудителя применяют теплоноситель, в качестве которого обычно используется вода. Теплоноситель нагнетают в корпус охлаждения с помош,ью насосов или подключая входной патрубок корпуса охлаждения непосредственно к водопроводной магистрали, а сливной - к системе канализации (1.

Недостатком данного преобразовател является низкий КПД вследствие потер акустической энергии, излучаемой возбуди телем внутрь корпуса охлаждения, так ка теплоноситель, заполняюш,ий объем кор

5 пуса охлаждения, является нагрузкой дл возбудителя. Кроме того, кавитация, раз вивающаяся в теплоносителе под воздейст вием акустических колебаний, разрушае материал возбудителя и его обмотку. Про точная вода, используемая в большинств

10 случаев в качестве теплоносителя, вызы вает коррозию возбудителя и корпуса ох лаждения. При большом содержании в вод солей жесткости и взвешенных частиц (на пример частиц глины в период весеннег разлива рек) соли и взвешенные частиць

5 осаждаются на охлаждаемой поверхност возбудителя и уменьшают ее теплоотдачу что вызывает повышенный расход воды может вызвать перегрев возбудителя и вы ход его из строя. Известный преобразовател

обладает еще и тем недостатком, что пр: уменьшении давления теплоносителя в на порной магистрали может произойти пе регрев возбудителя, что снижает эффектив ность его работы, а иногда приводит к ава

рии. Поэтому в системе охлаждения используется защитная аппаратура, отключающая преобразователь от генератора при снижении давления теплоносителя ниже заданной величины. При повышении давления теплоносителя возможна разгерметизация корпуса охлаждения и попадание теплоносителя в реакционную камеру, где используется преобразователь. Это может нарушить режим технологической обработки и вызвать аварию. Кроме Того, с повышением давления теплоносителя в корпусе охлаждения возрастает интенсивность кавитационного разрушения возбудителя. Особую сложность представляет подвод теплоносителя к корпусу охлаждения, если преобразователь должен перемещаться, в частности вращаться. Это значительно усложняет его конструкцию. При использовании погруженных (иммерсионных) преобразователей необходимо теплоизолировать корпус охлаждения от технологической жидкости, находящейся в ванне, так как происходит ее охлаждение и возрастают энергетические затраты. Теплоизоляция усложняет конструктивное вьшолнение преобразователя и, кроме того, полностью не устраняет охлаждение технологической жидкости.

Цель изобретения - повышение КПД преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном акустическом преобразователе, содержащем возбудитель, помещенный в герметический корпус с теплоносителем, на поверхность возбудителя и внутреннюю поверхность корпуса охлаждения нанесены капиллярные структуры, соединенные капиллярными перемычками и образующие с поверхностью возбудителя и корпуса тепловую . Капиллярную структуру на поверхностях возбудителя и корпуса охлаждения создают, например, путем скрайбирования их поверхностей, при котором на них возникают тонкие продольные прорези. Однако целесообразнее наносить на указанные поверхности покрытие из материала с пористокапиллярной структурой. В качестве такого материала могут быть использованы спеченная керамика, мелкоячеистая сетка, стекловолокно, фитильная ткань и т. п. Капиллярные перемычки изготавливаются также из этих материалов. Возбудитель преобразователя может быть изготовлен из, электрострикционного или магнитострикционного материалов. Пористо-капиллярная структура может наноситься, например, следующим образом. В случае изготовления возбудителя из магнитострикционного материала магнитопровод оборачивают хлопчатобумажным фитилем, при этом часть фитиля (петля) оставляется для перемычек, затем на него монтируют обмотку, вставленную в полый хлопчатобумажный фитиль; поверх обмотки может наноситься еще один слой фитиля. Таким образом, осуществляется связь между капиллярными структурами непосредственно на возбудителе. Связь же между капиллярными структурами возбудителя и корпуса охлаждения осуществляется капиллярными перемычками. Если материал с пористо-капиллярными структурами 5 не является жестким, то для фиксации капиллярных перемычек используют вкладыш, например, пространственную решетку. Перемычки фиксируются на внешней поверхности, вставленной в корпус пространственной решетки, к которой прижимается капил0 лярная структура корпуса охлаждения. Капиллярную систему пропитывают теплоносителем, например водой, углеводородами, фреонами, ацетоном и т. п. Для повышения эффективности охлаждения из корпуса охJ лаждения откачивают воздух. Количество отводимого тепла зависит от ваттной нагрузки и определяется расчетным или экспериментальным путем. Для повышения эффективности теплооотвода поверхности корпуса охлаждения развивают, например, присоединяя к ним ребра или выполняя их гофрированными. Такое выполнение обеспечивает больший теплосъем, повышает эффективность охлаждения возбудителя и снижает температуру наружной поверхности корпуса охлаждения. Для лучшего излучения тепла наружную поверхность корпуса окрашивают в черный цвет.

На фиг. 1 показан предлагаемый акустический преобразователь; на фиг. 2 - вкладыш (пространственная решетка). 0 Преобразователь состоит из возбудителя 1 с обмоткой (если двигатель выполнен из магнитострикционного материала) или с электродами (если он выполнен из пьезоэлектрического материала). Для удобства обмотка и электроды на фиг. не показаны. 5 Возбудитель помещен в герметичный корпус 2 охлаждения, который может быть выполнен гофрированным или снабжен ребрами для повышения теплосъема. Возбудитель присоединен к мембране 3 (или концентратору). Поверхность возбудителя 1 и внутренняя поверхность корпуса 2 охлаждения снабжены капиллярными структурами 4, причем обе поверхности связаны друг с другом капиллярными перемычками 5. Для фиксации нежестких капиллярных перемычек может быть использован вкладыш 6 (фиг. 2) например, пространственная решетка. Капиллярная система пропитана жидким теплоносителем. Воздух из корпуса охлаждения может быть откачан.

Преобразователь работает следующим ° образом.

После подачи питания на обмотку (или электроды) возбудителя преобразователь начинает преобразовывать электрические колебания в акустические, при этом часть энергии выделяется в виде тепла на возбудителе (электрические потери, потери на внутреннее трение и т. п.). Жидкий теплоноситель, которым пропитана капиллярная структура возбудителя 1, начинает испаряться и пар под действием возникающей разности давлений устремляется к внутренней поверхности корпуса 2 охлаждения и, конденсируясь на его капиллярной структуре 4, отдает свое тепло. Конденсат за счет капиллярного эффекта транспортируется по капиллярным перемычкам 5 назад к поверхности возбудителя 1 и цикл повторяет ся. Поскольку движение жидкости по капиллярам практически не зависит от положения преобразователя в пространстве, он может работать в любом положении. Выделивщееся на корпусе тепло отводится лучеиспусканием и конвекцией. Такое выполнение преобразователя обеспечивает положительный эффект, заключающийся в повышении его КПД, поскольку сопротивление нагрузки тонкого пористокапилЛярного слоя, пропитанного теплоносителем, значительно ниже, чем сопротивление нагрузки объема жидкости, находящейся в корпусе охлаждения известных преобразователей с погруженным в охлаждающую жидкость возбудителем. Поэтому отбора акустической энергии теплоносителем от преобразователя практически не будет. При этом устраняется и кавитация, поскольку для интенсивного захлопывания пузырьков массы присоединенной жидкости недостаточно и вследствие того, что пористо-капиллярная структура рассекает жидкость на микрообъемы, ограниченные стенками, капилляров и пор. Это снижает кавитационную эрозию возбудителя и обмотки. При использовании погружных (иммерсионных) преобразователей выделяющееся на корпусе тепло утилизируется и служит для подогрева .и поддержания температуры технологической жидкости. Кроме того, исключается отсое тепла от технологической жидкости теп лоносителем, охлаждающим известные пре образователи. Это позволяет повысить эко номичность акустических установок вслед ствие уменьщения энергетических затрат нг подогрев технологической жидкости. Дополнительные преимущества предлагаемого преобразователя по сравнению ( известными заключаются в улучшении ус ловий его эксплуатации (например при работе с ультразвуковым хирургическим инструментом, при работе с ультразвуковым вращающимся преооразователетл), снижении эксплуатационных расходов на теплоноситель, защитную аппаратуру, насосы для нагнетания теплоносителей за счет автономности системы его охлаждения, повышении его надежности и долговечности за счет исключения коррозии возбудителя и независимости от внешнего источника охлаждения. Формула изобретения Акустический преобразователь, содержащий возбудитель, помещенный в герметичный корпус с теплоносителем, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем уменьшения потерь акустической энергии в теплоносителе, на поверхность возбудителя и внутреннюю поверхность корпуса нанесены капиллярные структуры, соединенные капиллярными перемычками и образующие с поверхностью возбудителя и корпусом тепловую трубу. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 323242, кл. В 23 Р 1/00, 1970.

/1

Л

/

Л

л

л