Ультразвуковое устройство для стирки белья
ULTRASONIC DEVICE FOR WASHING CLOTHES

Изобретение относится к бытовой технике, в частности к стирке текстильных изделий с помощью ультразвуковой стиральной машины и акустической активации жидких сред при мойке, дезинфекции, стерилизации.
Из технической литературы, например, [Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д.Розенберга. М.: Наука, 1970.] известно, что качество ультразвуковой стирки определяется тремя факторами: интенсивностью механического воздействия на объект, интенсивностью химического воздействия на загрязнение и временем воздействия. Эффект от ультразвуковой стирки становится выше при увеличении интенсивности любого из этих показателей.
Известны ультразвуковые утройства для стирки белья, включающие генератор ультразвуковых колебаний и акустический излучатель, содержащий пьезокерамичекий элемент [Патент РФ 2118673, Патент РФ 2087608]. Устройства отличаются простотой конструкции. Однако эффективность стирки известными устройствами мала, так как пьезоэлемент установлен внутри полимерного материала, который не позволяет передать в жидкость, требуемую для качественной стирки, интенсивность ультразвукового поля.
Известно устройство ультразвуковой стиральной машины по патенту РФ 2116396, содержащее активатор с вибрационным элементом пьезокерамического типа, который питается от источника ультразвуковых колебаний, а источник ультразвуковых колебаний подключен к низкочастотному модулятору. При этом вибрационный элемент прикреплен без зазора внутри корпуса активатора к плоской стенке и через нее излучает модулированные ультразвуковые колебания в моечную жидкость.
Достоинством устройства является интенсификация отделения загрязнений от текстильных изделий за счет модуляции ультразвуковых колебаний низкочастотными колебаниями, причем интенсивность ультразвуковых колебаний ниже порога кавитации.
Недостатком устройства является невысокая эффективность стирки, так как пьезоэлемент не позволяет передать в жидкость требуемую для качественной стирки интенсивность ультразвукового поля.
Известны различные конструкции ультразвуковых устройств для стирки белья, содержащие генератор электрических колебаний, выход которого соединен с акустическим излучателем, служащим для преобразования высокочастотного электрического сигнала в механические колебания ультразвукового диапазона и передачу этих колебаний в водную среду [Патент РФ 12138; патент РФ 2109095; патент РФ 2111301; патент РФ 2116396; патент РФ 2200780; ЕР 0261363].
Однако известные устройства не создают достаточную интенсивность излучаемого ультразвукового поля создаваемого акустическим излучателем для качественной стирки.
Известно ультразвуковое устройство для стирки [Патент РФ 55373]. Ультразвуковое устройство для стирки содержит генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты и подключенную к выходу генератора электромеханическую систему преобразователя электрического сигнала от генератора в механические ультразвуковые колебания жидкой среды, причем электромеханическая система преобразователя состоит, по меньшей мере, из двух акустических излучателей, располагаемых в разных точках жидкой среды.
Известна ультразвуковая стиральная машина [Patent US 5432969] принятая за прототип, которая содержит корпус, ультразвуковой генератор, работающий в течение стирки и полоскании на одной или нескольких фиксированных частотах 1-50 кГц и более, несколько стационарных ультразвуковых (магнитострикционных или пьезокерамических) излучателей, установленных с наружным креплением на корпусе его стенок напротив друг друга со смещением, блок управления и контроля.
Недостатком устройства является невысокая эффективность стирки, так как пьезоэлемент не позволяет передать в жидкость требуемую для качественной стирки интенсивность ультразвукового поля.
Ни в одной из упомянутых конструкций не решается проблема повышения уровня интенсивности акустического излучения в устройстве ультразвуковой стирки за счет эффекта сверхфокусировки акустического излучения.
h
Диаметр пятна Эйри  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,
D
F
где λ - длина волны излучения,  - диаметр первичного зеркала или линзы,  - фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.
h
Диаметр пятна Эйри  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. Максимальный поперечный размер области фокусировки для идеальной фокусирующей системы не может превышать величины λ.
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].
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 [T. Miyashita and C. 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 О.В. 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. H. Lopes, M. A. B. Andrade, J. P. Leão-Neto, J. C. 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 О.В. 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.
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, лежащем 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 настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно расширение арсенала технических средств, используемых в конструкции ультразвуковых стиральных машин и повышение интенсивности акустического излучения.
Указанная задача решена благодаря тому, что в ультразвуковой стиральной машине, содержащей корпус, ультразвуковой генератор, работающий в течение стирки и полоскании на одной или нескольких фиксированных частотах 1-50 кГц и более, несколько стационарных ультразвуковых излучателей, установленных с наружным креплением на корпусе его стенок напротив друг друга со смещением, блок управления и контроля новым является то, что непосредственно перед излучающей поверхностью ультразвукового излучателя установлены одна либо несколько мезоразмерных звукопроводящих частиц, с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел и с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового генератора.
Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме кубоида.
Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме шара.
Кроме того, в качестве материала мезоразмерной звукопроводящей частицы используется рексолит.
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 (рабочей) среде и со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащей 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.
Выбор размера мезоразмерной звукопроводящей частицы с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового генератора 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 ультразвуковой стирки с частицей в форме кубоида (а), в форме шара (б) и при использовании нескольких звукопроводящих мезоразмерных частиц (в).
На фиг. 2 приведен пример крепления мезоразмерной звукопроводящей частицы в форме кубоида и формирование области фокуса на его теневой стороне.
Ультразвуковое устройство для стирки содержит корпус 1, ультразвуковой генератор 2, 3 ультразвуковой излучатель, 4 блок управления и контроля, 5 мезоразмерную частицу в форме кубоида, 6 мезоразмерную частицу в форме шара, 7 несколько мезоразмерных звукопроводящих частиц, 8 область фокусировки акустического излучения (акустоструя), пример элемента крепления звукопроводящей частицы в экране 9.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Ультразвуковой генератор 2 формирует электрический сигнал который подается на ультразвуковой излучатель 23, например, пьезокерамический. В ультразвуковом излучателе 3 генерируется ультразвуковое излучение которое освещает звукопроводящую мезоразмерную частицу 5, либо 6, либо группу частиц 7. Ультразвуковой излучатель, установлен с наружным креплением на корпусе 1. Частицы 5, 6, 7 могут быть закреплены в экране 9, например, выполненного из металла. Звукопроводящая частица 5, или 6, или 7 которая фокусирует акустическое излучение в акустострую 8 с повышенным давлением, которая возникает непосредственно на теневой границе частиц 5, 6, 7, при этом достижимо пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел. В области фокусировки 8 в корпусе 1 с жидкостью, например, водой, размещено стираемое изделие.
Отделение загрязнений от изделия происходит за счет эффектов нелинейной акустики, возникающих при распространении ультразвуковых волн большой интенсивности. В процессе акустического воздействия на изделии, находящемся в воде (жидкости), формируется газожидкостная среда. В результате активного взаимодействия однородной мелкодисперсной гомогенизированной многофазной системы "газ-жидкость" (мельчайших газовых пузырьков, обладающих высокими поверхностно-активными свойствами) с загрязненным изделием частицы отделяются от волокон текстильного изделия в окружающую, активную от непрерывного вибрационного воздействия, водовоздушную мелкодисперсную гомогенизированную среду.
Таким образом, размещение непосредственно перед излучающей поверхностью ультразвукового излучателя одной либо нескольких мезоразмерных звукопроводящих частиц, с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел и с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового генератора повышает интенсивность воздействия акустическим полем на обрабатываемую жидкую среду и изделие, следовательно, обеспечивает интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.
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 частице более 0,83 формируемая акустоструя не обеспечивает эффективной концентрации акустического излучения и менее 0,5 акустоструя формируется внутри звукопроводящей частицы.
При использовании в качестве среды воду, из-за малой разницы акустического импеданса по отношению к воде и с учетом результатов [J.H. Lopes, M.A.B. 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 ингредиентов [C. Cadot, J. -F. Saillant, and B. 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/].
С
С
C
вода
вода
l
Rexolite
sRexolite
Rexolite
3
3
При моделировании использовались характеристики с типичными значениями скорости звука () и плотности (ρ) ( = 1500 м/с и ρ = 1000 кг/м). Для Rexolite продольная скорость звука  = 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. Leão-Neto, I. V. Minin, O. 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].
Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 40 кГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с) и звукопроводящей частицей из рексолита (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0,645, формы частиц шар, кубоид с характерным размером 1,5λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнуто повышение интенсивности акустического излучения в области фокусировки в 7-9.
Техническим результатом является повышение интенсивности акустического излучения в ультразвуковом устройстве для стирки белья, без увеличения электрической мощности ультразвукового генератора и интенсификация отделения загрязнений от текстильных изделий.