МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области прикладной физики, в частности к изучению процессов кавитации, а именно к магнитострикционным излучателям. Полезная модель может использоваться в научных исследованиях в области прикладной физики, кавитационной нанотехнологии и медицине.
Звуковая и ультразвуковая кавитация позволяет регулировать размер коллоидных частиц в растворе, диспергирование их до микро- и наноразмерного уровня, осуществлять воздействие на характеристики коллоидных растворов и моделирование сонохимической деструкции органических поллютантов. Кавитация может использоваться для улучшения процессов электролиза, для получения аэрозолей, суспензий, прямых и обратных эмульсий, для коагуляции гидрозолей, дегазации, очистки, ускорения химических реакций, обеззараживания воды. В медицине облучение ультразвуком приводит к гибели различных микроорганизмов, включая бактерии и вирусы, т.е. позволяет осуществлять стерилизацию, дезинфекцию, пастеризацию, лечить различные заболевания.
Известен магнитострикционный излучатель ультразвука на частоту до 50 кГц (В.В. Майер, Е.И. Вараксина «Звук и ультразвук в учебных исследованиях» Издательский Дом «Интеллект, 2012 г., с. 109), содержащий вибратор, обмотку возбуждения, магниты, резиновые колечки, изоленту. Вибратор выполнен в виде круглого ферритового стержня марки М400НН диаметром 8 мм и длиной 120 мм. Магнитострикционные колебания стержня происходят при взаимодействии магнитного поля обмотки возбуждения, питающейся от генератора электрических сигналов, и постоянного магнитного поля, создаваемого плоским кольцевым ферритовым магнитом, расположенном на одном из концов ферритового стержня излучателя. Для успешной работы излучателя необходимо, чтобы вибратор не касался каркаса обмотки возбуждения. Изготовленный описанным способом излучатель подключают к выходу генератора ультразвуковых колебаний. На верхний торец вибратора помещают каплю воды и настраивают генератор в резонанс с вибратором. О нормальной работе всех приборов будет свидетельствовать интенсивное испарение капли воды и может привести к разрыву ненагруженного вибратора.
Недостатками известного излучателя является низкая прочность вибратора, выполненного в виде ферритового стержня, вызванная как характеристиками материала вибратора, так и нестабильностью вибраций, обусловленной влиянием постоянного магнитного поля.
Феррит - это спекшиеся окислы различных металлов, включая железо, никель, кобальт, которые как известно являются ферромагнетиками. В процессе кавитации при вибрации стержня-вибратора, изготовленного из феррита, рабочая поверхность (торец стержня) постепенно разрушается с образованием каверн, а в исследуемой жидкости появляются частицы размером до десятка микрометров. В некоторых случаях это негативное явление нежелательно, так как засоряется жидкость. Кроме того, ферритовый стержень является хрупким материалом и при больших мощностях излучения может разрушаться (ломается на две части, особенно тонкие стержни диаметром 8 мм). В то же время, никель - чистый металл, более тяжелый, который подвергается значительно меньшему разрушению для мощности более 10 Вт, имеющий высокую прочность и большую мощность излучения в сравнении с ферритом, который при таких мощностях склонен к быстрому разрушению.
Известно техническое решение по патенту RU 58792 U1 H01L 41/06, F28G 7/00, опубл. 27.11.2006 г., по которому МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ содержит корпус, внутри которого концентрично друг к другу расположены металлический стержень и катушка индуктивности, и отличается тем, что излучатель дополнительно содержит металлическую теплоотводящую пластину, один конец которой закреплен на торце стержня (вибратора), а второй на устройстве, подвергающийся очистке (теплообменном аппарате). Стержень магнитострикционного излучателя и/или теплоотводящая пластина могут иметь металлическое покрытие хрома, никеля, цинка и т.п. для защиты от коррозии и для более лучшего электрического контакта. Теплоотводящая пластина упомянутого излучателя может быть закреплена на стержне при помощи крепежной планки, закрепленной на корпусе при помощи болтового или винтового соединения. Теплоотводящая пластина также может дополнительно содержать ребра охлаждения. Недостатки: использование никеля только для покрытия теплоотводящей пластины предназначено для защиты от коррозии и не решает проблему прочности стержня (вибратора).
Указанные недостатки решает заявляемая полезная модель. Задача - повысить прочность вибратора магнитострикционного излучателя при повышении стабильности магнитострикционных колебаний.
Для решения задачи предлагается конструкция магнитострикционного излучателя, в котором вибратор выполнен в виде никелевого стержня. Заявляемая конструкция содержит основу, радиатор, обмотку возбуждения, обмотку подмагничивания, вибратор в виде никелевого стержня. При этом обмотка подмагничивания заменяет кольцевой ферритовый магнит. На основе, выполненной, например, из текстолита, в виде пластины с трубчатым выступом в центре, закреплены остальные части: радиатор, вибратор, обмотка возбуждения и обмотка подмагничивания. Вследствие индуцирования в вибраторе вихревых токов материал нагревается и требует отведения тепла. Радиатор совмещает в себе функцию теплоотвода и крепления вибратора, а также крепления всего устройства излучателя с помощью держателей, например, кронштейнов в устройстве типа штатива. Для этого радиатор выполнен в виде прямоугольной пластины с ребрами охлаждения. На трубке основы закреплена обмотка возбуждения и обмотка подмагничивания. Конструкция вибратора предлагается следующая. Если стержневой никелевый вибратор выполнить из пруткового материала, то возникают большие потери за счет вихревых токов, особенно на высоких частотах (более 20 кГц). Поэтому предлагается конструкция вибратора в виде трубки с толщиной стенки, например, около 1 мм при диаметре 8-10 мм. В то же время и в этом случае происходит нагрев в основном вихревыми токами, поэтому для снижения потерь от этих токов в трубке выполнен разрез, например, 1-2 мм шириной по образующей цилиндрической поверхности вдоль продольной оси трубки, но не доходящий до конца - с одной стороны разрез не сквозной. При этом рабочий конец трубки должен быть с закрытым торцем, (толщина торца, например, 2-3 мм), так как при этом увеличивается площадь взаимодействия рабочей поверхности с обрабатываемой жидкостью (колебания происходят по длине стержня). Радиатор, выполненный из алюминия, крепится на текстолитовой основе излучателя, обеспечивает крепление и быструю замену вибратора, обеспечивает отвод тепла, выделяющегося в материале стержня вследствие индуцирования в нем вихревых токов.
Кроме того, при исследовании и применений кавитационных явлений в дисперсных ферромагнитных средах, например, таких как магнитная паста (смесь, содержащая магнитный или люминесцентный магнитный порошок, жидкую основу и, при необходимости, смачивающую антикоррозийную и другие добавки), а также магнитная суспензия (взвесь магнитного или люминесцентного магнитного порошка в дисперсионной среде: в жидкости - воде, керосине, техническом масле и др., содержащей смачивающие, антикоррозийные и, при необходимости, антивспенивающие, антикоагулирующие и другие добавки), возникает проблема наличия постоянного магнитного поля в сердечнике (вибраторе) магнитострикционного излучателя, которое резко искажает картину магнитного поля, образованного частицами. При этом переменное магнитное поле в силу высокой частоты (свыше 10 кгц) не оказывает влияния на исследуемые процессы в силу достаточной инерции дисперсных частиц, но оказывает дестабилизирующее, разрушительное действие на сердечник (вибратор), что снижает его прочность.
В предлагаемой конструкции постоянное магнитное поле обмотки подмагничивания намагничивает сердечник (вибратор) магнитострикционного излучателя и это поле влияет на картину магнитного поля которое образовано частицами исследуемой жидкости. Переменное магнитное поле, которое создано обмоткой возбуждения, приводит к магнитострикции и в конечном итоге к механическим вибрациям стержня, обеспечивая кавитацию в жидкости.
Для устранения влияния постоянного магнитного поля системы подмагничивания магнитострикционного излучателя предлагается (фиг. 3) вместо одной обмотки возбуждения наматывать две одинаковые обмотки возбуждения, питаемые через встречно включенные диоды Д1 и Д2 так, чтобы на одну обмотку L1 подавалась положительная часть синусоидального напряжения с генератора возбуждения колебаний, а на вторую L2 - отрицательная часть синусоидального напряжения. То есть, для снижения влияния постоянного магнитного поля на вибратор предлагается обмотка возбуждения, состоящая из двух одинаковых катушек, концы которых подсоединены к встречновключенным диодам Д1 и Д2. Это позволяет подавать от генератора электрических колебаний на обмотку L1 положительную полуволну синусоидального напряжения, а на обмотку L2 отрицательную полуволну синусоидального напряжения. Это приводит к компенсации воздействия постоянного магнитного поля в сердечнике (вибраторе), создает стабильность вибраций и предохраняет вибратор от разрушения.
Технический результат - повышение прочности вибратора магнитострикционного излучателя при увеличении стабильности магнитострикционных колебаний.
Технический результат достигается конструкцией магнитострикционного излучателя, содержащей обмотку возбуждения, вибратор, пластину с ребрами охлаждения, отличающейся тем, что вибратор выполнен из никеля в виде трубки с закрытым рабочим торцем, имеющей разрез по образующей цилиндрической поверхности, не доходящий до закрытого торца, вибратор закреплен в основе, выполненной в виде пластины с выступом в виде трубки, на пластине основы закреплен радиатор, на трубке основы размещены обмотка возбуждения и обмотка подмагничивания постоянного тока, при этом обмотка возбуждения состоит из двух одинаковых катушек, подключенных к встречновключенным диодам для подачи положительной полуволны синусоидального напряжения на одну катушку и отрицательной полуволны на другую. Как частный случай, радиатор выполнен из алюминия, а основа из текстолита. Другой частный случай, радиатор охвачен держателями (кронштейнами) для крепления излучателя, например в штативе.
Техническое решение поясняется изображениями на фигурах 1-5.
Фиг. 1. Схема магнитострикционного излучателя, где
1 - вибратор;
2 - основа излучателя
3 - обмотка возбуждения (катушка индуктивности);
4 - обмотка подмагничивания;
5 - радиатор;
6 - держатели (кронштейны) излучателя.
7 - кювета из прозрачного материала с жидкостью;
8 - регистрирующее устройство (цифровая фотокамера).
Фиг. 2. Вибратор магнитострикционного излучателя Фиг.
3. Схема питания катушек возбуждения, где
Д1 и Д2 - встречно включенные диоды
L1 - обмотка положительной полуволны синусоидального напряжения,
L2 - обмотка отрицательной полуволны синусоидального напряжения
Фиг. 4. Кавитационное облако в рабочей зоне вибратора (жидкость - вода).
Фиг. 5. Кавитационное облако в рабочей зоне вибратора (жидкость - глицерин).
Пример осуществления. Магнитострикционный излучатель (фиг. 1) содержит текстолитовую основу 2 выполненную в виде пластины с выступом в виде трубки в центре, обмотку возбуждения 3, вибратор 1, обмотку подмагничивания 4, радиатор 5. В качестве вибратора используется никелевая трубка (фиг. 2) с закрытым рабочим торцем, имеющая разрез 1-2 мм по образующей цилиндрической поверхности, не доходящий до закрытого торца. Вибратор может быть выполнен за единое целое с торцем в виде трубки с проточенной не до конца внутренней поверхностью, соответственно разрез в цилиндрической поверхности тоже выполнен не до конца, либо рабочий конец вибратора закрыт заглушкой в виде пластины из того же материала.
На основе 2, выполненной, например, из текстолита, в виде пластины с трубчатым выступом в центре, закреплены остальные части излучателя: радиатор 5, вибратор 1, обмотка возбуждения 3 и обмотка подмагничивания 4. В экспериментах использовался вибратор длиной 160 мм, толщина стенки 1-2 мм, толщина заглушки на рабочем конце 2-3 мм. Излучатель имеет обмотку подмагничивания 3 постоянного тока, который плавно регулируется, обеспечивая таким образом оптимальный режим вибрации. Обмотка возбуждения 3 состоит (фиг. 3) из двух одинаковых катушек L1 и L2, подключенных к встречновключенным диодам Д1 и Д2. Это позволяет подавать от генератора электрических колебаний на обмотку L1 положительную полуволну синусоидального напряжения, а на обмотку L2 отрицательную полуволну синусоидального напряжения. Это приводит к компенсации воздействия постоянного магнитного поля на вибратор 1, являющийся для катушек сердечником, повышает стабильность вибраций, что предохраняет вибратор 1 от разрушений и приводит к повышению его прочности.
Устройство крепления вибратора выполнено из алюминия обеспечивает быструю замену вибратора, а также выполняет функцию отвода тепла, выделяющегося в материале стержня вследствие индуцирования в нем вихревых токов. Для лучшего отвода тепла радиатор 5 выполнен из алюминия и имеет ребра охлаждения. Для функционирования излучателя рабочий конец вибратора 1 погружен в жидкость в кювете 7 из прозрачного материала, а процессы фиксирует регистрирующее устройство 8, например цифровая фотокамера.