專利名稱：用低頻高能超聲波對液體超聲的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用低頻高能超聲波對液體超聲的方法與裝置，它由一個 低頻高能超聲波系統(tǒng)組成，其具有至少一個超聲波探頭，伸出在一個反應(yīng)器容 器中，液體經(jīng)至少一個入口孔和至少一個出口孔流經(jīng)該容器。
背景技術(shù)：
低頻高能超聲波(NFLUS)是工作頻率為15 100kHz，優(yōu)選地為15 60kHz，比如20kHz，和超聲波功率為10W以上，優(yōu)選地為100~20,000W，比 如8，000W的超聲波。為產(chǎn)生超聲波，要應(yīng)用比如壓電或磁致系統(tǒng)。已知有線 性的聲轉(zhuǎn)換器，以及扁平的或弧形的板式振動器或管式諧振器。低頻高能超聲 波大量應(yīng)用在液體處理方面，如食品、化妝品、顏料和納米材料。低頻高能超 聲波對被處理液體的作用主要基于在液體中產(chǎn)生的空化現(xiàn)象(cavitation)。通 過使液體超聲，可產(chǎn)生空化。空化已知能使超聲波探頭表面磨損，該表面(傳 播振動的超聲波探頭表面)用于將大振幅振動在液體介質(zhì)中傳播。這種超聲波 探頭材料比如鈦的銷蝕材料被釋放在發(fā)聲液體中。該磨損因此導致更換超聲波 探頭的成本和被超聲液體的早污染。為減少或抑止這種材料銷蝕和磨損，已經(jīng)采用了不同的方法。 根據(jù)DE 199 38 254.9，在一個用低頻高能超聲波產(chǎn)生聲波的反應(yīng)器容器 中產(chǎn)生一個壓力，該壓力完全或不斷地抑止在該反應(yīng)器容器中的空化。由此將 極大地或完全避免磨損和材料銷蝕。同樣也可極大地或完全避免空化對液體的 影響。根據(jù)DE 10 2004 025 836 Al已知有一種方法，用它能夠自身借助于超聲 波探頭和被超聲介質(zhì)之間的一個層來極大地或完全避免空化對傳播振動的超 聲波探頭表面的磨損。但該法也對傳播振動的層產(chǎn)生磨損，由此便要求對該層 更換/補充。還有一種方法將低頻高能超聲波聚焦在一個區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域遠離傳播振動的超聲波探頭表面。這種方法的缺點是用于聚焦超聲波的裝置增加了體積。由于比如聲音波長在20kHz時在水中為60~80mm，而一個透鏡的合理尺寸至 少為該波長的10倍，這樣一個用來聚焦超聲波的透鏡的直徑就要大于600mm。 此外，空化對聲場有干擾。可以將低頻高能超聲波導入一種耦合液，比如水中，關(guān)于這一點請參看 DE 102 43 837.4。該液體將振動傳播到一個容器壁，比如玻璃，在其相對的一 側(cè)是要超聲的液體。由此造成效率損耗，且因此造成超聲強度降低。在振動容 器壁上也造成磨損/銷蝕。采用對聲波傳播表面涂覆和表面硬化處理可減緩或避免磨損。但涂覆是 昂貴的，且其功效受時間的限制。此外，涂覆的材料在液體中也會產(chǎn)生銷蝕。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的任務(wù)是提供一種方法和與之相關(guān)的裝置，用它能夠?qū)⒃趥鞑フ?動的超聲波探頭表面的近區(qū)域中作用在傳播振動的超聲波探頭表面上的空化 作用，以及由此引起的傳播振動的超聲波探頭表面的磨損量降低50%以上直至 完全抑止掉。本發(fā)明的任務(wù)是由權(quán)利要求第1、 9、 14和22條所述的特征來解決的。 有目的的配置形式是從屬權(quán)利的內(nèi)容。根據(jù)本發(fā)明，在反應(yīng)器容器內(nèi)部的傳播振動的超聲波探頭表面的近區(qū)域 中產(chǎn)生一個接近或高于壓力/幅值特性曲線的壓力/幅值組合，用它來極大地或 完全抑止空化，且在反應(yīng)器容器的其他區(qū)域內(nèi)至少隨區(qū)域地，和至少隨時間地 產(chǎn)生一個低于壓力/幅值特性曲線的壓力/幅值組合，由此來產(chǎn)生空化。在如水或油，以及乳濁液、懸濁液或彌散液中形成空化，在給定的溫度， 比如20。C，和給定的聲頻率，比如20kHz條件下，則取決于振動幅值A(chǔ)和液 體壓力p。對每個給定的振動幅值A(chǔ)，在上述條件下均有一個最高液體壓力 pmax(A)，在它之上能夠完全抑止空化的產(chǎn)生，因為在p〉pmax(A)時，液體被 壓在傳播振動的超聲波探頭表面上，這樣便不能出現(xiàn)局部真空氣泡。與此相反， 對每個液體壓力p均有一個最小振動幅值A(chǔ)min(p)，在低于它時不可能產(chǎn)生空 化。一種按照本方法工作的裝置根據(jù)本發(fā)明的一個第一變型如下地配置，即將入口孔配置成使液體直接撞擊在傳播振動的超聲波探頭表面上，在傳播振動 的超聲波探頭表面的近區(qū)域中支配有一個接近或高于壓力/幅值特性曲線的壓 力，由此來極大地降低或完全抑止空化。根據(jù)本發(fā)明的一個第二變型，將反應(yīng)器容器的截面通過至少一種收縮部 如下地減少，使得在傳播振動的超聲波探頭表面上產(chǎn)生一個近區(qū)域，其中支配 有一個接近或高于壓力/幅值特性曲線的壓力，由此來極大地降低或完全抑止 空化。根據(jù)本發(fā)明的另一個變型，將反應(yīng)器容器的工作截面積根據(jù)到傳播振動 的超聲波探頭表面的距離設(shè)計成逐段連續(xù)地或逐級地減小。這樣一種裝置可以單級或多級串聯(lián)配置，也可用不同的變型組合而成。 同樣在可能條件下也可將單個零件多重配置，比如像噴嘴和/或超聲波探頭和/ 或入口和/或出口。多個超聲波探頭在這里可平行或相對配置，或一起對準在 一個空化區(qū)上。超聲波探頭也可分散配置或傾斜地布置在空化區(qū)上。同樣也可 將超聲波探頭振動解耦地支承，并密封地伸出在反應(yīng)器容器中。也可考慮使用 非平面的超聲波探頭，比如凹形或凸形的。另外，出口可側(cè)向配置或放置在超聲波探頭對面。 一個出口可另外配備 一個節(jié)流閥，比如一個針閥或一個球閥。節(jié)流閥可以人工或自動調(diào)節(jié)。而且， 入口壓力或流速可以人工或自動調(diào)節(jié)。這樣，噴嘴距離和/或噴嘴孔也就可以 被調(diào)節(jié)了。在反應(yīng)器容器中的一個附件也可設(shè)計成可調(diào)或可控的。這種調(diào)節(jié)可 根據(jù)反應(yīng)器容器中的壓力或空化的形成的效率來進行。噴嘴可用耐空化的材料制成或做相應(yīng)的涂覆。同樣也可對超聲波探頭或 反應(yīng)器容器這樣做，后者在一定條件下僅僅在其變窄的位置上進行處理。反應(yīng)器容器的長度可以調(diào)整到與諧振波長匹配。供運的泵可以比如是一個齒輪泵或一個離心泵。上述措施也適用于板式振蕩器、圓形動圈式振子(rotary immersion vibrator)、板形動圈式振子(plate-type immersion vibrator)，禾口振動盤。根據(jù)本發(fā)明的措施具有如下的優(yōu)點，直接在傳播振動的超聲波探頭表面 上沒有或只有減少得很小的空化，而在反應(yīng)器容器的其他過程中，則能對液體 產(chǎn)生有效的空化。對傳播振動的超聲波探頭表面的磨損也因此能得到有效的衰 減或完全抑止。


以下根據(jù)多個實施例對本發(fā)明做詳細介紹。附圖中圖1為根據(jù)反應(yīng)器容器壓力和超聲波探頭的振幅產(chǎn)生的空化；圖2為根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一變型；圖3為類似于圖2的變型；圖4為根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二變型；圖5為類似于圖4的變型；圖6為根據(jù)本發(fā)明的裝置的另外一個變型；圖7為類似于圖6的變型。
具體實施方式
圖l示出液體壓力pmax(A)過程，經(jīng)過它能夠完全抑止空化的產(chǎn)生，因 為在p〉pmax(A)時，液體被壓在傳播振動的超聲波探頭表面上，這樣便不能 出現(xiàn)局部真空氣泡。與此相反，對每個液體壓力p均有一個最小振動幅值 Amin(p)，在低于它時不可能產(chǎn)生空化。最大液體壓力pmax(A)和最小振動幅 值A(chǔ)min(p)可對不同液體通過經(jīng)驗來確定?？梢员热鐚鞑フ駝拥某暡ㄌ筋^ 表面上的空化銷蝕或高頻超聲波反射用作為測量值。后者用于在空化氣泡發(fā)生 爆破時產(chǎn)生兆赫級的振動。通過根據(jù)本發(fā)明的對在傳播振動的超聲波探頭表面不同距離D處的振動 幅值A(chǔ)的改變，或通過對在傳播振動的超聲波探頭表面不同距離D處的液體 壓力p的改變，或通過結(jié)合上述兩種改變，可以極大地減小或完全抑止在上述 的近區(qū)域中產(chǎn)生空化，而在該近區(qū)域之外的聲場中則能夠產(chǎn)生處理液體的空 化。為此，在近區(qū)域中選擇液體壓力p接近pmax(A)，亦即p〉0.7女pmax(A)， 或高于pmax(A)，或者選擇振動幅值A(chǔ)接近Amin(p)，亦即A< 1.3 * Amin(p)， 或低于Amin(p)。在近區(qū)域之外的聲場中，液體壓力低于pmax(A)，或?qū)⒎?升高至高于Amin(p)。近區(qū)域包括傳播振動的超聲波探頭表面之前的0 50mm的距離D，優(yōu)選 地為0 10mm，比如在0 2mm區(qū)域中。對在傳播振動的超聲波探頭表面不同距離D處的振動幅值A(chǔ)的改變和對在傳播振動的超聲波探頭表面不同距離D處的液體壓力p的改變，以及通過 結(jié)合上述兩種改變，可以通過比如圖2 圖7中的裝置來實現(xiàn)。 這些裝置利用下述原理 在傳播振動的超聲波探頭表面的近區(qū)域中增加壓力，示出于圖2和3中。 在傳播振動的超聲波探頭表面近區(qū)域以外的反應(yīng)器中減小截面積，示出于圖4和5中。 在傳播振動的超聲波探頭表面近區(qū)域以外通過介質(zhì)來增加幅值，示出于圖6和7中。也可以將上述幾種原理組合起來使用。圖2 圖7中的所有變型總起來是低頻高能超聲波系統(tǒng)2的一種超聲波 探頭l，它的傳播振動的超聲波探頭表面3伸出到反應(yīng)器容器5中。介質(zhì)的注 入通過一個合適的孔4來進行。在反應(yīng)器容器5中，通過超聲波探頭1的工作 來形成一個聲場6。在低頻高能超聲波系統(tǒng)2的視圖旁是壓力p隨傳播振動的超聲波探頭表 面3的距離D的變化過程。圖2示出一種裝置，用它通過孔4注入介質(zhì)，孔在這里是環(huán)形噴嘴，從 而將傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中的壓力p升高至值pl，由此在那 些地方可以極大地降低或完全抑止掉空化。在傳播振動的超聲波探頭表面3 的近區(qū)域之外，壓力p下降至值p2，由此在聲場6中產(chǎn)生空化。該裝置用工作頻率15 100kHz，優(yōu)選地為15 30kHz，比如20kHz的低 頻高能超聲波工作。為此，超聲波的聲功率為50~20，000W，優(yōu)選地為100~20,000W，比如 8,000W。在傳播振動的超聲波探頭表面3上使用的振動幅值為0 20(Him，優(yōu) 選地為10~100pm，比如10pm，來將超聲波傳播給液體。振動的超聲波探頭1 相對于反應(yīng)器容器5用一個壓力密封圈，比如O型環(huán)，和一個振動解耦的法 蘭來密封住。 一個反應(yīng)器容器5具有0 50L的容量，優(yōu)選地為1 10L，比如 5L。反應(yīng)器容器5可以用不同材料制成，優(yōu)選地為鋼、鋁和精煉金屬，比如不 銹鋼。介質(zhì)可以是從高黏性液體到低黏性液體，優(yōu)選地為低黏性液體，比如水或油，所述介質(zhì)通過一個合適的孔4，優(yōu)選地為噴嘴，比如在反應(yīng)器壁上部區(qū) 域的一個高壓噴嘴、導管或?qū)ｉT通道，被導入反應(yīng)器容器5中，且被導向到傳播振動的超聲波探頭表面3。通過讓介質(zhì)以一個5° 90 °的角度，優(yōu)選地為 20° 80°，比如45°，以及以一個接近或高于pmax(A)的壓力p撞擊在傳播 振動的超聲波探頭表面3上，則能夠極大地減少或完全抑止掉在傳播振動的超 聲波探頭表面3的近區(qū)域中的空化產(chǎn)生。壓力p能夠比如在lOpm的振幅時為 20bar。所選超聲波探頭1優(yōu)選地以對應(yīng)于的長度伸出到反應(yīng)器容器5內(nèi)， 比如60mm。通過在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域之外的反應(yīng)器容器5中降 低壓力，則可使得不達到值pmax(A)，就能夠在傳播振動的超聲波探頭表面3 的近區(qū)域之外的反應(yīng)器容器5中產(chǎn)生空化。比如，可讓傳播振動的超聲波探頭 表面3的近區(qū)域之外的壓力降至1.5bar，這樣在10pm的振幅時，在水中便能夠 產(chǎn)生空化。被超聲的介質(zhì)被排出到反應(yīng)器容器5的下部，優(yōu)選地排出到側(cè)壁上 或底部，比如在底部中央上。以壓力p2排出介質(zhì)可以是控制的，也可以是非 控制的，比如是控制的，以便能以壓力p來將入流接收到小室中。在近區(qū)域之 內(nèi)或之外的介質(zhì)值可以經(jīng)不同的傳感器，比如壓力傳感器來接收、求值和用于 過程優(yōu)化。這種應(yīng)用可以用在反應(yīng)器容器5中的任意數(shù)量的超聲波探頭1，比如用 單個超聲波探頭1，優(yōu)選地為1 5個超聲波探頭1來實現(xiàn)。泵壓力可以根據(jù)所需壓力pmax(A)并通過對泵的選擇，比如用一個可控 的齒輪泵來形成。圖3示出一種裝置，用它通過合適地導入介質(zhì)，在這里是作為中央噴嘴 7來形成的，可將壓力p在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中提高到值 p3，從而在該區(qū)域中極大地減少或完全避免空化。讓傳播振動的超聲波探頭表 面3的近區(qū)域之外的壓力p降至值p4，由此在聲場6中產(chǎn)生空化。該裝置用工作頻率15 100kHz，優(yōu)選地為15 30kHz，比如20kHz的低 頻高能超聲波工作。為此，超聲波的聲功率為50 20,000W，優(yōu)選地為100~20,000W，比如 8,000W。在傳播振動的超聲波探頭表面3上使用的振動幅值為0 200^im，優(yōu) 選地為10 100jam，比如20pm，來將超聲波傳播給液體。振動的超聲波探頭1相對于反應(yīng)器容器5用一個壓力密封圈，比如O型環(huán)，和一個振動解耦的法蘭來密封住。 一個反應(yīng)器容器5具有0 50L的容量，優(yōu)選地為1 10L，比如 5L。反應(yīng)器容器5可以用不同材料制成，優(yōu)選地為鋼、鋁、精煉金屬或陶瓷。介質(zhì)可以是從高黏性液體到低黏性液體，優(yōu)選地為低黏性液體，比如油， 通過一個噴嘴，比如一個高壓噴嘴、導管或?qū)ｉT通道，通過反應(yīng)器底部，被導 入到傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域。通過讓介質(zhì)以一個自由選擇的角 度，比如90°，以及以一個接近或高于pmax(A)的壓力p撞擊在傳播振動的超 聲波探頭表面3上，則能夠在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中極大地 減少或完全抑止掉空化產(chǎn)生。探頭1優(yōu)選地以一個對應(yīng)于A/4的長度伸出到反應(yīng)器容器5內(nèi)，比如 60mm。通過在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域之外的反應(yīng)器容器5中降 低壓力，則可使得不達到值pmax(A)，就能夠在聲場6中的反應(yīng)器容器5中產(chǎn) 生空化。反應(yīng)器容器5中的壓力p比如在近區(qū)域之外的反應(yīng)器容器中可以是 5bar。被超聲的介質(zhì)被排出到反應(yīng)器容器5的下部，優(yōu)選地排出到側(cè)壁上或底 部，比如分散在底部上。介質(zhì)以壓力p4排出可以是控制的，也可以是非控制 的，比如是控制的，以便能以壓力p來將入流接收到小室中。在近區(qū)域之內(nèi)或 之外的介質(zhì)值可以經(jīng)不同的傳感器，比如壓力傳感器來接收、求值和用于過程 優(yōu)化。這種應(yīng)用可以用在反應(yīng)器容器5中的任意數(shù)量的超聲波探頭1，比如用 單個超聲波探頭1，優(yōu)選地為1 5個超聲波探頭1來實現(xiàn)。圖4示出裝置的另一種變型，用它在流經(jīng)的液體中，通過在近區(qū)域之外 的截面收縮，在聲場6中產(chǎn)生壓降，這樣在該位置上產(chǎn)生空化，而在傳播振動 的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中可以極大地降低或完全抑止掉空化。該裝置用工作頻率15 100kHz，優(yōu)選地為15 30kHz，比如19kHz的低 頻高能超聲波工作。為此，超聲波的聲功率為50 20,000W，優(yōu)選地為100~20，000W，比如 8,000W。在傳播振動的超聲波探頭表面3上使用的振動幅值為0 200imi，優(yōu) 選地為10 100pm，比如20pm，來將超聲波傳播給液體。振動的超聲波探頭1相對于反應(yīng)器容器5用一個壓力密封圈，比如O型環(huán)，和一個振動解耦的法蘭來密封住。 一個圓柱形反應(yīng)器容器5具有0~50L的容量，優(yōu)選地為1 10L， 比如5L。反應(yīng)器容器5可以用不同材料制成，優(yōu)選地為鋼、鋁、精煉金屬， 比如鈦。在反應(yīng)器容器5的內(nèi)部，中央或非中央地配置有一個截面收縮部8， 在液體流過時根據(jù)文丘里原理能產(chǎn)生一個局部壓降。截面收縮部8的尺寸、形 狀和高度在反應(yīng)器容器5中可以變化。介質(zhì)可以是從高黏性液體到低黏性液 體，優(yōu)選地為低黏性液體，比如顏料，通過一個合適的孔4，優(yōu)選地為一個噴 嘴，比如一個標準噴嘴、導管或?qū)ｉT通道，被導入到傳播振動的超聲波探頭表 面3的近區(qū)域中的反應(yīng)器壁的上部。通過以一個接近或高于pmax(A)的壓力p 導入介質(zhì)，則能夠在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中極大地減少或完 全抑止掉空化產(chǎn)生。探頭1優(yōu)選地以對應(yīng)于A74的長度伸出到反應(yīng)器容器內(nèi)，比如60mm。通過反應(yīng)器容器5內(nèi)部的截面收縮部8，介質(zhì)在到達最小直徑之前就已 經(jīng)積聚在截面收縮部8上。反應(yīng)器容器5內(nèi)部的壓力p在該點之上太高，以至 于不能形成介質(zhì)的空化。傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域因此有一個極 大地降低的空化或者根本沒有空化。在截面收縮部8之下，根據(jù)文丘里原理有 一個松弛，亦即通過介質(zhì)的松弛產(chǎn)生一個壓降，由此能夠產(chǎn)生空化。壓力p 在該區(qū)域則低于值pmax(A)。被超聲介質(zhì)被排出在反應(yīng)器容器5的下部，優(yōu)選 地在下部中央或在圓柱形反應(yīng)器容器5的下側(cè)壁上。介質(zhì)排出可以是控制的， 也可以是非控制的，比如是控制的，以便能以壓力p來將入流接收到小室中。 在近區(qū)域之內(nèi)或之外的介質(zhì)值可以經(jīng)不同的傳感器，比如壓力傳感器來接收、 求值和用于過程優(yōu)化。這種應(yīng)用可以用在反應(yīng)器容器5中的任意數(shù)量的超聲波探頭1，比如用 單個超聲波探頭1，優(yōu)選地為1~5個超聲波探頭1來實現(xiàn)。只要在傳播振動的 超聲波探頭表面3的近區(qū)域之外產(chǎn)生一個由文丘里原理引起的局部壓降，也可 以在截面收縮部8的相對于超聲波探頭1的距離上將流動方向顛倒過來。圖5示出一個類似裝置，用它在流經(jīng)的液體中，通過在近區(qū)域之外的截 面收縮部8，在聲場6中產(chǎn)生一個壓降，這樣在該位置上產(chǎn)生空化，而在傳播 振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中可以極大地降低或完全抑止掉空化。通過 一個附加的內(nèi)置節(jié)流閥9，能產(chǎn)生一個靜反壓，能得到超聲波探頭1的更高機械振動幅值。該裝置用工作頻率15 100kHz，優(yōu)選地為15 30kHz，比如17kHz的低頻高能超聲波工作。為此，超聲波的聲功率為50~20，000W，優(yōu)選地為100~20,000W，比如 16,000W。在傳播振動的超聲波探頭表面3上使用的振動幅值為0 200pm，優(yōu) 選地為10 10(^m，比如15pm，來將超聲波傳播給液體。振動的超聲波探頭1 相對于反應(yīng)器容器5用一個壓力密封圈，比如O型環(huán)，和一個振動解耦的法 蘭來密封住。 一個圓柱形的、其端部為錐形的反應(yīng)器容器5具有0 50L的容 量，優(yōu)選地為1 10L，比如3L。反應(yīng)器容器5可以用不同材料制成，優(yōu)選地 為鋼、鋁、精煉金屬或玻璃。在反應(yīng)器容器5的內(nèi)部，中央或非中央地配置有 一個截面收縮部8，在液體流過時根據(jù)文丘里原理能產(chǎn)生一個局部壓降。截面 收縮部8的尺寸、形狀和高度在反應(yīng)器容器5中可以變化。介質(zhì)可以是從高黏 性液體到低黏性液體，優(yōu)選地為低黏性液體，比如菜籽油，通過一個合適的孔 4，優(yōu)選地為一個噴嘴，比如一個標準噴嘴、導管或?qū)ｉT通道，被導入到傳播 振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中的反應(yīng)器壁的上部。通過以一個接近或高 于pmax(A)的壓力p導入介質(zhì)，則能夠在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū) 域中極大地減少或完全抑止掉空化產(chǎn)生。選擇的探頭l以一個比如對應(yīng)于X/4 的長度伸出到反應(yīng)器容器5內(nèi)，比如60mm。通過反應(yīng)器容器5內(nèi)部的截面收縮部8，介質(zhì)在到達最小直徑之前已經(jīng) 積聚在截面收縮部8上。反應(yīng)器容器5內(nèi)部的壓力p在該點之上太高，以至于 不能形成介質(zhì)的空化。傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域因此有一個極大 地降低的空化或者根本沒有空化。在截面收縮部8之下，根據(jù)文丘里原理有一 個松弛，亦即通過介質(zhì)的松弛產(chǎn)生一個壓降，由此能夠產(chǎn)生空化。壓力p在該 區(qū)域則低于值pmax(A)。被超聲介質(zhì)被排出在反應(yīng)器容器5的下部，優(yōu)選地在 下部中央或在圓柱形反應(yīng)器容器5的下側(cè)壁上。介質(zhì)排出可以是控制的，也可 以是非控制的，比如是控制的，以便能以壓力p來將入流接收到小室中。在近 區(qū)域之內(nèi)或之外的介質(zhì)值可以經(jīng)不同的傳感器，比如壓力傳感器來接收、求值 和用于過程優(yōu)化。通過一個附加的內(nèi)置節(jié)流闊9，能產(chǎn)生一個靜反壓，能得到 超聲波探頭1的更高機械幅值。這種應(yīng)用可以用在反應(yīng)器容器5中的任意數(shù)量 的超聲波探頭1，比如用單個超聲波探頭1，優(yōu)選地為1~5個超聲波探頭1來實現(xiàn)。只要在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域之外產(chǎn)生一個由文丘里原 理引起的一個局部壓降，也可以在截面收縮部8的相對于超聲波探頭1的距離 上將流動方向顛倒過來。圖6示出裝置的另一變型，其中通過對反應(yīng)器尺寸做合適的設(shè)計，此處設(shè)計為錐形的反應(yīng)器容器5，便能夠在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域之外產(chǎn)生介質(zhì)的一個連續(xù)幅值提高，這樣在該處可以極大地減小或完全抑止空化，而在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域之外的聲場中則能夠產(chǎn)生空 化。反應(yīng)器容器的長度因此優(yōu)選地為nl(液體)/2(n31)，此處為41(液體)/2。 流向和流速在慢流介質(zhì)情況下是不重要的。個別情況下可以不采取通流。反應(yīng) 器5的一種優(yōu)選形式為比如截面積采取指數(shù)形式或階梯變化形式。該裝置用工 作頻率15 100kHz，優(yōu)選地為15 30kHz，比如20kHz的低頻高能超聲波工 作。為此，超聲波的聲功率為50 20，000W，優(yōu)選地為100~20,000W，比如 8,000W。在傳播振動的超聲波探頭表面3上使用的振動幅值為0 200(im，優(yōu) 選地為10 10(Him，比如20pm，來將超聲波傳播給液體。振動的超聲波探頭1 相對于反應(yīng)器容器5用一個壓力密封圈，比如O型環(huán)，和一個振動解耦的法 蘭來密封住。反應(yīng)器容器5具有0 50L的容量，優(yōu)選地為1 10L，比如4L。 反應(yīng)器容器5可以用不同材料制成，優(yōu)選地為鋼、鋁、精煉金屬，比如鎳基合 金(Hastdoy)?？梢栽诜磻?yīng)器底部方向上以不同角度形成截錐體形狀，優(yōu)選 地以一個銳角，比如15°。介質(zhì)可以是從高黏性液體到低黏性液體，優(yōu)選地為 低黏性液體，比如柴油，通過一個合適的孔4，優(yōu)選地為一個噴嘴，比如一個 標準噴嘴、 一個導管或?qū)ｉT通道，被導入到傳播振動的超聲波探頭表面3的近 區(qū)域中的反應(yīng)器壁的上部。通過以一個空化產(chǎn)生所需的壓力以下的介質(zhì)壓力p 來導入介質(zhì)，則能夠在傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中極大地減少或 完全抑止掉空化產(chǎn)生。所選探頭1優(yōu)選地以對應(yīng)于A74的長度伸出到反應(yīng)器容 器5內(nèi)，比如60mm。通過對反應(yīng)器做結(jié)構(gòu)形式限定的截面更新，則可在傳播振動的超聲波探 頭表面3的近區(qū)域之外根據(jù)不同面積將振幅值提高到Amin(p)以上，比如提高 10倍。在該區(qū)域只能產(chǎn)生空化。該值可以以A/2的步距提升。為此能在反應(yīng)器 容器5中產(chǎn)生單個或多個空化區(qū)域。空化區(qū)域的數(shù)量、形狀和大小受結(jié)構(gòu)形式 所限。被超聲介質(zhì)被排出在反應(yīng)器容器5的下部，優(yōu)選地在截錐形的反應(yīng)器容器5的下部中央。介質(zhì)排出可以是控制的，也可以是非控制的，比如是控制的， 以便能以壓力P來將入流接收到小室中。在近區(qū)域之內(nèi)或之外的介質(zhì)值可以經(jīng) 不同的傳感器，比如壓力傳感器來接收、求值和用于過程優(yōu)化。這種應(yīng)用可以 用在反應(yīng)器容器5中的任意數(shù)量的超聲波探頭1，比如用單個超聲波探頭1， 優(yōu)選地為1~5個超聲波探頭1來實現(xiàn)。圖7示出一個類似于圖6的裝置，僅僅是反應(yīng)器容器5采取不同的結(jié)構(gòu)。 其中在一個圓柱形的反應(yīng)器容器5中有一個錐體10。該裝置用工作頻率15 100kHz，優(yōu)選地為15 30kHz，比如20kHz的低頻高能超聲波工作。為此， 超聲波的聲功率為50 20,000W，優(yōu)選地為100~20，000W，比如8，000W。在傳 播振動的超聲波探頭表面3上使用的振動幅值為0~200|am，優(yōu)選地為 10 100fim，比如10(im，來將超聲波傳播給液體。振動的超聲波探頭1相對于 反應(yīng)器容器5用一個壓力密封圈，比如O型環(huán)，和一個振動解耦的法蘭來密 封住。反應(yīng)器容器5具有0 50L的容量，優(yōu)選地為1 10L，比如5L。反應(yīng)器 容器5可以用不同材料制成，優(yōu)選地為鋼、鋁、精煉金屬或聚合物。錐體IO 中心配置在反應(yīng)器容器5的內(nèi)部，所述反應(yīng)器容器5由不同材料制成，優(yōu)選地 為金屬、非金屬或陶瓷。錐體10尖角沿傳播振動的超聲波探頭表面3的方向 變化，優(yōu)選地為5° 30°的一個角度，比如15°。由此能隨超聲波探頭1的距離 D的增加產(chǎn)生一個截面縮小，在對應(yīng)的配置情況下能在流體介質(zhì)中產(chǎn)生幅值增 強效果。介質(zhì)可以是從高黏性液體到低黏性液體，優(yōu)選地為低黏性液體，比如 乳濁液，通過一個合適的孔4，優(yōu)選地為一個噴嘴，比如一個標準噴嘴、導管 或?qū)ｉT通道，被導入到傳播振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中的反應(yīng)器壁的 上部。流動方向和流速在慢流介質(zhì)時是不重要的。個別情況下可不采取通流。 通過以一個空化產(chǎn)生所需的壓力以下的介質(zhì)壓力p來導入介質(zhì)，則能夠在傳播 振動的超聲波探頭表面3的近區(qū)域中極大地減少或完全抑止掉空化產(chǎn)生。所選 探頭1優(yōu)選地以對應(yīng)于的長度伸出到反應(yīng)器容器內(nèi)，比如60mm。通過對 反應(yīng)器做結(jié)構(gòu)形式限定的截面更新，則可在傳播振動的超聲波探頭表面3的近 區(qū)域之外根據(jù)面積將振幅值提高到Amin(p)以上，比如提高10倍。在該區(qū)域 只能產(chǎn)生空化。該值可以以X/2的步距提升。為此能在反應(yīng)器容器5中產(chǎn)生單 個或多個空化區(qū)域?？栈瘏^(qū)域的數(shù)量、形狀和大小受結(jié)構(gòu)形式所限。被超聲介 質(zhì)被排出在反應(yīng)器容器5的下部，優(yōu)選地在截錐形反應(yīng)器容器5的底部中央上。介質(zhì)排出可以是控制的，也可以是非控制的，比如是控制的，以便能以壓力p 來將入流接收到小室中。在近區(qū)域之內(nèi)或之外的介質(zhì)值可以經(jīng)不同的傳感器， 比如壓力傳感器來接收、求值和用于過程優(yōu)化。這種應(yīng)用可以用在反應(yīng)器容器 5中的任意數(shù)量的超聲波探頭1，比如用單個超聲波探頭l，優(yōu)選地為1~5個超 聲波探頭1來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種通過低頻高能超聲波系統(tǒng)用低頻高能超聲波來超聲液體的方法，該低頻高能超聲波系統(tǒng)具有至少一個超聲波探頭，伸出到一個反應(yīng)器容器中，液體經(jīng)至少一個入口孔和至少一個出口孔流過該反應(yīng)器容器，其特征為在反應(yīng)器容器內(nèi)部的傳播振動的超聲波探頭表面的近區(qū)域中產(chǎn)生一個接近或高于壓力/幅值特性曲線的壓力/幅值組合，用它來極大地或完全抑止空化，且在反應(yīng)器容器的其他區(qū)域內(nèi)至少隨區(qū)域地和至少隨時間地產(chǎn)生一個低于壓力/幅值特性曲線的壓力/幅值組合，由此來產(chǎn)生空化。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為在傳播振動的超聲波探頭表面 的近區(qū)域中的壓力通過反應(yīng)器容器中流動液體升高的壓力來產(chǎn)生。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征為在傳播振動的超聲波探頭 表面的近區(qū)域中的壓力通過減小反應(yīng)器容器的區(qū)域中的工作內(nèi)截面來保持。
4. 如權(quán)利要求1 3之一所述的方法，其特征為在液體流動方向上沿著 到超聲波探頭表面的距離通過改變反應(yīng)器容器的截面積來改變液體壓力。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征為截面積多重地逐段變小。
6. 如權(quán)利要求1 3之一所述的方法，其特征為在傳播振動的超聲波探 頭表面的近區(qū)域之外，液體壓力隨時間不連續(xù)地，比如有間隔地加以改變。
7. 如權(quán)利要求1 5之一所述的方法，其特征為在液體流動方向上沿著 到超聲波探頭表面的距離通過改變反應(yīng)器容器的截面積來改變超聲波輸入的 振動幅值。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征為反應(yīng)器容器的截面積連續(xù)變小。
9. 一種用低頻高能超聲波來超聲液體的裝置，包括一個有至少一個超聲 波探頭(1)的低頻高能超聲波系統(tǒng)(2)，該超聲波探頭(1)伸出到反應(yīng)器 容器(5)中，液體經(jīng)至少一個入口孔(4)和至少一個出口孔流過該反應(yīng)器容器，其特征為入口孔(4)配置成讓液體直接撞擊在傳播振動的超聲波探頭表面(3)上， 且構(gòu)造成在傳播振動的超聲波探頭表面(3)的近區(qū)域中支配有一個接近或高 于壓力/幅值特性曲線的壓力(p)，由此來極大地降低或完全抑止空化。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征為入口孔(4)用一個環(huán)形噴嘴來實現(xiàn)。
11. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征為入口孔(4)用一個中央噴嘴(7) 來實現(xiàn)。
12. 如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征為中央噴嘴(7)配置成與超聲波探頭表面(3)垂直。
13. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征為入口孔(4)由一個側(cè)向?qū)χ?超聲波探頭表面(3)的噴嘴實現(xiàn)。
14. 一種用低頻高能超聲波來超聲液體的裝置，包括一個有至少一個超聲 波探頭(1)的低頻高能超聲波系統(tǒng)(2)，該超聲波探頭(1)伸出到反應(yīng)器 容器(5)中，液體經(jīng)至少一個入口孔(4)和至少一個出口孔流過該反應(yīng)器容器， 其特征為反應(yīng)器容器(5)通過至少一個截面收縮部(8)來減小，這樣在傳播振動 的超聲波探頭表面(3)上產(chǎn)生一個近區(qū)域，在該區(qū)域中支配有一個接近或高 于壓力/幅值特性曲線的壓力(p)，由此來極大地降低或完全抑止空化。
15. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征為沿著液體流動方向配置有多 個首尾相接的截面收縮部(8)。
16. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征為截面收縮部(8)逐級配置。
17. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征為截面收縮部(8)平行配置。
18. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征為截面收縮部(8)用一個濾網(wǎng) 實現(xiàn)。
19. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征為截面收縮部(8)用一個孔闌 實現(xiàn)。
20. 如權(quán)利要求15~19之一所述的裝置，其特征為截面收縮部(8)的 距離相互可調(diào)。
21. 如權(quán)利要求14 20之一所述的裝置，其特征為液體流向朝著超聲波 探頭(1)。
22. —種用低頻高能超聲波來超聲液體的裝置，包括一個有至少一個超聲 波探頭(1)的低頻高能超聲波系統(tǒng)(2),該超聲波探頭(1)伸出到反應(yīng)器 容器(5)中，液體經(jīng)至少一個入口孔(4)和至少一個出口孔流過該反應(yīng)器容器， 其特征為反應(yīng)器容器(5)的工作截面構(gòu)造成隨到超聲波探頭表面(3)的距離至少 逐段連續(xù)減小。
23. 如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征為截面積構(gòu)造成線性減小。
24. 如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征為截面積構(gòu)造成指數(shù)型減小。
25. 如權(quán)利要求22 24之一所述的裝置，其特征為截面積減小通過反 應(yīng)器(5)的形狀來實現(xiàn)。
26. 如權(quán)利要求22 24之一所述的裝置，其特征為截面積減小通過在 反應(yīng)器(5)中的一個附件(10)來實現(xiàn)。
27. 如權(quán)利要求25或26所述的裝置，其特征為截面積成錐形減小。
28. 如權(quán)利要求25或26所述的裝置，其特征為截面積成棱錐形減小。
29. 如權(quán)利要求25或26所述的裝置，其特征為截面積成逐級減小。
30. 如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征為附件(10)設(shè)計成可更換。
31. 如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征為附件(10)相對于超聲波探 頭表面(3)的距離可調(diào)。
32. 如權(quán)利要求26 31之一所述的裝置，其特征為液體流向朝著超聲波 探頭(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用低頻高能超聲波對液體超聲的方法與裝置，它由一個低頻高能超聲波系統(tǒng)組成，具有至少一個超聲波探頭，伸出在一個反應(yīng)器容器中，液體經(jīng)至少一個入口孔和一個出口孔流經(jīng)該容器。為避免在超聲波探頭上產(chǎn)生空化，建議在反應(yīng)器容器內(nèi)部一個傳播振動的超聲波探頭表面的近區(qū)域中產(chǎn)生一個接近或高于壓力/幅值特性曲線的壓力/幅值組合，用它來極大地或完全抑止空化，且在反應(yīng)器容器的其他區(qū)域內(nèi)至少隨區(qū)域地和至少隨時間地產(chǎn)生一個低于壓力/幅值特性曲線的壓力/幅值組合，由此來產(chǎn)生空化。一個相應(yīng)的裝置具有比如一個入口孔(4)，它配置成使液體直接撞擊在傳播振動的超聲波探頭表面(3)，并構(gòu)造成在傳播振動的超聲波探頭表面(3)的近區(qū)域中支配有一個接近或高于壓力/幅值特性曲線的壓力(p)。
文檔編號B01J19/00GK101257967SQ200680032550
公開日2008年9月3日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月28日
發(fā)明者哈拉爾德·希爾舍, 托馬斯·希爾舍, 霍爾格·希爾舍 申請人:希爾舍博士有限責任公司