Стойкий к коррозии ультразвуковой рупор

Изобретение относится к области обрабатывающего оборудования, используемого при обработке материалов в жидких средах с помощью ультразвука. Техническим результатом изобретения является снижение скорости коррозии и скорости потери энергетической эффективности ультразвукового рупора. Ультразвуковой рупор содержит полый корпус, соединенный со сплошным стержнем, при этом сплошной стержень имеет продольную ось и заканчивается концевой поверхностью, поперечной к указанной оси. Полый корпус и сплошной стержень имеют наружные поверхности из металла на основе титана, за исключением, по меньшей мере, центральной части указанной концевой поверхности, которая состоит из металла на основе серебра. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Данное изобретение относится к области обрабатывающего оборудования, используемого при обработке материалов в жидких средах с помощью ультразвука.

Уровень техники

Использование ультразвука для ускорения химических реакций хорошо известно. Примерами публикаций, в которых описано использование ультразвука в химии, являются статья К.С.Суслика в Science, том 247, страница 1439 (1990) и манускрипт Т.Дж.Мейсона «Практическая сонохимия, справочник пользователя для применений в химии и в химической технике», Ellis Norwood Publishers, West Sussex, England (1991). Из всех различных разработанных систем с использованием ультразвука, те системы, которые известны как системы зондового типа, включают ультразвуковой преобразователь, который генерирует ультразвуковую энергию и передает эту энергию в ультразвуковой рупор для усиления.

Во время использования ультразвуковые рупоры подвергаются износу и эрозии, в частности, когда их использование требует контакта с водной жидкой реакционной средой. После развития эрозии рупор проявляет тенденцию к потере своей эффективности, и эффективность усиления ультразвуковой энергии падает. Для минимизации этих потерь ультразвуковые рупоры обычно изготавливают из стали, титановых сплавов или алюминиевых сплавов. Однако каждый из этих материалов имеет свои пределы. Высокая плотность стали требует относительно высокую мощность для возбуждения рупора и тем самым мощный источник электропитания. Алюминий и алюминиевые сплавы имеют меньшую плотность, однако они являются более чувствительными к механическим разрушениям, вызванным ультразвуковыми вибрациями. Титановые сплавы являются предпочтительными конструкционными материалами, однако они все еще являются чувствительными к коррозии и потере эффективности.

Раскрытие изобретения

Было установлено, что скорость коррозии и скорость потери энергетической эффективности ультразвукового рупора из металла на основе титана при использовании в водных условиях значительно уменьшается за счет использования металла на основе серебра на открытом конце рупора.

Это можно осуществлять посредством осаждения металла на основе серебра на концевую поверхность, посредством закрепления наконечника из металла на основе серебра на конце или на концевой поверхности рупора или посредством выполнения стержневой части рупора с титановой оболочкой и сердечником из металла на основе серебра, при этом сердечник открыт на концевой поверхности. Металл на основе серебра занимает часть концевой поверхности, предпочтительно центральную часть, или же всю концевую поверхность. Рупор с металлом на основе серебра на своем открытом конце используется в течение длительного времени, по существу, без уменьшения его способности усиливать ультразвуковую энергию, создаваемую преобразователем.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображено:

фиг.1 - разрез первого примера выполнения ультразвукового рупора согласно данному изобретению;

фиг.2 - разрез второго примера выполнения ультразвукового рупора согласно данному изобретению.

Осуществление изобретения

Ультразвуковые рупоры, согласно данному изобретению, обычно включают полый основной корпус, заканчивающийся сплошным стержнем. Полый основной корпус выполнен из металла на основе титана, и, по меньшей мере, часть стержня также выполнена из металла на основе титана.

Металл на основе титана может быть чистым титаном или любым сплавом, в котором титан является основным компонентом. Металл на основе титана содержит, по меньшей мере, по существу 85 мас.% титана, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, по существу 99 мас.%. Когда используются сплавы, то элементы сплава в большинстве случаев могут включать один или более элементов из группы алюминий, олово и цирконий и, не обязательно, в меньших количествах кислород, азот и углерод.

Металл на основе серебра, используемый на открытом конце стержня или же в некоторых вариантах выполнения изобретения в качестве сердечника стержня, может быть чистым серебром или любым сплавом, в котором серебро является основным компонентом. Металл на основе серебра предпочтительно содержит, по меньшей мере, по существу 85 мас.%, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, по существу, 99 мас.% серебра. Когда используются сплавы, то элементы сплава включают в большинстве случаев медь, цинк или кадмий или два или более этих элементов в комбинации.

Стержень предпочтительно не имеет наружного покрытия, покрывающего оболочку или открытый конец сердечника, отличную от металлов на основе титана и на основе серебра.

Размеры компонентов рупора, т.е. полого основного корпуса и сердечника, не являются критическими, и их можно выбирать для обеспечения желаемой передачи ультразвуковой энергии и параметров, а также размещения в реакционном котле, в который направляется ультразвуковая энергия. В предпочтительных вариантах выполнения изобретения стержень является цилиндром с круговым поперечным сечением, и более предпочтительно как полый основной корпус, так и стержень являются цилиндрами с круговым поперечным сечением.

В некоторых вариантах выполнения данного изобретения стержень состоит из металла на основе серебра, а оболочка - из металла на основе титана. В этих вариантах выполнения толщина стенки оболочки предпочтительно составляет от, по существу, 0,5 см до, по существу, 1,0 см, при этом наружный диаметр составляет от, по существу, 1,5 см до, по существу, 2,5 см. Предпочтительный в настоящее время сердечник с этой конфигурацией имеет длину 2,25 дюйма (5,7 см), наружный диаметр 0,5 дюйма (1,3 см), с оболочкой, имеющей толщину стенки 0,0625 дюйма (0,16 см). Полый основной корпус в этом варианте выполнения имеет длину 3,0 дюйма (7,6 см), наружный диаметр 1,5 дюйма (3,8 см) и толщину стенки 0,5 дюйма (1,3 см). В качестве альтернативного решения, комбинация из основного корпуса имеет длину 8,0 дюймов (20,3 см) при наружном диаметре стержня 0,75 дюйма (1,9 см).

В других вариантах выполнения данного изобретения стержень состоит из сплошного металла на основе титана, в котором высверлено отверстие через открытый конец и снабжено резьбой, и в отверстие введен винт из металла на основе серебра с соответствующей резьбой, при этом головка винта имеет ширину, по существу равную ширине стержня, за счет чего она закрывает весь открытый конец. В этих вариантах выполнения диаметр головки винта имеет в целом тот же размер, что и диаметр стержня, который, как указывалось выше, предпочтительно составляет от, по существу, 1,5 см до, по существу, 2,5 см.

Другие варианты выполнения изобретения включают ультразвуковые рупоры, в которых металл на основе серебра занимает лишь концевую поверхность стержневой части. Металл на основе серебра в этих вариантах выполнения можно наносить с помощью любых обычных средств, таких как сварка, пайка или другое соединение диска или фольги из металла на основе серебра, и покрытия концевой поверхности металлом на основе серебра с помощью таких способов, как нанесение гальванического покрытия или химическое осаждение.

Хотя для изобретения возможны различные варианты выполнения и конфигурации, для лучшего понимания концепций изобретения и возможностей его применения ниже приводится подробное описание некоторых специальных вариантов выполнения. Эти варианты выполнения показаны на чертежах.

На фиг.1 показан разрез одного примера выполнения ультразвукового рупора, согласно данному изобретению. Рупор 11 имеет корпус вращения, и на чертеже изображен продольный разрез по оси рупора. Рупор состоит из полого основного корпуса 12, заканчивающегося стержнем 13, при этом стержень имеет меньший наружный диаметр, чем полый основной корпус. Основной корпус имеет стенку 14 из сплошного титана, окружающую полость 15, которая коаксиальна основному корпусу. Фланец 16, окружающий снаружи основной корпус, служит в качестве опоры для установки. Стержень 13 является титановой оболочкой 17, заполненной серебряным сердечником 18. Открытый конец 19 стержня открывает сердечник 18. Без серебряного сердечника 18 коррозия обычно происходит на конце стержня, и серебряный сердечник уменьшает эту коррозию.

Разрез второго примера выполнения показан на фиг.2. Этот рупор 21 является телом вращения, аналогично показанному на фиг.1 рупору, с теми же размерами. Стержень 22 в этом примере выполнения является сплошным титановым стержнем, в конце которого высверлено отверстие и выполнена резьба, и в резьбовое отверстие введен серебряный винт 23. Головка 24 винта покрывает весь конец стержня.

Ультразвуковые рупоры, согласно данному изобретению, можно использовать для создания акустических волн, частота которых находится выше диапазона слышимости нормального уха человека, т.е. свыше 20 кГц (20000 циклов в секунду). Была генерирована ультразвуковая энергия с частотами до 10 ГГц (10000000000 циклов в секунду), однако ультразвуковые рупоры, согласно данному изобретению, предпочтительно работают на частотах в диапазоне от, по существу, 20 кГц до, по существу, 200 кГц и предпочтительно в диапазоне от, по существу, 20 кГц до, по существу, 50 кГц. Ультразвуковые волны могут создаваться механическими, электрическими, электромагнитными или тепловыми источниками энергии. Интенсивность ультразвуковой энергии может также изменяться в широких пределах. Для целей данного изобретения наилучшие результаты обычно обеспечиваются при интенсивности в диапазоне от, по существу, 30 Вт/см² до, по существу, 300 Вт/см² или предпочтительно от, по существу, 50 Вт/см² до, по существу, 100 Вт/см². Типичным электромагнитным источником является магнитострикционный преобразователь, который преобразует магнитную энергию в ультразвуковую энергию посредством приложения сильного переменного магнитного поля к определенным металлам, сплавам и ферритам. Типичным электрическим источником является пьезоэлектрический преобразователь, в котором используются природные или синтетические одиночные кристаллы (такие как кварц) или керамики (такие как титанат бария или цирконат свинца), к которым прикладывается переменное электрическое напряжение на противоположных поверхностях кристалла или керамики с целью вызывания чередующегося расширения и сжатия кристалла или керамики с приложенной частотой.

Ультразвуковые рупоры, согласно данному изобретению, широко применяются в таких областях, как очистка в электронной, автомобильной, самолетной промышленности и при изготовлении точных инструментов, измерение потока в закрытых системах, таких как системы охлаждения на атомных электростанциях, или для измерения потока крови в сосудистой системе, испытание материалов, обработка, пайка и сварка, электроника, сельское хозяйство, океанография и получение изображений в медицине, а также химические реакции и химическая обработка, в частности в водной среде, и в особенности в водных жидких средах, включая водные растворы, эмульсии и суспензии. Различные способы создания и применения ультразвуковой энергии, а также коммерческие поставщики ультразвукового оборудования хорошо известны для специалистов в области ультразвуковой техники.

Описания водных реактивных сред, в которых можно эффективно применять ультразвуковые рупоры, согласно данному изобретению, приведены в патенте США №6402939, выданном 11 июня 2002 (Yen и др.), в международной заявке на патент WO 02/074884 А1, опубликованной согласно договору о патентной кооперации с датой международной публикации 26 сентября 2002, и в заявках на патент США №№09/812390, поданной 19 марта 2001 (Gunnerman), и 10/279218, поданной 23 октября 2002 (Gunnerman). Полное содержание каждого из этих документов включается в данное описание для всех законных целей.

Приведенное выше описание служит, первично, для иллюстрации. Другие вариации материалов, добавок, рабочих условий и оборудования, которые все еще находятся внутри объема изобретения, очевидны для специалистов в данной области техники.

1. Ультразвуковой рупор, содержащий полый корпус, соединенный со сплошным стержнем, при этом сплошной стержень имеет продольную ось и заканчивается концевой поверхностью, поперечной к указанной оси, полый корпус и сплошной стержень имеют наружные поверхности из металла на основе титана, за исключением, по меньшей мере, центральной части указанной концевой поверхности, которая состоит из металла на основе серебра.

2. Рупор по п.1, в котором сплошной стержень содержит оболочку из металла на основе титана и сердечник из металла на основе серебра.

3. Рупор по п.1, в котором концевая поверхность является круговой и содержит центральный диск из металла на основе серебра, окруженный кольцом из металла на основе титана, при этом центральный диск занимает, по меньшей мере, 60% концевой поверхности.

4. Рупор по п.1, в котором концевая поверхность является круговой и содержит центральный диск из металла на основе серебра, окруженный кольцом из металла на основе титана, при этом центральный диск занимает, по меньшей мере, 70% концевой поверхности.

5. Рупор по п.1, в котором концевая поверхность состоит полностью из металла на основе серебра.

6. Рупор по п.1, в котором сплошной стержень выполнен в виде цилиндра с круговым поперечным сечением.

7. Рупор по п.1, в котором полый корпус выполнен в виде первого цилиндра с круговым поперечным сечением, а сплошной стержень выполнен в виде второго цилиндра с круговым поперечным сечением.

8. Ультразвуковой рупор по п.7, в котором сплошной стержень содержит оболочку из металла на основе титана и сердечник из металла на основе серебра, при этом указанная оболочка имеет толщину стенки от, по существу, 0,5 см до, по существу, 1,0 см и наружный диаметр от, по существу, 1,5 см до, по существу, 2,5 см.

9. Ультразвуковой рупор по п.7, в котором концевая поверхность состоит полностью из металла на основе серебра, а сплошной стержень имеет диаметр от, по существу, 1,5 см до, по существу, 2,5 см.

10. Ультразвуковой рупор по п.1, в котором сплошной стержень не имеет наружного покрытия и состоит из металла на основе титана и металла на основе серебра.

11. Ультразвуковой рупор по п.1, в котором металл на основе титана содержит, по меньшей мере, 85 мас.% титана.

12. Ультразвуковой рупор по п.1, в котором металл на основе титана содержит, по меньшей мере, 85 мас.% титана, а металл на основе серебра содержит, по меньшей мере, 85 мас.% серебра.

13. Ультразвуковой рупор по п.1, в котором металл на основе титана содержит, по меньшей мере, 99 мас.% титана, а металл на основе серебра содержит, по меньшей мере, 99 мас.% серебра.