Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь проходного типа

 

Изобретение относится к технике ультразвуковой обработки и может быть использовано в различных технологических устройствах для передачи акустической энергии в жидкие среды. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь проходного типа представляет собой металлический цилиндр, выполненный из акустически прозрачного материала, с расположенными на нем вибраторами. Цилиндр выполнен в виде толстостенной трубы из материала с низким акустическим сопротивлением, внутренняя поверхность которой цилиндрическая, а наружная поверхность выполнена в форме многогранника, стороны которого разделены продольными по граням и кольцевыми пазами на излучающие участки, образующие с закрепленными на них пьезоэлектрическими элементами и четвертьволновыми стальными накладками составные полуволновые вибраторы, причем глубина продольных и кольцевых пазов выполнена не менее половины толщины трубы, на внутренней стороне толстостенной трубы установлена тонкостенная гильза, выполненная из звукопрозрачного коррозионно-стойкого материала, длина которой превышает длину толстостенной трубы, при этом в длинных преобразователях толстостенная труба может быть составлена из отдельных кольцевых элементов, состоящих из одного и более рядов радиально расположенных вибраторов, установленных на одной гильзе, а количество вибраторов может быть меньше количества излучающих участков. Изобретение направлено на обеспечение повышения эффективности подобных преобразователей. 2 ил.

Изобретение относится к технике ультразвуковой обработки и может быть использовано в различных технологических устройствах для передачи акустической энергии в жидкие среды, например, в процессах эмульгирования, получения суспензий, гомогенизации, экстрагирования и др.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является мозаичный ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель проходного типа, описанный в АС СССР 209090, кл. 42s 1/06, МПК В 06 B 1/06.

Излучатель состоит из стального цилиндра, на наружной поверхности которого установлены пьезокерамические пластины и отражающие накладки с ребрами воздушного охлаждения, а в качестве вторых накладок служат стенки цилиндра.

Недостатком такого излучателя является то, что излучающие накладки выполнены из стали, имеющей высокое удельное акустическое сопротивление, снижающее излучающую акустическую энергию, кроме того, могут возникнуть паразитные продольные колебания в стенках цилиндра, резко снижающие полезную работу излучателя.

Задачей изобретения является совершенствование ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя проточного типа.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности преобразователя за счет сокращения времени обработки смесей и повышения тонкости дисперсии.

Указанный результат достигается тем, что в ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе проходного типа, представляющем собой металлический цилиндр, выполненный из акустически прозрачного материала с расположенными на нем в определенном порядке вибраторами, цилиндр выполнен в виде толстостенной трубы из материала с низким акустическим сопротивлением, внутренняя поверхность которой цилиндрическая, а наружная поверхность выполнена в форме многогранника, стороны которого разделены продольными по граням и кольцевыми пазами на излучающие участки, образующие с закрепленными на них пьезоэлектрическими элементами и четвертьволновыми накладками составные полуволновые вибраторы, на внутренней поверхности толстостенной трубы установлена тонкостенная гильза, длина которой превышает длину толстостенной трубы.

В преобразователе внутренний диаметр гильзы выбирают из условия d_г = nc/2f, где d_г - внутренний диаметр гильзы, м; n=1,3,5...... целое нечетное число полуволн; с - скорость звука в обрабатываемой среде, м/с; f - рабочая чистота, с^-1.

В преобразователе длина и ширина излучающих прямоугольных участков равна или меньше четверти длины волны продольных колебаний в материале толстостенной трубы на рабочей частоте.

В преобразователе цилиндр выполнен из алюминиевого сплава или титана.

Предлагаемое устройство обеспечивает эффективную работу преобразователя. Материал цилиндра имеет меньшее удельное акустическое сопротивление, чем стальная накладка, поэтому амплитуда колебаний на излучающей поверхности цилиндра будет больше, соответственно увеличивая воздействие акустической энергии на обрабатываемую среду. Продольные и кольцевые пазы, делящие наружную поверхность цилиндра на излучающие участки длиной и шириной, меньшей или равной четверти длины волны продольных колебаний, исключают образование продольных колебаний в материале толстостенной трубы на рабочей частоте, а также способствуют лучшему охлаждению преобразователя, так как увеличивают площадь охлаждения. Гильза из коррозионно-стойкого материала выполнена тонкостенной и не оказывает ослабляющего действия при прохождении колебательной энергии. Выступающие концы гильзы позволяют осуществить акустическую развязку преобразователя при стыковке его с сопрягаемыми элементами оборудования. Внутренний диаметр гильзы выбран из условия минимального сопротивления обрабатываемой среды на излучающую поверхность. Полуволновые вибраторы обеспечивают резонансную работу на заданной частоте и более высокий акустико-электрический коэффициент полезного действия за счет снижения потерь энергии.

Предлагаемый преобразователь изображен на чертежах: фиг.1 - вид с торцевой части, фиг.2 - общий вид преобразователя.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь проходного типа представляет собой металлический цилиндр 1, выполненный в виде толстостенной трубы, внутренняя поверхность которой цилиндрическая, а наружная поверхность имеет форму многогранника, разделенного продольными 2 по граням и кольцевыми 3 пазами на излучающие участки 4, которые образуют с закрепленными на них пьезоэлектрическими элементами 5 и четвертьволновыми накладками 6 составные полуволновые вибраторы. На внутренней поверхности толстостенной трубы установлена тонкостенная гильза 7, длина которой превышает длину толстостенной трубы.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь проходного типа работает следующим образом: обрабатываемая жидкая смесь поступает во внутреннюю полость гильзы 7 до полного заполнения. На пьезоэлектрические элементы 5 подают переменное электрическое поле от генератора (не показан) с рабочей частотой f. Под действием пьезоэлектрического эффекта в четвертьволновых накладках 6 и цилиндре 1 возбуждаются механические колебания, которые от толстостенной трубы через тонкостенную гильзу 7 передают акустическую энергию в обрабатываемую жидкую смесь, вызывая в ней кавитацию. Под действием кавитации происходит активное перемешивание жидкой смеси, диспергирование и эмульгирование. Поскольку материал толстостенной трубы имеет низкое акустическое сопротивление, а четвертьволновая накладка 6 является отражающей, преобразователь работает в режиме одностороннего излучения, увеличивая поток акустической энергии в обрабатываемую смесь.

Толстостенная труба является общей излучающей накладкой для всех вибраторов, поэтому преобразователь работает в режиме фокусирующего излучения, обеспечивая равномерное воздействие на смесь во всем рабочем объеме.

Глубину пазов целесообразно выполнять не менее половины толщины стенки трубы для избежания потерь акустической энергии. В качестве пьезоэлектрических элементов могут быть использованы пьезокерамические кольца из материала ЦТС-19, ЦТС-24 и т.д. Четвертьволновые накладки могут быть выполнены из стали. Наружная поверхность цилиндра в виде многогранника, например шестигранника, и пазы на ней могут быть выполнены механической обработкой. В длинных преобразователях толстостенная труба может быть составлена из отдельных кольцевых элементов, состоящих из одного и более рядов радиально расположенных вибраторов, установленных на одной гильзе. При обработке сред с низкой интенсивностью акустической энергии, например в докавитационном режиме, количество вибраторов может быть меньше количества излучающих участков.

Преобразователь позволит вести эффективную обработку как фармацевтической и пищевой продукции, так и агрессивных сред под давлением и в вакууме при температурах до 90 градусов по Цельсию, по замкнутому циклу и на проход.

Предложенное устройство реализовано в ультразвуковых реакторах для производства лекарственных средств для ветеринарии и медицины. В частности, на предприятии "Нитафарм" г. Саратов применение преобразователя в технологии производства мази "Мастисан" для лечения коров от мастита позволило сократить время обработки в 4-5 раз, при этом дисперсия биологически активных веществ составила 5-10 мкм. Такого качества в настоящее время на известном оборудовании в промышленных объемах достигнуть не представляется возможным.

Формула изобретения

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь проходного типа, представляющий собой металлический цилиндр, выполненный из акустически прозрачного материала, с расположенными на нем вибраторами, отличающийся тем, что цилиндр выполнен в виде толстостенной трубы из материала с низким акустическим сопротивлением, внутренняя поверхность которой цилиндрическая, а наружная поверхность выполнена в форме многогранника, стороны которого разделены продольными по граням и кольцевыми пазами на излучающие участки, образующие, с закрепленными на них пьезоэлектрическими элементами и четвертьволновыми стальными накладками, составные полуволновые вибраторы, причем глубина продольных и кольцевых пазов выполнена не менее половины толщины трубы, на внутренней стороне толстостенной трубы установлена тонкостенная гильза, выполненная из звукопрозрачного коррозионно-стойкого материала, длина которой превышает длину толстостенной трубы, при этом в длинных преобразователях толстостенная труба может быть составлена из отдельных кольцевых элементов, состоящих из одного и более рядов радиально расположенных вибраторов, установленных на одной гильзе, а количество вибраторов может быть меньше количества излучающих участков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2