УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASONIC PIEZOCERAMIC TRANSDUCER

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к устройствам для интенсификации технологических процессов в жидких средах: очистки деталей, экстракции, травления, пропитки, и может найти применение в машиностроительной, электротехнической, электронной, фармацевтической промышленности, приборостроении и атомной энергетике.
Известен целый ряд ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, в которых элементы герметизации внутреннего их устройства от внешнего воздействия жидкой среды выполнены в виде фторопластовых или резиновых уплотнений. Всем им присущ общий недостаток: при установке их в мощных пьезопреобразователях они со временем разрушаются под действием ультразвука, в результате образуются протечки жидкости внутрь корпуса и излучатели выходят из строя. (См. Патент на полезную модель РФ №66700, B06B 1/06 «Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь», опубл. 10.11.2005 г., а также патент РФ на изобретение №20090013, H04R 17/00 «Устройство крепления армированного пьезопреобразователя», опубл. 10.09.1997 г.)
Таким образом, все подобные преобразователи имеют ограниченное применение
Известен также погружной ультразвуковой преобразователь для озвучивания жидкости в ванне, который включает в свой состав корпуса пьезопластину, мембрану и элемент для закрепления преобразователя к ванне. Для осуществления герметизации внутренней полости преобразователя от протечки жидкости используется установленное в проточке корпуса уплотнительное кольцо. Для охвата большей площади озвучивания несколько преобразователей объединены в ванне в один ряд. Но и в этом преобразователе не решена проблема герметизации, поскольку возможно попадание жидкости во внутреннюю полость корпуса, вследствие износа уплотнительного кольца и ослабления резьбового соединения. (См. Патент РФ на изобретение №2009720, B06B 1/06 «Ультразвуковой высокочастотный преобразователь для озвучивания жидкости в ванне», опубл. 30.03.1994 г.)
Также известен ультразвуковой пьезокерамический преобразователь для озвучивания жидкости, который содержит излучающую накладку, пьезопакет, армирующую шпильку, фланец, кольцевое уплотнение, гайку, шпильку для крепления к ванне, акустически развязывающую мембрану с уступом и демпфер. При этом фланец и уступ мембраны жестко связаны между собой сваркой. Дополнительная герметизация осуществляется резиновым или фторопластовым кольцом, которое притягивается к дну ванны перемещением гайки по шпильке.
Демпфирование от появления изгибных колебаний осуществляется пластмассовым кольцом. (См. Авторское свидетельство СССР №1622025, B06B 1/06 «ультразвуковой пьезокерамический преобразователь для озвучивания жидкости», опубл. 23.01.1991 г.)
Основным недостатком данной конструкции является сложность узла крепления преобразователя ко дну ванны, к тому же используемое как уплотнение резиновое или фторопластовое кольцо не обеспечивает надежную долгосрочную герметизацию преобразователя от озвучиваемой им жидкости, особенно в случае агрессивного раствора кислот или щелочей.
Известен также и ультразвуковой пьезокерамический преобразователь с излучателем, установленный с внешней стороны дна емкости с элементом его крепления, выполненным в виде сварного шва и резьбового соединения. (См. Свидетельство на полезную модель РФ №35250, МПК B06B 1/06, опубл. 10.01.2004 г.) Данный ультразвуковой пьезокерамический преобразователь использован в устройстве для очистки жидкости, включающем емкость, ко дну которой с внешней стороны прикреплен упомянутый преобразователь. При этом элемент крепления выполнен в виде втулки с внутренней резьбой, жестко закрепленной на дне емкости с помощью сварки, а излучатель снабжен внешней резьбой с возможностью ввинчивания его во втулку до упора в дно емкости. В этом устройстве, как следует из чертежа, проблема герметизации решена полностью за счет крепления излучателей к дну емкости с внешней стороны. Однако в этом случае не удается избежать потери интенсивности ультразвуковых колебаний, так как последние передаются, во-первых, через стенку емкости, а во-вторых, в резьбовом соединении обязательно образуется торцевой зазор, в котором также будет наблюдаться частичная потеря мощности излучения, потому что подогнать идеально поверхность дна емкости и торец излучателя практически невозможно.
Поэтому необходимо упростить конструкцию, исключив резьбовое соединение. Задача предлагаемого изобретения заключается в устранении недостатков аналогов и прототипа, а именно обеспечить полную герметизацию преобразователя от протечек озвучиваемой жидкости и добиться максимально возможной мощности излучения в рабочую жидкость.
Задача решается путем озвучивания непосредственно самой жидкости, находящейся в емкости для обработки изделий с одновременной нейтрализацией изгибных колебаний мембраны ультразвукового преобразователя.
Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции преобразователя с одновременным повышением интенсивности ультразвуковых колебаний в жидкости, достигается за счет того, что, по крайней мере, один излучатель установлен в сквозном отверстии излучающей мембраны или мембранного дна корпуса с возможностью непосредственного контактирования его волновода с озвучиваемой жидкостью, при этом волновод, выполненный из материала с низким акустическим сопротивлением (титана) герметично соединен с корпусом преобразователя сварным швом, выполняющим дополнительную функцию демпфера для гашения изгибных колебаний излучающей мембраны. Для обеспечения качественного соединения сварным швом к корпусу излучателя его волновод выполнен Т-образной формы с головкой в виде буртика, который перекрывает отверстие мембранного дна по всему периметру на величину 2-5 мм, образуя зону однородного соединения из одного и того же металла… Выполнение корпуса преобразователя и волновода излучателя из титана дает возможность использования его в агрессивных средах, а главное, титан обладает низким акустическим сопротивлением, что способствует минимизации потерь мощности ультразвуковых колебаний в волноводе излучателя, контактирующем с озвучиваемой жидкостью.
В описании устройства, взятого за прототип, отсутствуют какие-либо специальные требования к сварному шву и использование его в качестве демпфера, следовательно, этот шов предназначен только для крепления втулки ко дну емкости и в силу своего расположения и формы не может выполнять роль демпфера. В предлагаемом преобразователе сварной шов соединяет край буртика волновода с излучающей мембраной внахлест и его размер составляет 4-8 мм, т.е. идет дополнительное наплавление металла на излучающую поверхность корпуса преобразователя с иной структурой и плотностью материала. Сварной шов, выполненный в таком варианте, как показали испытания, служит хорошим демпфером, гасящим изгибные колебания лицевой мембраны корпуса преобразователя. В случае если в корпусе преобразователя установлено несколько излучателей, демпфер паразитных изгибных колебаний, выполненный в виде концентрично охватывающего волновод сварного шва, формирует вокруг каждого излучателя барьер, препятствующий возникновению изгибных волн как от собственного, так и о соседних излучателей, что и обеспечивает их развязку. Это, в конечном счете, также снижает потери мощности при передаче ультразвуковой энергии и повышает равномерность акустического поля в озвучиваемой жидкости. (См., например, патент РФ №2188085, B08B 3/12, опубл. 27.08.2002 г.)
Благодаря развязке пьезоэлектрических излучателей за счет ослабления или препятствия передаче изгибных паразитных колебаний за пределы демпфирующего шва, появляется возможность увеличить плотность расположения излучателей на одном и том же поле излучения и, тем самым, повысить акустическую мощность преобразователя в целом.
Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь является новым, поскольку в источниках информации совокупность предложенных признаков, отраженных в формуле изобретения, в том числе и в дополнительных пунктах, не обнаружена.
Предложенный ультразвуковой пьезокерамический преобразователь как техническое решение обладает изобретательским уровнем. Дело в том, что в промышленности, особенно в теплообменных системах, достаточно часто приходится удалять с поверхностей деталей и механизмов стойкие отложения солей и различные накипи, при этом используются растворы агрессивных сред в виде кислот и щелочей. Для удаления таких вредных отложений требуется мощное ультразвуковое излучение, в то же время ультразвуковой преобразователь должен иметь компактную форму и стойко выдерживать воздействие агрессивных сред. Предлагаемый ультразвуковой пьезокерамический преобразователь удовлетворяет этим требованиям. Высокая плотность расположения излучателей на мембране корпуса преобразователя, низкое акустическое сопротивление титана и непосредственное выведение рабочей поверхности волноводов излучателей в озвучиваемую жидкость позволяют обеспечить минимальную физически возможную по совокупности потерю интенсивности ультразвуковых колебаний и максимально возможную мощность кавитационного воздействия для удаления вредных отложений с обрабатываемых поверхностей.
Предложенное техническое решение не является очевидным, поскольку сварной шов, выполненный описанным выше образом, применяется не только в качестве элемента для крепления волновода излучателя к корпусу преобразователя, но и выполняет функцию демпфера гашения изгибных колебаний. Таким образом, две функции: крепления и гашения изгибных колебаний совмещены в одном признаке, что привело к упрощению ультразвукового преобразователи и, одновременно, к повышению интенсивности ультразвукового излучения.
Указанное конструктивное отличие и совмещение функций не было обнаружено в информационной, научно-технической литературе и патентных материалах, что свидетельствует о неочевидности и неординарности предлагаемого ультразвукового пьезокерамического преобразователя. Отмеченное отличие, по нашему мнению, нельзя отнести к методу обычного инженерного проектирования.
Изготовление и испытание опытных образцов показали их работоспособность и подтвердили получение технического результата, указанного в описании изобретения, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Корпус преобразователя выполнен в герметичном исполнении и может быть применен в качестве погружного варианта, однако может быть установлен и в дне рабочей емкости.
2
Изобретение проиллюстрировано чертежами, где на фиг.1 изображен корпус ультразвукового пьезокерамического преобразователя с местным вырывом (вид сбоку), на фиг.2 показана излучающая мембрана с излучателями, расположенными в один ряд, на фиг.3 показана излучающая мембрана с излучателями, размещенными в два ряда, на фиг.4 отражен общий вид преобразователя для открытых емкостей с излучателем в разрезе. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь содержит корпус 1 с выполненным в дне или излучающей мембране 2 сквозным отверстием 3, в котором установлен, по крайней мере, один пьезокерамический излучатель 4, включающий звукопроводящий волновод 5 Т-образной формы с буртиком 6 и излучающей поверхностью 7, пакет пьезоэлементов 8, армирующую шпильку 9 и стальную гайку 10. Звукопроводящий волновод 5 излучателя 4, вставленный свободно в отверстие 3 дна или излучающей мембраны 2 (фиг.4), соединен посредством буртика 6 с излучающей мембраной или дном емкости сварным швом 11. Во всех случаях излучающая поверхность 7 волновода 5 контактирует с озвучиваемой жидкостью непосредственно, что увеличивает интенсивность ультразвуковых колебаний. Сварной шов выполняется аргонно-дуговой сваркой в среде инертных газов. Для обеспечения качественного сварного соединения излучателя 4 с излучающей мембраной 2 или дном емкости и надежной работы шва в качестве демпфера изгибных колебаний, диаметр буртиков должен быть больше диаметра излучателя d на 4-10 мм, т.е. буртик 6 должен перекрывать отверстие 3 по всему его периметру не менее чем на 2 мм, а внешний диаметр шва d3 должен быть больше диаметра буртика 6 на 10-12 мм или быть по ширине равным 5-6 мм. Толщина буртика 6 находится в пределах 0,8-1,0 мм и равна толщине стенки корпуса 1. Все размеры подобраны экспериментально и обусловлены возможностью максимальной передачи ультразвуковых колебаний в озвучиваемую жидкость, чтобы обеспечить эффективное удаление отложений или накипей с обрабатываемых поверхностей.
Для обеспечения максимальной проводимости ультразвука и возможности работы преобразователя в агрессивных следах его корпус, излучатель и волновод выполняются из титана, допустимо их изготовление из нержавеющей стали, однако интенсивность ультразвуковой кавитации за счет более высокого акустического сопротивления нержавеющей стали будет при этом ниже. Далее, ввиду того, что титановый волновод имеет меньшее акустическое сопротивление, чем стальная гайка 10, работающая как отражатель, амплитуда колебаний на излучающей поверхности 7 будет выше, т.е. излучатель 4 работает в режиме одностороннего излучения, увеличивая поток акустической энергии в озвучиваемую жидкость.
При больших размерах емкости или излучающей мембраны 2 преобразователя на их поверхности могут быть установлены несколько излучателей 4 в один (фиг.2) или несколько рядов (фиг.3). Для подвода электроэнергии к пьезоэлементам пакета 8 предусмотрен штуцер 12. А для закрепления корпуса 1 преобразователя по месту обработки установлены уголки 13.
Ультразвуковой керамический пьезопреобразователь работает следующим образом.
При подаче генератором (на фиг. не показан) электрических колебаний ультразвуковой частоты (20-25 кГц) через штуцер 13 на пакет пьезоэлементов 8, в них под действием пьезоэлектрического эффекта происходит преобразование электрической энергии в энергию механических колебаний, которые через звукопроводящий титановый волновод 5, излучающую поверхность 7 поступают непосредственно в озвучиваемую жидкость, вызывая ее кавитацию. Под действием кавитации происходит активное перемешивание озвучиваемой жидкости и микровзрывы в ней, за счет чего и происходит преодоление сил адгезии удаляемых отложений и накипей.
Сварной шов 11 при этом обеспечивает герметичность корпуса 1, защищая его от протечек озвучиваемой жидкости, в то же время шов служит демпфером для гашения паразитных изгибных колебаний в излучающей мембране, или дне 2 корпуса преобразователя. При соединении при помощи сварного концентрической формы шва 11 волновода 5 излучателя с корпусом 1 образуется 3 зоны, переходящие одна в другую. При этом зоны имеют различную толщину, плотность, структуру. Так, толщина буртика 6 и стенки корпуса 1, которая переходит в сварной шов 11 с уклоном к его периферии, и толщина стенки самого корпуса 1 представляют как раз неоднородную систему, в которой изгибная волна, отражаясь и складываясь, заметно гасится, что повышает эффективность развязки преобразователей и повышает равномерность ультразвукового поля. При этом, если толщина буртика 6 волновода 5 и стенки корпуса 1 будет менее 0,8-1,0 мм, то усложняются условия сварки, а при толщине более 1,0 мм снижается интенсивность ультразвуковых колебаний лицевой излучающей мембраны или дна 2 корпуса 1. Установленные экспериментально величины ширины сварного шва 11 в 5-6 мм и перекрытия буртиком 6 отверстия 3 на 2-5 мм обусловлены условиями сборки преобразователя, качеством сварного шва и эффективностью ультразвукового излучения.
Излучатели 4 для создания плотного и равномерного ультразвукового поля должны располагаться достаточно плотно, предпочтительно расстояние между ними выбирается равным одной четверти длины волны, т.е. λ/4.
2
Все вышеперечисленные конструктивные отличия предлагаемого преобразователя, а также развиваемая им интенсивность ультразвуковых колебаний, составляющих 2,4-2,7 Вт/см при максимальном КПД, позволяет преодолеть силы адгезии таких вредных технологически образуемых покрытий, как отложения солей или накипи.
Предложенный преобразователь реализован в ультразвуковых ваннах и в конструкции погружного ультразвукового пьезокерамического преобразователя, которые изготовлены, испытаны с получением технического результата, указанного в описании изобретения, т.е. подтверждено, что они работоспособны, просты в изготовлении, обеспечивают надежную герметичность корпуса от протечек озвучиваемой жидкости и высокую интенсивность ультразвуковых колебаний.
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель №84971, МКИ B06B 1/06, G01F 1/66, опубл. 21.01.2009 г.
2. Авторское свидетельство СССР №631219, МКИ B088B 3/12, опубл. 05.11.1978 г.
3. Патент США №4957669, B068B 3/00, опубл. 18.09.1990 г.
4. Заявка E11B 0420190, B068B 1/06, H04R 17/00, опубл. 03.04.1991 г.
5. Заявка ФРГ №4014199, B06B 1/06, H04R 17/100, опубл. 22.11.1990 г.