Способ распыления жидкости и устройство для его осуществления
Изобретение относится к распылению жидкостей с применением ультразвуковых колебаний и может быть применено в различных областях машиностроения, в топочных устройствах, для распыления жидкотемпературных и криогенных жидкостей, расплавов легкоплавких металлов, а также в медицинской технике для получения аэрозолей. В способе распыления жидкости путем введения ультразвуковых колебаний в слой жидкости возбуждают в колебательной системе преобразователя-концентратора ультразвуковые колебания высшей моды. Затем резонансно преобразуют их в нейтральной части концентратора в двухсторонние продольные колебания. Потом вводят распыляемую жидкость на один или два рабочих торца концентратора. Устройство для осуществления способа включает кольцевой пьезоэлектрический преобразователь и концентратор. Преобразователь представляет собой кольцевой пьезоэлектрический элемент. Концентратор включает двухступенчатую цилиндрическую секцию и расположенную внутри нее двухступенчатую коническую секцию. В цилиндрической секции внутренняя ступень имеет большую толщину, чем внешняя. В конической секции конические ступени образуют углубление. По оси концентратора выполнено отверстие, соединенное радиальным отверстием с трубкой, подводящей жидкость. Внешняя цилиндрическая поверхность концентратора жестко соединена с внутренней цилиндрической поверхностью пьезолектрического элемента. Способ и устройство позволяют получить мелкодисперсный аэрозоль и могут быть использованы в различных областях машиностроения и в медицинской технике. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к распылению жидкостей с применением ультразвуковых колебаний и может быть применено в различных областях машиностроения, в топочных устройствах, для распыления низкотемпературных и криогенных жидкостей, расплавов легкоплавких металлов, а также в медицинской технике для получения аэрозолей.
Известен способ распыления жидкости в фонтане путем введения высокочастотных ультразвуковых колебаний из глубины жидкости на ее поверхность, при этом на поверхности жидкости образуется фонтан, в верхней части которого происходит образование тумана и крупных брызг (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. - М.: «Советская Энциклопедия», 1979, стр.297-298).
Недостатком этого способа является низкий коэффициент полезного действия, что связано с кавитационными потерями в толще жидкости, с вовлечением жидкости в циркуляционные течения и ее подъем в фонтане и с затратами энергии на образование крупных капель, которые необходимо сепарировать.
Наиболее близким аналогом является способ распыления жидкости путем введения ультразвуковых колебаний в слой жидкости. Толщина этого слоя остается постоянной: с одной стороны он ограничен жесткой поверхностью, параллельной поверхности распыления, и жидкость удерживается на ней капиллярными силами. Ультразвуковые колебания вводят перпендикулярно поверхности жидкости нормальными колебаниями жесткой поверхности при помощи пьезоэлектрического стержневого ультразвукового преобразователя (В.Н.Хмелев, А.В.Шалунов, Е.С.Смердина. «Ультразвуковое распыление в технологии химико-механического полирования полупроводниковых пластин». International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2006: Workshops Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2006 (русский вариант) http://www.u-sonic.ru/downloads/edm06/cmp_rus.pdf)
Недостатком известного способа является сравнительно крупнодисперсный аэрозоль, связанный с принципиальной возможностью использования только низкочастотного ультразвука. Дело в том, что средний размер капель аэрозоля обратно пропорционален f2/3, где f - частота ультразвуковых колебаний. Поэтому для получения капель с диаметром менее 10 мкм нужны рабочие частоты не менее 300 кГц. О неудачных попытках создания устройства для этих частот и о необходимости их создания прямо написано в книге Harvey L. Berger. Ultrasonic Liquid Atomization, Theory and Application. Partridge Hill Publishers. Hyde Park. NY. 1998. Увеличение частоты выше 100 кГц оказывается реально невозможным из-за перегрева и разрушения преобразователей.
Заявляемые в качестве изобретения способ распыления жидкости и устройство для его осуществления позволяют получить мелкодисперсный аэрозоль без потери надежности и производительности распыления путем существенного повышения рабочей частоты.
Указанный технический эффект достигается тем, что в способе распыления жидкости путем введения ультразвуковых колебаний в слой жидкости распыление осуществляют путем возбуждения в колебательной системе преобразователя-концентратора осесимметричных ультразвуковых радиальных колебаний высшей моды, резонансного преобразования их в центральной секции концентратора в двухсторонние продольные колебания и введения распыляемой жидкости на один или два рабочих торца концентратора.
В устройстве для осуществления предлагаемого способа, включающем пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь и концентратор, преобразователь представляет собой кольцевой пьезоэлектрический элемент, концентратор включает двухступенчатую цилиндрическую секцию и расположенную внутри нее двухступенчатую коническую секцию, в цилиндрической секции внутренняя ступень имеет большую толщину, чем внешняя, в конической секции конические ступени образуют углубление, по оси концентратора выполнено отверстие, соединенное радиальным отверстием с трубкой, подводящей жидкость, внешняя цилиндрическая поверхность концентратора жестко соединена с внутренней цилиндрической поверхностью пьезоэлектрического элемента.
Создание нового способа распыления жидкости стало возможным благодаря возбуждению осесимметричных ультразвуковых колебаний на одной из высших радиальных мод концентратора существенно большим пьезоэлементом, чем это обычно возможно при непосредственном возбуждении пьезоэлементом продольных резонансных колебаний, когда диаметр пьезоэлемента должен быть меньше в несколько раз, чем его высота. Верхняя рабочая частота в предлагаемом способе может быть поднята почти на порядок.
Высокая надежность системы распыления обеспечивается простотой новой конструкции устройства для осуществления способа, совмещающего функции ультразвукового преобразователя и концентратора и имеющего минимальное число деталей: пьезоэлемент, титановый концентратор и подводящую жидкость трубку. Высокая производительность способа достигается как малыми потерями колебательной системы, так и возможностью двухстороннего распыления аэрозоля.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом. На чертеже изображен общий вид устройства для распыления жидкости, преобразующего вторую моду радиальных колебаний в полуволновую продольную моду в центральной части. Электромеханическим преобразователем устройства является кольцеобразный пьезокерамический элемент 1 с электродами 2 на торцевых поверхностях. Внутренний диаметр электрода 2 больше, чем диаметр отверстия в пьезоэлементе 1, для предотвращения электрического контакта с концентратором 3. Концентратор 3 выполнен в виде одной детали из металла с высокой добротностью, например из титана. Внешняя цилиндрическая поверхность концентратора 3 жестко соединена склейкой с внутренней цилиндрической поверхностью пьезоэлектрического элемента 1. Концентратор 3 включает цилиндрическую секцию, состоящую из ступеней 4 и 5, и коническую секцию из ступеней 6 и 7, разделенных закруглением 8. По оси концентратора 3 выполнено отверстие 9, соединенное радиальным отверстием 10 с подводящей трубкой 11, вклеенной в концентратор 3 и выполняющей также несущую функцию. Жидкость распыляется с рабочих торцов 12 и 13. Электроды 2 пьезоэлемента 1 электрически соединены с источником электрических колебаний 14. Герметизация электродов 2 выполнена водостойким покрытием, например лаком.
Высота наружной ступени 4 концентратора 3 равна высоте h пьезоэлемента 1. Высота внутренней цилиндрической ступени 5 равна (1,5÷2,5)h. Наружная коническая ступень 6 выполнена с углом 40°÷60°. Внутренняя коническая ступень 7, представляющая двухсторонний продольный концентратор с высотой (2,5÷3,5)h, выполнена с углом 0÷20°.
Способ распыления жидкости осуществляется следующим образом. От источника 14 подают электрические колебания рабочей частоты на электроды 2 пьезоэлемента 1. В пьезоэлементе 1 и цилиндрической секции концентратора 3 возбуждается стоячая радиальная волна второй осесимметричной моды. В конической секции концентратора 3 волна из-за уменьшения сечения значительно усиливается и возбуждает в центральной части резонансные полуволновые продольные колебания большой амплитуды. Поступающая по трубке 11 жидкость покрывает рабочие торцы 12, 13 концентратора 3 и распыляется. При необходимости одностороннего распыления отверстие 9 выполняют несквозным.
Проведено экспериментальное распыление воды данным способом. Для реализации способа изготовлен осесимметричный распылитель на частоту 360 кГц с наружным диаметром пьезоэлемента 24 мм, высотой 3,2 мм, включающий продольно колеблющуюся коническую ступень высотой 9,4 мм. При потреблении 3 Вт мощности производительность мелкодисперсного распыления устойчивого аэрозоля составила 5 мл/мин, что существенно лучше, чем при использовании других известных способов распыления.
Предлагаемые в качестве изобретения способ распыления жидкости и устройство для его осуществления благодаря существенному повышению рабочей частоты предоставляют уникальные возможности, не реализуемые в других способах распыления, для получения капель аэрозоля диаметром в единицы микрометра. Эти возможности будут эффективно использованы, например, в медицинской технике.
1. Способ распыления жидкости путем введения ультразвуковых колебаний в слой жидкости, отличающийся тем, что возбуждают в колебательной системе преобразователя-концентратора ультразвуковые радиальные колебания высшей моды, резонансно преобразуют их в центральной части концентратора в двухсторонние продольные колебания и вводят распыляемую жидкость на один или два рабочих торца концентратора.
2. Устройство для осуществления способа распыления жидкости по п.1, включающее пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь и концентратор, отличающееся тем, что преобразователь представляет собой кольцевой пьезоэлектрический элемент, концентратор включает двухступенчатую цилиндрическую секцию и расположенную внутри нее двухступенчатую коническую секцию, в цилиндрической секции внутренняя ступень имеет большую толщину, чем внешняя, в конической секции конические ступени образуют углубление, по оси концентратора выполнено отверстие, соединенное радиальным отверстием с трубкой, подводящей жидкость, внешняя цилиндрическая поверхность концентратора жестко соединена с внутренней цилиндрической поверхностью пьезоэлектрического элемента.
