УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ КОМПОЗИТНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
DEVICE AND METHOD FOR FIXING ELECTROMECHANICAL COMPOSITE HIGH-FREQUENCY VIBRATION SYSTEMS

Изобретение относится к устройствам для крепления электромеханических композитных высокочастотных вибрационных систем (КВВС).
2
2
2
Низкочастотный ультразвук высокой мощности (НУВМ) является ультразвуком с рабочей частотой от 15 до 200 кГц, преимущественно 15-60 кГц, например, 20 кГц, и акустической мощностью выше 10 Вт, преимущественно 100-20 000 Вт, например, 10 000 Вт. В частности, для генерации ультразвука используются пьезокерамические или магнетостриктивные системы. В данной области техники известны линейные преобразователи продольных и поперечных колебаний или трубчатые резонаторы. Низкочастотный ультразвук высокой мощности используется, среди прочего, при обработке жидкостей, в частности пищевых, косметических, лакокрасочных и нано-материалов. Для этих целей ультразвук проводится через жидкость при помощи резонатора с амплитудой от 1 до 350 µм, предпочтительно в диапазоне 10-80 µм, например, 35 µм. Лямбда обозначает длину волны, рассчитанную на основе частоты и скорости распространения низкочастотного ультразвука высокой мощности в высокочастотной вибрационной системе. Высокочастотная вибрационная система может состоять из одного или более элементов лямбда/2. Многокомпонентная высокочастотная вибрационная система с несколькими элементами лямбда/2 может быть выполнена из единого фрагмента материала соответствующей длины, или нескольких элементов длиной n*лямбда/2 (n∈H), которые объединяются, в частности, с помощью винтов. Элементы лямбда/2 могут иметь различную форму поперечного сечения материала, в частности, поперечное сечение округлой, овальной или прямоугольной формы. Форма и площадь поперечного сечения могут различаться по продольной оси элемента лямбда/2. Площадь поперечного сечения может находиться в диапазоне от 0,01 до 300 см, преимущественно от 10 до 100 см, например, 50 см. Элементы лямбда/2 могут быть выполнены, в числе прочего, из металлических или керамических материалов или стекла, в частности из титана, титановых сплавов, стали или сплавов стали, алюминия или его сплавов, в частности из титана марки 5. Элемент лямбда/2 может быть выполнен из единого фрагмента материала соответствующей длины или нескольких соединенных между собой кусков материала.
Высокочастотные вибрационные системы и элементы лямбда/2, выполненные более чем из одного фрагмента материала, могут быть объединены различными способами для формирования комбинированной конструкции. Типичной формой композитной конструкции является высокочастотная вибрационная система, которая прижимается с помощью элемента крепления, расположенного в центре (Фиг.1). Пьезокерамические композитные высокочастотные вибрационные системы состоят из одного или более элементов лямбда/2, соединенных в продольном направлении, из которых, по меньшей мере, один элемент лямбда/2 содержит один или более пьезоэлектрических керамических элементов, например, диски, кольца, сегменты диска или кольца. Композитные высокочастотные вибрационные системы с несколькими пьезокерамическими элементами, преимущественно более чем с четырьмя пьезокерамическими элементами, например, с восьмью пьезокерамическими элементами используются для высокопроизводительных низкочастотных систем.
2
2
2
В частности, пьезокерамические комбинированные высокочастотные вибрационные системы требуют повышенного поверхностного давления на пьезокерамические элементы. Такое поверхностное давление может находиться в диапазоне от Н 0,1 до 1000 Н/мм, преимущественно от 40 до 300 Н/мм, например, 100 Н/мм. Поверхностное давление существенно влияет на производительность, максимально возможную мощность ультразвука и резонансную частоту. Поэтому поверхностное давление может быть выбрано, в числе прочего, для достижения максимальной производительности и/или минимизации тепловых потерь при преобразовании электрической энергии в механическую.
Поверхностное давление осуществляется как минимум одним элементом крепления, например, путем расположения винта крепления по центру.
На элемент крепления действует растягивающая нагрузка, которая зависит от оказываемого поверхностного давления. Мощность растягивающей нагрузки отдельного элемента зависит от минимально необходимой суммы эффективных поверхностей отдельных элементов крепления. В случае с использованием внутренних, то есть, расположенных по центру элементов крепления, эффективная поверхность элемента крепления уменьшает эффективную поверхность элементов, генерирующих ультразвуковые колебания, например, пьезокерамических элементов. Максимальная длина диагонали и, соответственно, максимально возможная площадь эффективной поверхности элементов, генерирующих ультразвуковые колебания, таких как пьезокерамические элементы, ограничивается конструкцией, так как с увеличением длины диагонали увеличивается тенденция к образованию разрушающих изгибных колебаний, например, как у пьезоэлектрических элементов, так и у фрагментов материала, и вследствие увеличения среднего расстояния до незащищенной поверхности элементов, генерирующих ультразвуковые колебания, повышается теплоотдача. Поскольку площадь эффективной поверхности элементов, производящих ультразвуковые колебания, нельзя таким образом сделать произвольно большой за счет уменьшения элементов крепления, требуемая эффективная поверхность элементов крепления уменьшает максимально возможную площадь элементов, генерирующих ультразвуковые колебания.
Таким образом, задачей изобретения является создание устройства, с помощью которого электромеханические композитные высокочастотные вибрационные системы могут закрепляться без уменьшения эффективной поверхности элементов, генерирующих ультразвуковые колебания.
Изобретение позволяет решить эту задачу за счет признаков пункта формулы 1. Более эффективные конструкции являются предметами зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно изобретению, создается устройство для генерации электромеханических композитных высокочастотных колебаний, которое состоит из композитной высокочастотной вибрационной системы, включающей, по меньшей мере, один элемент, генерирующий колебания, и, по меньшей мере, один элемент крепления для создания давления на элемент, генерирующий колебания, при этом, по меньшей мере, один элемент крепления расположен вне эффективной поверхности, по меньшей мере, одного элемента, генерирующего колебания.
Таким образом, внутренние, например, расположенные в центральной позиции элементы крепления, максимальные размеры эффективной поверхности которых ограничиваются окружающими элементами, генерирующими ультразвуковые колебания, и которые, как правило, формируют изгибные колебания, могут быть устранены. Высокое аспектное отношение (соотношение длины и диагонали поперечного сечения) элемента (элементов) крепления обеспечивает высокую вероятность изгибных колебаний, в частности, у пьезокерамических композитных высокочастотных вибрационных систем, состоящих из нескольких элементов лямбда/2, соединенных в продольном направлении, и внутренних, например, расположенных по центру, элементов крепления. Данные изгибные колебания могут быть устранены или, по меньшей мере, значительно уменьшены, с помощью конструкции в соответствии с изобретением за счет использования элементов крепления наружной установки.
В более эффективной конструкции изобретения, по меньшей мере, два элемента крепления располагаются вне эффективной поверхности, по меньшей мере, одного элемента, генерирующего колебания.
Генерируемые колебания являются, преимущественно, ультразвуковыми.
Композитная высокочастотная вибрационная система настроена на возбуждение колебаний в диапазоне от 15 до 200 кГц, в частности от 15 до 60 кГц, и в предпочтительном варианте осуществления - от 15 до 35 кГц.
При этом композитная высокочастотная вибрационная система настроена на генерирование колебаний с амплитудой от 1 до 350 µм, и, в частности, с амплитудой от 10 до 80 µм.
Композитная высокочастотная вибрационная система в данном случае настроена на передачу ультразвуковых колебаний мощностью от 100 до 20000 Ватт, в частности мощностью 4000-20,000 Ватт.
Элементы, генерирующие колебания, предпочтительно являются пьезокерамическими.
Иными словами, для генерирования колебаний композитная высокочастотная вибрационная система может использовать, в частности, пьезокерамические элементы.
Пьезокерамические элементы могут быть представлены пьезокерамическими дисками или сегментами дисков.
В соответствии с альтернативным вариантом, в композитной высокочастотной вибрационной системе для генерирования колебаний могут использоваться пьезокерамические кольца или сегменты колец.
В композитной высокочастотной вибрационной системе для генерирования колебаний могут использоваться пьезокерамические элементы с диагональю более 30 мм, в частности более 50 мм, и в частности, в предпочтительном варианте осуществления более 70 мм.
Композитная высокочастотная вибрационная система специально спроектирована для распространения ультразвуковых колебаний в жидкостях.
Композитная высокочастотная вибрационная система спроектирована, главным образом, для непрерывной работы, и, в частности, работы с постоянной амплитудой или постоянной нагрузкой в течение более чем одного часа.
В преимущественных вариантах осуществления изобретения композитная высокочастотная вибрационная система имеет, по меньшей мере, два, в частности, по меньшей мере, три элемента лямбда/2, последовательно расположенных в продольном направлении.
В данном случае, по меньшей мере, два элемента лямбда/2 могут каждый иметь, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент.
В соответствии с другим вариантом, по меньшей мере, два элемента лямбда/2 могут каждый иметь, по меньшей мере, два пьезоэлектрических элемента.
2
2
Преимущественно, поверхностное давление, оказываемое на пьезокерамические элементы, по меньшей мере, на одной позиции находится в диапазоне от 0,1 до 1000 Н/мм, в частности от 40 до 300 Н/мм.
В целом, поверхностное давление, оказываемое на пьезокерамические элементы, должно выбираться таким образом, чтобы уменьшить термальные потери при преобразовании электрической энергии в механическую.
В одном осуществлении устройства в соответствии с изобретением могут использоваться, по меньшей мере, два элемента крепления, расположенные с внешней стороны.
2
2
Сумма минимумов эффективной поверхности задействованных элементов крепления должна быть равна более 50 мм, в частности, более 250 мм.
По меньшей мере, один элемент крепления может, по меньшей мере, частично или в большей части охватывать композитную высокочастотную вибрационную систему. В этой связи, данный элемент крепления может иметь эффективную поверхность в форме кольца или сегмента кольца, таким образом, чтобы данный элемент крепления частично или полностью охватывал композитную высокочастотную вибрационную систему.
По меньшей мере, один элемент крепления может быть установлен, в частности, привинчен, с помощью, по меньшей мере, одного элемента с резьбой.
Растягивающая нагрузка элемента крепления должна быть ниже уровня пластической деформации. Иными словами, растягивающая нагрузка, образованная путем напряжения элемента крепления, должна быть ниже предела текучести Re при растяжении элемента крепления.
По меньшей мере, один элемент крепления может обладать эластичностью, способной компенсировать пределы допуска.
По меньшей мере, один элемент крепления может использоваться для крепления дополнительной композитной высокочастотной вибрационной системы. Иными словами, устройство в соответствии с изобретением может содержать несколько композитных высокочастотных вибрационных систем, и, по меньшей мере, один элемент крепления может использоваться для крепления нескольких композитных высокочастотных вибрационных систем.
Преимущественно, нагрузка может подаваться, по меньшей мере, от одного элемента крепления на композитную высокочастотную вибрационную систему близко или непосредственно при минимальных (узловых) механических колебаниях, которые возникают в продольном направлении композитной высокочастотной вибрационной системы.
В соответствии с другим вариантом, нагрузка может подаваться, по меньшей мере, от одного элемента крепления на композитную высокочастотную вибрационную систему на расстоянии менее 0,1 лямбда от минимального уровня (узловых) механических колебаний, которые возникают в продольном направлении композитной высокочастотной вибрационной системы.
Нагрузка может передаваться, по меньшей мере, от одного элемента крепления на композитную высокочастотную вибрационную систему, по меньшей мере, с одного конца элемента крепления, который контактирует с внешней поверхностью композитной высокочастотной вибрационной системы, в особенности, путем создания давления на окончание фрагмента материала.
В соответствии с другим вариантом, нагрузка может передаваться, по меньшей мере, от одного элемента крепления на композитную высокочастотную вибрационную систему, по меньшей мере, через один соединительный элемент.
Преимущественно, по меньшей мере, один элемент, ослабляющий, поглощающий и/или снижающий колебания, используется для уменьшения колебаний, передаваемых от композитной высокочастотной вибрационной системы, по меньшей мере, на один элемент крепления.
При этом резонансная частота элемента крепления может, преимущественно, отличаться от частоты возбуждения композитной высокочастотной вибрационной системы. Это означает, что, по меньшей мере, один элемент крепления не обладает резонансной частотой, близкой к частоте возбуждения композитной высокочастотной вибрационной системы.
При использовании нескольких элементов крепления, по меньшей мере, два элемента крепления должны иметь отличные друг от друга резонансные частоты.
По меньшей мере, один элемент крепления может быть электроизоляционным или иметь изоляцию.
При этом, по меньшей мере, один элемент крепления, или, по меньшей мере, один соединительный элемент могут использоваться для проведения тепла или тепловой энергии, например, для рассеивания тепла и/или транспортировки обогревающих/охлаждающих субстанций, таких как масло, вода или сжатый воздух.
Специально для этой цели элемент, генерирующий колебания или ультразвуковые колебания, может иметь отверстия для пропуска через них теплопроводящих материалов, таких как жидкости или газы.
Устройство в соответствии с изобретением может быть выполнено путем расположения, по меньшей мере, одного элемента крепления вне эффективной поверхности, по меньшей мере, одного элемента, генерирующего колебания, где он может быть закреплен таким образом, чтобы передавать натяжение на элемент, генерирующий колебания.
При расположении одного или более элементов крепления вне эффективной поверхности элементов, генерирующих ультразвуковые колебания, т.е. пьезокерамических элементов, в соответствии с изобретением, общая площадь эффективной поверхности элементов крепления не может уменьшать или может незначительно уменьшать эффективную поверхность элементов, генерирующих ультразвуковые колебания, например пьезокерамических элементов. Кроме того, общая площадь эффективной поверхности крепления не ограничивается размерами элементов, генерирующих ультразвуковые колебания.
2
2
2
Для этой цели, один или более элементов крепления располагаются вне эффективной поверхности элементов, генерирующих ультразвуковые колебания. В этом случае могут использоваться элементы крепления с большой суммой эффективной поверхностью минимальных эффективных поверхностей элементов крепления, у которых общая площадь поверхности может быть более 50 мм, преимущественно более 250 мм, например, 600 мм.
Элементы крепления могут быть выполнены, в числе прочего, из металлических, неметаллических или керамических материалов, или из пластика или композитных материалов, в частности, титана, титановых сплавов, стали или сплавов стали, алюминия, полимеров, высококачественного пластика или алюминиевых сплавов, например из титана марки 5. Элементы крепления, состоящие более чем из одного фрагмента материала, могут соединяться различными способами, чтобы составить композитную конструкцию, например, с помощью винтов, скоб, связующего материала, узлов, скруток, прошивки, стяжки или прессовки. Форма эффективной поверхности отдельного элемента крепления может варьироваться по продольному направлению композитной высокочастотной вибрационной системы. Например, форма эффективной поверхности может быть округлой, полукруглой, в виде сегмента круга, прямоугольной (например, квадратной), шестиугольной, кольцевой (например, трубка) и в виде сегмента кольца или полигенной (например, кабель). Эффективная поверхность одного или более элементов крепления может частично, по большей части или полностью охватывать композитную высокочастотную вибрационную систему.
Растягивающую нагрузку, действующую на элементы крепления, можно обеспечить, например, с помощью винтового соединения, термического сжатия при охлаждении, термического расширения, химическим путем или с помощью рычажков, гидравлических цилиндров, пьезоэлектрических приводов, пружин, зубчатых передач или наклонных панелей, преимущественно путем привинчивания. Данные устройства для обеспечения растягивающей нагрузки могут прикрепляться с одной стороны, с обеих сторон или с нескольких сторон, например, на одном или более элементах крепления.
Растягивающая нагрузка элементов крепления должна быть преимущественно ниже границы пластической деформации или разлома. Элементы крепления могут эластично деформироваться под воздействием растягивающей нагрузки, например, расширяться в направлении растяжения. Эта эластичность может компенсировать пределы допуска.
Элементы крепления могут деформироваться, например, расширяться в направлении вытягивания, при тепловом воздействии, например, при эксплуатации композитной высокочастотной вибрационной системы. Данная деформация может вызвать изменения растягивающей нагрузки. Данное изменение растягивающей нагрузки может использоваться для целенаправленного контроля поверхностного давления и распределения поверхностного давления, оказываемого на композитную высокочастотную вибрационную систему. Расположение элементов крепления, устанавливаемых с внешней стороны, может выбираться и комбинироваться, например, с помощью внутренних элементов крепления, чтобы обеспечить оптимальное, равномерно распределенное поверхностное давление и распределение поверхностного давления, оказываемого на композитную высокочастотную вибрационную систему по эффективной поверхности.
Отдельные элементы крепления могут использоваться для крепления более чем одной композитной высокочастотной вибрационной системы.
Подача нагрузки с одного элемента крепления на композитную высокочастотную вибрационную систему может осуществляться в любой точке. Преимущественно, нагрузка должна подаваться вблизи минимальных (узловых) механических колебаниях, которые возникают в продольном направлении композитной высокочастотной вибрационной системы. Удаленность механических колебаний, которые возникают в продольном направлении композитной высокочастотной вибрационной системы, от такого минимума может составлять, например, 0-0,2 лямбда, преимущественно 0-0,1 лямбда, например 0,02 лямбда.
Передача может осуществляться, например, с помощью соединительных деталей, которые контактируют с внешней поверхностью композитной высокочастотной вибрационной системы, или которые прижаты к концам элемента лямбда/2. Для уменьшения механических колебаний, передаваемых композитной высокочастотной вибрационной системой на элементы крепления, данные соединительные детали или сами элементы крепления могут обладать снижающими, поглощающими или смягчающими колебания компонентами или формами. Данные компоненты могут быть выполнены, в числе прочего, из пластика, композитных материалов, каучука или метала, например из резины.
Если передачу механических колебаний от композитной высокочастотной вибрационной системы на элементы крепления нельзя исключить полностью, элементы крепления не должны обладать резонансными частотами, близлежащими к частоте возбуждения композитной высокочастотной вибрационной системы. На резонансные частоты элементов крепления могут влиять, в числе прочего, геометрические характеристики, такие как длина, особенности материала, а также расположение точки соединения или соединительных элементов. Отдельные элементы крепления могут отличаться друг от друга и поэтому иметь, например, отличные друг от друга резонансные частоты при изгибных колебаниях.
Для уменьшения или устранения передачи электрического напряжения с композитной высокочастотной вибрационной системы на элементы крепления, элементы соединения или сами элементы крепления могут иметь электроизоляционные компоненты. Данные компоненты могут быть выполнены, в числе прочего, из пластика, композитных материалов, каучука, керамики, цемента, стекла, например из цемента.
В соответствии с другим вариантом, элементы крепления и/или соединительные элементы подходящей конструкции могут использоваться в качестве проводников электроэнергии, например, в качестве элемента защитного заземления, для проведения тепловой энергии, например, для рассеивания тепла или транспортировки обогревающих/охлаждающих субстанций, таких как масло, вода или сжатый воздух.
Отверстия для пропуска через них теплопроводящих материалов, таких как жидкости или газы, например, масло, вода, воздух или инертный газ, могут быть расположены в рамках эффективной поверхности элементов, генерирующих ультразвуковые колебания. Данные материалы могут перемещаться или находиться под действием давления, отличного от атмосферного, например, повышенного давления. Контактные поверхности между этими материалами и композитной высокочастотной вибрационной системой можно использовать для проведения тепловой энергии, например, для охлаждения.
Далее изобретение описывается более подробно в соответствии с примерами осуществления, приведенными на прилагаемых Фиг.2-6, на которых изображено следующее.
На Фиг.2 изображено устройство в соответствии с изобретением. Композитная высокочастотная вибрационная система содержит элемент лямбда/2 с двумя пьезокерамическими дисками (1), расположенными между двумя фрагментами (2) материала. Данные фрагменты (2) материала крепятся с помощью двух элементов (4) крепления и двух соединительных элементов (9), контактирующих с внешней стороной двух фрагментов (2) материала. Элементы (4) крепления располагаются вне эффективной поверхности пьезокерамических дисков (1). Сила натяжения прилагается к элементам (4) крепления путем завинчивания гаек (3).
На Фиг.3 изображено устройство в соответствии с изобретением, сходное с изображенным на Фиг.2, но в данном случае с двумя композитными высокочастотными вибрационными системами, расположенными параллельно. Один из элементов (4) крепления используется для натяжения обеих композитных высокочастотных вибрационных систем.
На Фиг.4 показано устройство, сходное с изображенным на Фиг.2, но в данном случае два элемента лямбда/2 соединены в продольном направлении резьбовыми болтами (5), притом, что каждый элемент лямбда/2 имеет две пьезокерамические пластины (1).
На Фиг.5 изображено устройство, сходное с изображенным на Фиг.2, но в данном случае, с двумя элементами лямбда/2, соединенными в продольном направлении общим фрагментом (8) материала и дополнительным элементом лямбда/2, соединенным болтами (5) с резьбой без пьезокерамических дисков. Каждый из 4 элементов (4) крепления имеет соединительную трубку (6).
На Фиг.6 изображено устройство, сходное с изображенным на Фиг.2, но в данном случае, с двумя элементами лямбда/2, которые соединены в продольном направлении общим фрагментом (8) материала. Каждый элемент (4) крепления оснащен изоляцией (7). Дополнительный соединительный элемент (манометрический элемент) (10) используется для передачи нагрузки на высокочастотную вибрационную систему. Общей особенностью всех вариантов является то, что элементы (4) крепления расположены вне элементов (1), генерирующих ультразвуковые колебания.
На Фиг.6 изображены три осесимметричных элемента лямбда/2, соединенных в продольном направлении. Фрагменты (2 и 8) материала выполнены, например, из титана марки 5. Диаметр пьезокерамических элементов (1) составляет, например, 80 мм. Два элемента (4) крепления выполнены из легированной стали и имеют внешнюю резьбу, например М6. Длина каждого элемента (4) крепления составляет, например, 360 мм. Частично по длине элементов (4) крепления нанесена изоляция (7). Соединительные элементы (9) выполнены из алюминия. Соединительная деталь (нажимная часть) (8) передает нагрузку крепления в 500 кН на элемент лямбда/2. Положение точки передачи нагрузки выбирается таким образом, чтобы она располагалась вблизи вибрационного минимума продольных колебаний верхнего элемента лямбда/2. Частота возбуждения композитной высокочастотной системы составляет 19 кГц и рассчитана на передачу ультразвуковых колебаний мощностью до 4 кВт при непрерывной работе.
Список условных обозначений
1 Элемент, генерирующий ультразвуковые колебания
2 Фрагмент материала
3 Гайка (внутренняя резьба)
4 Элемент крепления с наружной резьбой
5 Болты с резьбой
6 Соединительная трубка с внутренней резьбой
7 Изоляция
8 Фрагмент материала
9 Соединительная деталь
10 Соединительная деталь (манометрический элемент).