Ультразвуковой распылитель

Полезная модель относится к области ультразвуковой техники, а именно к устройствам для мелкодисперсного распыления жидкостей, и может быть использована в наноиндустрии, химико-фармацевтической и медицинской промышленностях.
Свойство ультразвуковых колебаний высокой интенсивности распылять жидкости в газовой среде широко используется для построения ультразвуковых распылителей, применяемых в таких технологических процессах, как: нанесение фоторезистов при производстве модулей памяти, микросхем и процессоров, химико-механическое полирование полупроводниковых пластин-заготовок для производства полупроводниковых компонентов в микроэлектронной промышленности, нанесение полирующих жидкостей и покрытий в оптико-электронном приборостроении, нанесение покрытий на сердечные клапаны и стенты коронарных сосудов в медицинской промышленности, нанесение дезинфицирующих покрытий при производстве медицинской техники и имплантов, получение наночастиц и нанесение нанопокрытий в производстве функциональных наноматериалов, нанесении тонких слоев лекарственных веществ (микродоз) или защитных слоев на грануляты, спансулы, таблетируемый материал, при получении монодисперсных гранул, для создания лечебных аэрозолей [Хмелев В.Н. Шалунов А.В., Шалунова А.В. Ультразвуковое распыление жидкостей. Барнаул, АлтГТУ, 2010. - 272 с.] и т.п.
При ультразвуковом методе распыления жидкость переходит в аэрозольное состояние за счет увеличения поверхностной энергии пленки жидкости, которое достигается путем наложения на нее механических колебаний высокой интенсивности ультразвуковой частоты. Механизм ультразвукового распыления жидкостей заключается в воздействии механическими колебаниями ультразвуковой частоты на пленку жидкости, при этом распыление осуществляется за счет отрыва капелек жидкости с гребней, образующихся стоячих капиллярных волн.
Известен ультразвуковой распылитель [Патент США №4659014; Патент РФ 2481160], содержащий пьезоэлектрический преобразователь, концентратор, заканчивающийся инструментом с конусной распылительной поверхностью, в котором выполнены каналы, соединенные с осевым каналом для подачи распыляемой жидкости.
Достоинством устройства является создание ультразвуковых распылителей с большой поверхностью распыления.
Недостатком устройства является повышенные затраты энергии на распыление, ввиду отсутствия фокусировки ультразвуковых колебаний в материале звукопровода.
Известен ультразвуковой распылитель для атомной спектроскопии [Заявка Великобритании N 2132114 В05В 17/06, 1984]. Распылитель состоит из подающей трубки, в которую вставлена пробка с капилляром. Ультразвуковой преобразователь в виде сфокусированной чаши, прикрепленной к пробке, размещен так, что устье капилляра лежит в акустическом фокусе. Трубка для подачи газа установлена по касательной к трубке, чтобы создать вихрь и переместить аэрозоль к выходу из трубки. Избыток жидкости отводится по трубке, которая соединена с перистальтическим насосом.
Известны ультразвуковые распылители, обеспечивающие формирование аэрозоля за счет фокусирования ультразвуковых колебаний на поверхности распыляемой жидкости формировании фонтана, в котором происходит кавитационное распыление жидкости [Патент РФ 2039576; Патент РФ 20700621; А.С. СССР 1448452]. Устройство ультразвукового распылителя состоит из электрического генератора ультразвуковых колебаний, питающего фокусирующий излучатель на основе пьезокерамики, резервуар для распыляемой жидкости, камеру образования аэрозоля, отражатель крупных капель и полый дефлекторный кожух для формирования аэрозольного облака (струи) определенной направленности.
Известен ультразвуковой распылитель [А.С. СССР 1623663], содержащий высокочастотный генератор, фокусирующий ультразвуковой излучатель, распылительную камеру, кювету с жидким веществом, отражатель крупных частиц.
Генератор создает колебания высокой частоты, которые преобразуются фокусирующим излучателем в ультразвуковые колебания. Ультразвук фокусируется в фокальной области, где происходит распыление жидких веществ, находящихся в кювете. Мелкий аэрозоль собирается в распылительной камере, а крупные частицы отражаются отражателем и стекают обратно в кювету.
Недостатками известных устройств являются большие габариты фокусирующих преобразователей и низкая интенсивность акустического излучения в области фокусировки, обусловленная большими размерами области фокусировки.
В качестве прототипа выбрано устройство ультразвукового распылителя-ингалятора «ИНАЛ» [Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности / В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 203 с., с. 163-171], содержащее источник питания, высокочастотный генератор, камеру с контактной жидкостью, распылительную камеру, резервуар для распыляемой жидкости, пьезоэлектрический элемент с ультразвуковой линзой, находящийся в контактной камере, резервуар для распыляемой жидкости соединен капилляром через отверстие в пьезоэлементе и ультразвуковой линзе с распылительной камерой, распылительная камера, имеет капиллярное отверстие для выведения образованного аэрозоля.
Для получения сфокусированного ультразвукового поля используется пьезоэлектрический элемент в форме диска, соединенный с алюминиевой вогнутой линзой. Применение линзы обеспечивает не только фокусировку ультразвуковых колебаний, но и защиту серебряных электродов пьезоэлемента от воздействий используемых лекарственных препаратов. Ультразвуковые колебания, проходя через фокусирующую линзу, контактную жидкость и дно распылительной камеры, фокусируются на распылительной поверхности распыляемой жидкости, обеспечивая его распыление.
Недостатками известных ультразвуковых распылителей с акустическими фокусирующими устройствами являются большие габариты, обусловленные тем, что для фокусировки акустического излучения относительный диаметр линзы либо зеркала, либо фокусирующего преобразователя должен быть не менее D/λ~10-15 и значительный размер области фокусировки, не менее дифракционного предела, что снижает максимальную величину давления на распылительной поверхности.
Известны различные акустические линзы для фокусировки упругих волн, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества, при этом линзы могут иметь плоско-выпуклую, плоско-вогнутую, двояковыпуклую, двояковогнутую и выпукло-вогнутую поверхности [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М: Наука, 1977, с. 3-36].
Известны акустические линзы, выполненные из искусственных материалов (акустических метаматериалов) [Zhang, S., Yin, L. & Fang, N. Focusing ultrasound with an acoustic metamaterial network. Phys. Rev. Lett. 102, 194301 (2009); Zhu, J. et al. A holey-structured metamaterial for acoustic deep-subwavelength imaging. Nat. Phys. 7, 52-55 (2010); Li, J., Fok, L., Yin, X., Bartal, G. & Zhang, X. Experimental demonstration of an acoustic magnifying hyperlens. Nat. Mater. 8, 931-934 (2009); Martin, T.P. et al. Sonic gradient index lens for aqueous applications. Appl. Phys. Lett. 97, 113503 (2010)].
Ни в одной из упомянутых конструкций не решается проблема повышения уровня давления на распылительной поверхности в устройстве ультразвукового распыления за счет сверхфокусировки излучения.
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М: Наука, 1970]
h=1,22λF/D,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства. При этом снижается величина интенсивности ультразукового поля в области фокуса.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости, определяет поперечные размеры области фокусировки и область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Минимальный поперечный размер области фокусировки для идеальной фокусирующей системы не может быть менее длины волны используемого излучения.
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.
Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].
Позднее возможность получения фотонных наноструй была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014)], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления, а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016)], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.eom/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu.E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910(2015); Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, с. 4-10].
Из технической литературы известно, что методы субволновой фокусировки на основе эффекта фотонной струи могут быть успешно применены в акустическом диапазоне. Формально, это можно утверждать на основе аналогии между уравнениями, описывающими акустические и электромагнитные волновые процессы [Т. Miyashita and С. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Минин И.В., Минин O.B. Квазиоптика: современные теденции развития. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.]. Понятие акустоструи (acoustojets) как аналога фотонной струи в оптике был впервые введено в работах [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].
Акустоструя это область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением, возникающая непосредственно на теневой стороне мезоразмерной звукопроводящей частицы.
Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы и окружающей среды [J.Н. Lopes, М.А. В. Andrade, J.P. Leao-Neto, J.С. Adamowski, I.V. Minin, and G.T. Silva. Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Applied 8, 024013 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevApplied 8.024013; Минин И.В., Минин O.B. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГИТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244]. Причем с увеличением этого параметра возрастает максимальное значение давления в акустической струе и увеличивается пространственное разрешение такой мезоразмерной линзы, т.е. уменьшается поперечный размер области фокусировки.
Первое упоминание фокусирующих акустических устройств, формирующих акустострую, как аналога фотонной струи в оптике, было в патенте РФ 167049, акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Акустическая линза выполнена с возможностью формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Линза выполнена в виде трехмерной частицы, например, в виде сферы, цилиндра, кубоида, пирамиды с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы не менее 1,1 и относительным волновым сопротивлением не более 25. Акустическая линза формирует область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения и повышенная плотность интенсивности акустического излучения в области фокусировки.
В патенте РФ 170911 предложена газонаполненная акустическая линза в форме кубоида или сферы. При этом оболочка выполняется в форме кубика с размером ребра не менее λ/2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83. При таких параметрах акустическая линза формирует на своей теневой стороне акустострую и может работать в звуковом диапазоне длин волн.
Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно расширение арсенала технических средств, используемых в конструкции ультразвуковых распылителей с одновременным уменьшением габаритов устройства и повышением интенсивности акустического излучения в области фокуса фокусирующего устройства.
Указанная задача решена благодаря тому, что в ультразвуковом распылителе, содержащем источник питания, высокочастотный генератор, камеру с контактной жидкостью, распылительную камеру, резервуар для распыляемой жидкости, пьезоэлектрический элемент с ультразвуковой линзой, находящийся в контактной камере, резервуар для распыляемой жидкости соединен капилляром через отверстие в пьезоэлементе и ультразвуковой линзе с распылительной камерой, распылительная камера имеет капиллярное отверстие для выведения образованного аэрозоля, новым является то, что линза выполнена в виде одной либо нескольких звукопроводящих частиц, с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.
Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме кубоида.
Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме шара.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что звукопроводящая частица, например, в форме кубоида или шара, с характерным размером не менее максимальной длины волны акустического излучения в окружающей среде и со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и длиной находящейся в диапазоне равным примерно от λ до 10 λ.
Выбор размера звукопроводящей частицы с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя обеспечивает фокусировку акустического излучения в акустострую во всем диапазоне частот работы устройства с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя. На более высоких частотах акустического излучения увеличивается эффективность фокусировки и величина интенсивности акустического излучения в области фокуса.
На фиг. 1 приведена схема устройства ультразвукового распылителя со звукопроводящей мезоразмерной фокусирующей частицей.
Обозначения: источник питания 1, высокочастотный генератор 2, камера с контактной жидкостью 3, распылительная камера 4, резервуар для распыляемой жидкости 5, пьезоэлектрический элемент 6, звукопроводящая мезоразмерная частица 7, распыляемая поверхность 8, капиллярное отверстие для выведения образованного аэрозоля 9, капилляр соединяющий резервуар для распыляемой жидкости с распылительной камерой 10.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Источник питания 1, например, аккумулятор, запитывает высокочастотный генератор 2, который создает электрические колебания высокой частоты, равные резонансной частоте пьезоэлектрических элементов 6, преобразуемые за счет пьезоэффекта пьезоэлектрическими элементами 6 в ультразвуковые колебания, которые фокусируются звукопроводящими мезоразмеными частицами 7 на распыляемой поверхности жидкости 8, которая находится в распылительной камере 4. Пьезоэлектрический элемент 6 с находящейся на его излучающей звукопроводящей мезоразмерной частицей 7 находится в камере с контактной жидкостью, например, водой. Из резервуара для распыляемой жидкости 5 жидкость подается по капилляру 10 в распылительную камеру 4. После заполнения распылительной камеры 4, ультразвуковые колебания, приходящие в эту полость, окончательно фокусируются в распыляемой жидкости, вызывая ее мелкодисперсное распыление через капиллярное отверстие 9.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа акустоструя для характерных размеров кубоида и шара менее λ/2 не формируется. Устойчиво локализация акустического поля типа акустоструя формируется при размерах звукопроницаемой частицы не менее λ.
При относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы более 0,83 формируемая акустоструя не обеспечивает эффективной концентрации акустического излучения и менее 0,5 акустоструя формируется внутри звукопроводящей частицы.
При использовании в качестве контактной жидкости воду, из-за малой разницы акустического импеданса по отношению к воде и с учетом результатов [J.H. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leao-Neto, J.C. Adamowski, I.V. Minin & G.T. Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Appl. 8, (2017), 024013] целесообразно в качестве материала для звукопроводящих частиц использовать диэлектрический материал Rexolite. Его можно легко подвергнуть механической обработке. Это экологически чистый материал, так как не содержит вредных для него ингредиентов [С. Cadot, J.-F. Saillant, and В. Dulmet, Method for Acoustic Characterization of Materials in Temperature, in Proceedings of the 19th World Conference on Non-Destructive Testing 2016, Munich, 2016, http://ndt.net/?id=19542.: http://www.rexolite.com/general-qualities/].
вода
вода
lRexolite
sRexolite
Rexolite
3
3
При моделировании использовались характеристики с типичными значениями скорости звука (С) и плотности (ρ) (С=1500 м/с и ρ=1000 кг/м). Для Rexolite продольная скорость звука C=2337 м/с, поперечная скорость звука C=1157 м/с, а плотность ρ=1049 кг/м [O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, (2017), 54; J.H. Lopes, J.P. Leao-Neto, I.V. Minin, О.V. Minin, and G.T. Silva, A theoretical analysis of jets, in Proceedings of the 22nd International Congress on Acoustics (ICA 2016), Buenos Aires, 2016].
Об энергетической эффективности предлагаемого устройства ультразвукового распылителя можно судить по степени фокусировки ультразвуковой энергии в распылительной камере 4. Интенсивность звуковой энергии в распылительной камере 4 на распыляемой поверхности 8 не менее чем в 6-8 раз превосходит интенсивность звуковой энергии при фокусировке с помощью акустической линзы и более чем на два порядка, чем на поверхности пьезоэлектрических элементов 6. Минимальный характерный размер звукопроводящей частицы меньше минимального размера акустической линзы в 10-15 раз.
Техническим результатом является снижение габаритов устройства для ультразвукового распыления и повышение интенсивности акустического излучения в области фокуса фокусирующего устройства без увеличения интенсивности излучения пьезоэлектрического элемента.