CN102574169B - 一种用于清洁表面的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于清洁表面的装置及其方法。一种用于清洁表面的装置(2)，该装置包括：本体(4)，该本体确定了腔室(6)；进口，用于液体流入腔室；出口(14)，用于流体从腔室流出；喷嘴(14)，该喷嘴与出口连接，用于产生输出液体流，以便清洁表面；声换能器(22)，该声换能器与本体连接，以便将声能引入腔室内的液体中，从而使得声能存在于流出喷嘴的液体中；以及气泡产生器(32)，该气泡产生器用于在流出喷嘴的液体内产生气泡。

Description

一种用于清洁表面的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种清洁装置和一种清洁方法，本发明还涉及一种监测清洁的方法。

背景技术

清洁是很多研究、商业和公共服务处理的基本部分，三个明显的实例是制造、保健和实验工作。清洁通常并不简单：要清洁的物体可能很复杂，具有很多不可进入的裂隙或腔室，且可能的污染物非常危险(一个很好的实例是活组织检查内窥镜)。要清洁的物体也很可能很脆弱(这样的很好实例是沙拉和蔬菜物品、微芯片、肉、法庭材料等)或者只能承受很小水平的刮擦和损害(例如光学透镜、珠宝、名表玻璃和面或者名车面漆)。通常，可用于清洁的时间有限，因为不可避免的要使得物体在清洁后向前运动至下一处理或使用站(由于可使用的单元数目有限，如内窥镜；或者由于生产切割型面的延迟，例如在沙拉实例中)。

清洁消耗大量的水，甚至对于“天然”产品：当前，生产1吨羊毛需要使用大约500吨水。当人们考虑到医院或屠宰场的生物危险废水，或者与化工和核工厂相关的清洁时，水保护成为非常重要的关心问题。彻底清洁的要求通常与不损坏要清洁物体、不使用过多水、不由于化学物品流出而污染环境以及不使用过多能量或人力或时间的要求相矛盾。

本领域已知超声波清洁多年，通过使用“超声波清洁池”来进行，因此，惯性气穴和通过气泡回旋产生的高速液体射流将导致除去表面污染物。几十年来，在超声波清洁池中利用气穴已经提供了适用于这样用途的超声波清洁设备，即，在这些用途中具有坚固的要清洁物体(即气穴腐蚀的损害不是问题)，且要清洁的物体的尺寸足够小以便进行浸没，而且清洁并不急迫，它将需要便携式去污单元，以便提供现场清洁(由于所谓的意外污染)。在很多这样清洁的实例中，试样在进一步处理之前进行清洁，或者分散至合适介质内，作为更大工艺的一部分。然后，通过使用超声波池来方便清洁或处理。这必定涉及将合适容器浸没在池中。

清洁作用通常归因于在容器自身内产生猛烈气穴以及这些现象与所述物体的壁的相互作用。清洁作用归因于气穴事件，其中，液体的惯性在气泡动力学上有主要效果，例如，当高速液体射流由于气泡壁内旋而经过气泡并与液体或固体碰撞产生冲击波时；当在“瞬时”或“惯性”气穴事件中气泡以几乎球对称而破裂，从而在液体或高反应化学物质(例如自由基)中产生振动波时；以及当气泡云以一致方式破裂以便放大这些效应，从而比在没有云效应的情况下的预期更大时。因此，确切机构通常与“瞬时气穴”或者(更准确地说)惯性气穴相关联，其中，猛烈破裂状态导致这些极端情况的局部产生。

不过，这些超声波清洁系统可能遇到以下一个或多个问题：表面损害；较差清洁，特别是三维表面(例如裂隙)；以及不能清洁较大物体或表面。而且，将要清洁物体插入超声波清洁池可能干扰声场，这降低了它引起清洁的能力。

发明内容

本发明的目的是至少部分克服已知表面清洁处理的这些问题，特别是超声波清洁。

本发明提供了一种用于清洁表面的装置，该装置包括：本体，该本体确定了腔室；进口，用于液体流入腔室；出口，用于流体从腔室流出；喷嘴，该喷嘴与出口连接，用于产生输出液体流，以便清洁表面；声换能器，该声换能器与本体连接，以便将声能引入腔室内的液体中，从而使得声能存在于流出喷嘴的液体中；以及气泡产生器，该气泡产生器用于在流出喷嘴的液体内产生气泡。

优选是，气泡产生器包括电极，该电极用于在液体内电解产生气泡。通常，电极包括横过液体流方向延伸的一组导电金属丝。

也可选择，气泡产生器位于喷嘴内。

装置还可以包括用于气泡产生器的第一控制器，该第一控制器用于控制气泡产生器，以便产生气泡脉冲。

装置还可以包括用于声换能器的第二控制器，该第二控制器用于控制声换能器，以便产生声能脉冲。优选是，第二控制器用于间歇地开和关声换能器，以便产生声能脉冲。装置还可以包括调制器，以便提供声能脉冲的幅值或频率调制。

优选是，对第一和第二控制器进行协调，以使得气泡和声能脉冲以相互控制的时间关系来产生。

这种协调保证声音和气泡能够在要清洁的表面位置处同时出现。它们在喷嘴处的相关开/关正时能够通过考虑声音和气泡沿液体的不同行进时间来变化，以便获得这种情况，该液体可以是流体流，且这取决于在喷嘴和要清洁表面之间的液体的长度。声音以超过1km/秒的速度通过液体行进，而气泡速度与液体流速相关。一旦声音打开，它也能够进行幅值或频率调制。因此，根据该特殊优选实施例，可以协调两个效果的正时：当气泡群产生和传递给表面时，声场完全关闭。一旦气泡群到达表面，将起动声场。该声场能够连续，或者进行幅值或频率调制。

声场在气泡沿流体流行进时关闭，以便防止气泡在它们行进时合并。这是控制声音的最简单实施方案。不过，对于一些用途(例如具有很小容积的水和有合适的更高水平的表面活性剂)，可能在气泡沿流体流行进时完全不需要关闭声场，且也可以采用其它实施方案，例如将声音转换至高得多的频率。

优选是，本体包括：后壁，声换能器安装在该后壁上；以及基本锥形元件，该基本锥形元件从后壁向前延伸，以便形成它的相对较小半径端部，该相对较小半径端部与出口连通，后壁和基本锥形元件确定了从换能器朝着出口延伸的、减小半径的基本锥形腔室。基本锥形元件可以为几何锥形，或者也可选择，可以有非几何形状，例如喇叭形或钟形。基本锥形元件可以例如由蜂窝泡沫塑料或橡胶来形成。也可以使用其它材料。材料的选择通过使得锥体内的声音壁边界条件与喷嘴和液体流(一旦该液体流离开喷嘴时)中的边界条件匹配(实际上尽可能接近)而确定，以避免在锥体、喷嘴和液体流之间的强的阻抗不匹配，该强的阻抗不匹配将阻碍声能沿流体流通过。

而且，在本发明优选实施例中使用的腔室和喷嘴所采用的设计原理是在腔室内壁和喷嘴上的声音边界条件将与在液体流中产生的声音边界条件匹配(一旦它离开喷嘴时)。这里所述的实施例将产生在自由空气中的液体流，因此腔室的内壁需要进行压力释放，因此将使用压力释放材料例如蜂窝泡沫塑料或橡胶来提供这样的压力释放边界。不过，根据本发明的可选实施例，液体(例如水)清洁射流并不导入空气中，而是喷入要清洁的另一物品内(例如管，例如用于清洁狭窄内径的内窥镜)，该实施例将使用内壁条件与物品的相应声音边界条件匹配的腔室，且不需要压力释放特征。

装置还可以包括进口歧管，该进口歧管包括多个进口通道，各进口通道在进口端与进口连接，在出口端与本体和/或进口中的声隔离装置连接。

装置还可以包括用于将表面活性剂加入液体的装置。

本发明还提供了一种清洁表面的方法，该方法包括以下步骤：将来自喷嘴的液体流导向表面；包括声能和夹带在液体中的气泡的液体流流出喷嘴。

表面可以是外部表面或内部表面，例如空腔。液体流可以导向表面或导入表面附近，例如通过将液体喷射至管(例如内窥镜)或管道内部，例如饮料分配喷嘴。

该方法还包括在液体内电解产生气泡的步骤。

优选是，气泡在喷嘴的自由端内产生或者在离喷嘴的自由端一定距离处产生。例如，已经发现，当气泡产生器(例如产生气泡的电解质金属丝)定位在离喷嘴尖端很小距离(例如大约1cm)时，流体流的稳定性增加。

优选是，气泡间歇地产生。

该方法还可以包括产生声能脉冲的步骤。

而且，在脉冲中的声能可以进行频率或幅值调制。

优选是，液体流与气泡波和声能脉冲一起撞击表面，该气泡波和声能脉冲基本同时到达表面。

优选是，当液体流过从换能器伸向喷嘴的、减小半径的基本锥形腔室时，声能通过声换能器引入液体中。

这样的锥形腔室并不重要，其它腔室形状(例如恒定截面，由具有柱形管的本体形成)可以用于特定用途中。

优选是，流入腔室中的液体输入通过进口歧管而分成多个平行流，该进口歧管包括多个进口通道，各进口通道在进口端与进口连接，在出口端与腔室连接。

该方法还可以包括使得腔室的进口导管与声换能器声音隔离。

本发明还提供了一种清洁表面的方法，该方法包括以下步骤：在表面处提供气泡；以及利用调制声能来在气泡中产生表面波，以便引起气泡的非惯性破裂。

优选是，气泡和声能在液体流中引导向表面。

通常，表面包括至少一个空腔、凹口或孔，且气泡的尺寸设置成能够进入至少一个空腔、凹口和孔。

优选是，当气泡位于该至少一个空腔、凹口或孔内时，声能激励气泡表面。

优选是，气泡和声能作为脉冲引导向表面，以使得气泡和声能脉冲基本同时入射在表面上。

本发明至少部分由本发明人的发现来确定，也就是，当进行超声波清洁时，不需要产生惯性空穴的清洁。本发明的优选实施例提供了用于通过由声刺激驱动而在表面上(或者在表面内的裂隙中)采用气泡作用来获得表面清洁(去污)。这避免了在界面处的惯性破裂，因此避免了已知超声波清洁系统和方法的相关寄生腐蚀机理。不过，根据本发明的一些实施例，当要清洁的表面足够坚固时，可以选择地产生惯性气穴。

在并不由理论限制的情况下，可以认为，根据本发明的优选实施例，气泡处理的运动通过在气相中的压力来控制，这导致非惯性空穴，而不是导致惯性破裂的液体的收敛惯性。通过在气泡壁上建立表面波(有时也称为气泡形状振荡)，能够进一步提高清洁。因此，本发明的装置和方法优选是用于在远离(而不是靠近)要清洁物体的固体/液体交界面处产生气泡，然后使得它们与足以产生非惯性破裂和(当可用时)在气泡壁上的表面波的合适声波一起对着表面驱动。

不过，如上所述，对于一些特别坚固的表面，可以在表面处附加获得惯性破裂，这可以在不会过度损坏表面的情况下提供增强的清洁。

本发明的优选实施例的还一特征是通过液体流或软管/龙头输出而提供利用非惯性空穴作用的这种清洁能力，这不需要浸没，因此使得装置为便携式。这可以通过合适改变现有清洁系统来实现，当前，现有清洁系统使用软管或龙头来提供清洁流体流。本发明系统的优选实施例的这种装置与已知浸没系统相比还可以保存水和/或能量。

本发明的优选实施例能够提供这样的装置和方法，它们采用气泡在液体中的新颖激励，最终目的是表面去污。基本上，任何表面都可以根据本发明使用便携式或固定软管和龙头(例如用于法庭、尸体解剖、考古检查)来进行清洁，范围为内部或外表面表面、硬或软表面、无机物体(例如内窥镜)、有机物或活物体，包括食品(例如在莴苣上的折皱)、人的皮肤(例如在外科医生的手指甲下面)。用于去污的表面可以包括建筑物、设备、基础结构(例如屠宰场、医院病房、手术室)以及容纳于其中(人员、键盘、电话等)或在外部使用的相关物体。特别是，这些装置和方法采用气泡在交界表面处或者在孔、空腔、凹口、裂隙、管道、管或腔室中的目标激励。这些气泡表示为做有用工作，包括清洁表面和在该表面中的孔、空腔、凹口或裂隙，或者在管道、管或腔室中清洁。因此，这里提供了一种新的和有效的方法来清洁多种表面。

特别是，本发明至少部分基于本发明人的发现，即表面清洁可以通过由合适声刺激驱动的气泡振荡(包括表面波)产生来实现。还有，裂隙清洁可以通过气泡捕获于孔和其它表面特征中来实现，包括但不局限于：通过流动处理来捕获、液动力效应或者声辐射力。这些气泡振荡，并从裂隙中除去材料。这些事件的声激励可以沿流动液体流来实现。气泡群体效果可以用于允许声音通过液体向要清洁的表面传播。流动装置、几何形状、材料和气泡群体的声特征能够使得声音有效传递给要清洁的表面。因此可以使用相对较低流速，从而减小了清洁溶液的浪费。

作为用于产生气泡的附加优选机构，已经发展和利用了电化学气泡种入技术。与脉冲声激励协力产生的脉冲气泡(产生气泡群)可以在要清洁表面上产生“活性”气泡。与选择地打开和关闭的声能耦合的幅值或频率调制声场可以用于在有合适气泡群的情况下最佳化由装置传递给界面的声压。脉冲气泡产生和脉冲声激励可以独立控制，以使得喷嘴气泡产生独立于声激励脉冲的产生，且这种独立控制能够独立地改变气泡脉冲和声能脉冲，这样，在要清洁的表面处，气泡和声能脉冲能够基本同时入射在该表面上或表面附近，以便能够通过声能引起气泡在表面处或附近非惯性空穴作用而有效清洁基体。

声能的这种脉冲并不必须在脉冲之间关闭声场，而是可以通过幅值或频率调制来调制声能，它将提供由低能背景分开的高能声脉冲。

在一些实施例中，当气泡群沿流体流行进时关闭声音(以便防止由声音引起的气泡合并)，然后，一旦气泡群到达要清洁的表面，就打开声音以便提供调制声能脉冲。一旦这些气泡进行了一些清洁和开始消散在流体流中，声音将关闭，气泡在喷嘴处产生另一气泡群，且处理重复进行。

通过考虑声音沿液体流以与气泡不同的速度行进，可以进行独立控制。用于产生气泡和声音的电流供给的时刻使得保证气泡群和超声波同时到达表面。这样很关键，气泡和声音沿管的不同通过时间指示产生声音和气泡的电流的启动的时刻，这样，它们的启动可以交错(当该时刻这样指示时)。基本技术思想是利用它们沿液体流的不同通过时间来保证气泡和声能同时在要清洁的表面处出现。

此外，新的电化学技术可以用于监测由于流体流和气泡作用在表面上而进行的就地清洁的程度。本发明还包括用于通过使用靠近要清洁表面将布置的位置或者嵌入该表面内的传感器来监测清洁效果的装置。

因此，清洁装置还可以包括用于监测表面清洁的装置，该装置包括第一和第二电极，该第一和第二电极形成电化学电池，用于分别位于表面的一部分处，并通过电阻测量装置而相互连接。

本发明还提供了一种监测表面清洁的方法，该方法包括将形成电化学电池的第一和第二电极布置在要清洁表面的相应部分处，并测量它们之间的电阻。

通常，第一电极位于要清洁的空腔、凹口或孔中，第二电极位于表面的外部部分上。

优选是，该方法包括确定电阻的降低，以便表示空腔、凹口或孔的清洁。

对于本发明优选实施例的装置，喷嘴材料和形状以及驱动声频率可以选择为使得至少一个模式在液体流中并不消失。喷嘴可以设计成防止在锥形本体的声场和液体流中的声场之间的较强阻抗不匹配。对于某些用途(例如当液体流一旦离开喷嘴就由气体包围时)，特别优选(但不排他)的形式是使用恰好(或几乎)在喷嘴和/或锥形本体结构中压力释放的材料。流速和喷嘴设计可以选择为使得液体流在它到达要清洁的目标表面之前并不损失完整性(例如破碎成液滴、夹带不希望的气泡等)至阻碍声音从喷嘴向目标传播的程度。锥形本体的形状可以设计成帮助声音从锥体向液体流传播和随后通过喷嘴。幅值或频率调制的声场可以明显提高压力在通过装置流向目标基体的流体内传播。

附图说明

下面仅将参考附图通过实例介绍本发明的实施例，附图中：

图1是根据本发明第一实施例的清洁装置的示意侧视图；

图2是根据本发明第二实施例的清洁装置的示意侧视图；

图3是根据本发明第三实施例的清洁装置的示意透视图；

图4是用于本发明清洁装置的任意实施例的锥体的可选形状的示意图；

图5是清洁循环的顺序步骤的示意侧视图，表示了可通过本发明清洁装置的任意实施例生成的声能脉冲和气泡脉冲的产生；

图6表示了在本发明清洁装置的任意实施例中的喷嘴处相对于时间的、在(a)声能(声音)产生和(b)气泡产生之间的相位关系，用于提供脉冲，并附加表示了声能调制；

图7表示了在目标表面处记录的声压信号，用于使用图6中所示的工作循环来调制和解调压力顺序；

图8表示了在本发明任意实施例的清洁装置中在水听器处测量的、由声能产生的压力和时间之间的关系，以连续或调制模式；以及

图9表示了在清洁或未清洁表面处测量的阻力和时间之间的关系，用于根据本发明实施例监测表面清洁的方法。

具体实施方式

参考图1，图中表示了根据本发明第一实施例的清洁装置。

清洁装置(总体表示为2)包括空心本体4，该空心本体4确定了中心腔室6。本体4有后壁8和从该后壁8向前延伸的基本锥形元件10，该基本锥形元件10终止于位于前侧的孔12。通常，该基本锥形元件10和后壁8都旋转对称，即为圆形，尽管可以采用其它几何形状。在本说明书中，术语“基本锥形”应当广义解释为包括不仅几何上圆锥形的结构，而且包括从内侧看时具有凹形内壁的结构(例如钟形)，如图1所示，或者具有恒定半角的结构(如图2中所示)、或者喇叭形结构，如图4中所示(即当从内侧看时具有凸形内壁)。因此，元件10形成锥形本体，例如钟形或喇叭形结构，为了简明，下文中可以简称为“喇叭”。

喷嘴14从孔12向前延伸，并确定了液体出口16。液体进口18位于后壁8处或附近。液体供给导管20(通常成柔性软管的形式)与进口18连通。声换能器22安装在后壁8上。控制器23控制换能器22的操作。通常，换能器22安装在后壁8的外表面上，在后壁8的较大比例表面区域上面延伸。也可选择，换能器可以在后壁上或穿过后壁而嵌入腔室中。实际上，为了在腔室壁中获得压力释放状态(例如流体流将喷入空腔内，例如喷入内窥镜的内部孔中)，装置可以使用后壁换能器，或者也可选择使得喇叭的内表面包括换能器。应当知道，换能器可以安装在任何位置，例如在喇叭或喷嘴的壁上，只有对于特殊用途一旦流体流离开喷嘴就不需要与压力释放边界条件匹配(例如当流体流用于清洁内窥镜的内部)。

在使用时，液体连续通过供给导管20流入中心腔室6中，然后通过喷嘴14的出口16向外流动，以便形成朝向对着要清洁基体28的表面26的液体流24。特别是，表面26可以提供有三维表面特征，例如在图1中放大表示的裂隙30。

气泡产生器32位于喷嘴14内且沿流体流动方向在出口16的上游。气泡产生器32在液体流中产生气泡，以使得撞上基体表面26上的液体流不仅包括来自换能器22的声能，还包括气泡。

有多种选择来将气泡种入液体流中，包括气体喷射以及在液体中通过水的电化学分解而就地产生的电化学气泡。为了就地电化学气泡产生，电极包含在结构中将能够控制地种入，且优选是通过将50-100μm直径的Pt金属丝穿过射流喷嘴(在出口之前大约1cm)而实现。其它可选方式包括在液体流或者在喷嘴壁中使用一个或多个电极。

参考图2，在该变化实施例中，后壁40包括板，例如塑料或金属板，如铝或不锈钢，其中有液体进口42，且声换能器44(该声换能器44自身可以包括截头锥体46)粘接或者以其它方式保持在板40的后壁上。基本锥形元件48(包括喇叭)从板40向前延伸，并形成成一体的喷嘴50，气泡产生器52位于该喷嘴50处。

在图1的实施例中，空心本体4可以与后壁8(该后壁8与喇叭10成一体)形成一体和由单个材料制造。在该实施例中，喇叭由当流体对着它引导时能够用作压力释放界面的材料而构成，这样，在喇叭的材料中的声能在喇叭的内表面处有效且高效传递至流动液体内。该实施例的装置的目的是通过利用喇叭的锥形来集中声能和流体流而将声能引入流动流体流中，然后引导流体流通过出口至要处理的表面上，同时最小化对着锥形表面的声损失或摩擦损失。

上述实施例涉及当液体在离开喷嘴后由空气包围时将声能引入液体流中的特殊用途。这可用于例如清洁外科医生的手指甲下面或者清洁莴苣。不过，对于将液体流引导至要清洁物体内(例如清洁内窥镜)的其它用途，液体流在离开喷嘴时可能没有压力释放边界条件，且对于这样的实施例，可以使用由不同的、非压力释放的材料制造的喇叭。

喷嘴和出口的形状和尺寸设置成允许声沿流体流传递。这有利于形成平滑流体流。本领域技术人员能够很好地形成形状和尺寸合适组合用于喇叭、出口和进口，以便获得包含来自换能器的声能的合适平滑液体流。

如上所述，新的电化学技术可以用于监测由于流体流和气泡在表面上的作用而产生的就地清洁程度。

在该实施例中，清洁装置还包括用于监测表面的清洁的装置，该装置包括第一和第二电极200、202，形成电化学电池，用于分别布置在表面的一部分处，并通过电阻测量装置204而相互连接。在监测表面的清洁的方法中，第一电极200位于表面的外部部分上，第二电极202位于要清洁的空腔或凹口内。在它们之间的电阻利用电阻测量装置204来测量，以便确定电阻的降低，从而表示空腔或凹口的清洁。如图9中所示，初始电阻值A根据值B而变化为当监测的表面部分已经清洁时明显降低。

在本发明的该方面，电化学清洁测量使用扁平、凹形或插管电极(使用包括两个或更多电极的电化学电池)在超声波喇叭的尖端下面进行。清洁液体用作电解质。对脏工作电极的电阻进行监测，这样，当空腔或凹口未清洁时，工作电极与液体电解质没有电接触或者只有很差的电接触，因此在两个电极之间将存在相对较高的电阻，而当清洁空腔或凹口因此工作电极与溶液接触时，将测量到较低电阻。这提供了用于可定量测量清洁时间的非常有效的方法。该方法依赖于系统的未补偿电阻的测量值。

因此，当系统的未补偿电阻能够作为时间的函数来监测时，可以使用该方法来检测空腔、凹口或孔的清洁。该方法能够对空腔、凹口或孔的清洁给出可定量数据。为了消除电极的电容效应，将低幅值高频(100kHz、200mV，零至峰值振幅)交流电压信号施加在工作电极(例如0.5mm直径Pt凹形电极)和参考电极(通常为金属材料大件，例如Cu板)之间。然后，经过的电流能够直接用于确定作为时间函数的系统电阻。当使用这样的系统时，需要的化学物质只是用于使得溶液导电的支持电解质，例如氯化钾(KCl)或普通盐(NaCl)，它们都相对便宜和容易一次性处理。该方法用于监测具有多种设计特征的表面的清洁，以便研究目标超声波清洁的效率。

当对于特殊用途在执行本发明的清洁方法时不需要监测部件，而只需要进行清洁时，在清洁液体中不需要电解质例如KCl或NaCl或者等效物。

参考图3，在可选实施例中，成软管形式的进口导管60与歧管62连接，该歧管62将进口液体流分成各自在相应第二进口导管64中的多个不同进口流体通道，各第二进口导管64使得进口导管60与后壁68(该后壁68与喇叭70连接)上的各进口66连接。后壁68和喇叭70的组件以及歧管62可以一起连接在公共壳体72中。喇叭70与出口74连接。

参考图4，图中公开了喇叭80的可选形状，其中，喇叭80有柱形的下游部分82和双曲面(或者一些其它喇叭形，例如抛物面、悬链曲面等)向外扩口的上游部分84。

由图1至4可以看见，喇叭可以采用多种不同结构形状，只要该喇叭形成为提供恒定流体流出口，从而最小化声能损失和摩擦损失。这将在撞上要清洁表面的流体流中提供最佳的声特性和流动特性。而且，这样的喇叭形结构对于一些用途并不重要，且腔室可以有任意其它形状，并通过任意本体材料来确定为允许声能引入流体流中和从喷嘴离开。

当液体流在离开喷嘴时流过气体，因此喇叭的内壁需要压力释放时，用于喇叭的特别优选材料是蜂窝泡沫材料或橡胶，它们能够避免在喇叭中的声场和流过的液体流中的声场之间的阻抗不匹配。流速和喷嘴设计选择为使得液体流在它到达要清洁表面之前并不损失整体性。喇叭的形状设计成帮助声音从喇叭传递给流过喷嘴的液体流。例如，当喇叭为蜂窝泡沫材料时，喇叭通过在固体泡沫块中模制锥形空腔而形成(尽管可以使用其它制造方法，例如由块切割)。

最典型的是，喇叭和喷嘴为旋转对称。

在任何实施例中，进口可以提供有声隔离装置，该声隔离装置防止声能沿液体供给导管20往回传递。在图1中示意表示为25的声隔离装置可以包括：声滤波器，该声滤波器选择地有选定频率范围；和/或文氏管，该文氏管在导管20中变狭窄；和/或膨胀腔室；和/或通过控制导管的直径来使得驱动频率低于进口的所有模式的截止频率。正像由压力释放材料制成的足够小孔的歧管入口会出现的一样。

在这些实施例中，装置尺寸能够变化，以便提供变化容积的液体流。更小或更大容积能够根据使得液体流中的至少一个模式不易消失而通过使得流速、喷嘴尺寸和驱动声频率按比例变化来获得，从而伴随着合适声场和活性气泡来提供撞在表面上的清洁溶液流。当在壁处的声边界条件允许时，这种模式可以是平面波模式。为了获得所需的容积流速以及使得流体流能够超过喷嘴的自由端喷射足够距离，需要较小的出口孔。除了平面波模式(当声边界条件允许它传播时，这并不是当液体流流过空气时的情况)，对于各模式，沿液体射流进行的声传播将在低于特征“截止”频率(Fco)时不合适地受到限制。当流体流要进入固体管中，以使得固体壁将包围流体流时，最低频率模式将是平面波，且对于该模式没有截止频率，尽管更高阶模式将有它们自身的截止频率。在特殊情况下(其中，液体流在离开喷嘴时流过气体空间)，在流体流的弯曲壁处的边界条件将是压力释放，且对于该条件，最低模式的截止频率(Fco)将根据以下等式来计算：

Fco＝2.4048c/2πa(等式1)

其中，c表示声音在流体中的速度，a表示液体流半径。例如，对于大约10mm内径的流动出口，且假定声音在液体中的速度为1500m/sec，对于最低模式，液体流的截止频率可以为114kHz的量级(更高阶模式将有更高截止频率)。不过，如后面所述，流体特性和气泡的任何捕获(如后面所述)都将影响该截止频率。例如，气泡可以降低在液体中的音速，因此减小模式的截止频率。

气泡产生器32用于产生气泡，该气泡再声激励并撞击要清洁的表面。气泡通过声能而驱动震荡，并能够进入要清洁的基片上的裂隙和孔内，因此，它们有效清洁基片表面。

气泡产生器32可以直接作用成将气泡注入流体流中，例如通过针头，该针头可选择地振动。用于气泡产生的其它选择包括通过使用气穴(液动力的或声的)或无表面气泡夹带、或者化学气体产生、或者通过更优选的电化学方法通过液体流中的水的电解质分解而就地产生气泡。用于电化学气泡产生的气泡产生器32包括电极，该电极包括一组导电金属丝，例如直径为50μm的铂金属丝，横过出口延伸。电极与电能量源(未示出)连接，且当通电时，电能量使得流体流中的水电解分解，以便产生氧气和氢气的气泡流，该气泡流夹带于流动流体中，并朝向要清洁的目标表面。

图5表示了在用于各气泡群的清洁循环中的步骤顺序。

如图5(A)中所示，气泡产生器由控制器98来控制，从而间歇地形成气泡，以便形成间歇的气泡群100(或波)，该气泡群100连续撞击要清洁的表面102。当气泡撞击要清洁的表面102时，气泡通过声能而驱动成震荡，从而通过声能来穿透进行清洁的裂隙。

如图5中所示，来自换能器的幅值或频率调制声能间歇地进行脉冲。这产生声能脉冲，该声能脉冲以一致的方式与上述间歇气泡群100相互作用。

图5(B)表示了当声换能器关闭时气泡群100与朝向表面102的液体流一起向下游运行。气泡群100到达表面102，如图5(C)中所示。图5(D)表示了当气泡群100到达表面102时声换能器打开，以便产生声场脉冲，该声场脉冲可选择地进行幅值或频率调制，该声场脉冲通过液体以音速朝着表面102传播。脉冲的声能驱动在表面102处的气泡群，以便通过气泡在表面处的非惯性破裂而提高清洁，并可选择地在气泡中产生表面波，和/或可选择地引起更高能量清洁行为(例如气泡的惯性破裂、喷射等)。这样完成了用于单个气泡群的清洁循环。然后通过如图5(A)中所示产生随后气泡群而开始用于随后气泡群的下一个清洁循环。

如图6中所示，在喷嘴处，在声脉冲的产生和气泡脉冲的产生之间有特殊的相位关系。当声和气泡通过液体而离开喷嘴传播时该相位关系变化，因为声能和气泡以不同速度通过液体朝着要清洁表面传播。目标是提供一种相位关系，它通常包括在气泡产生和声能脉冲产生之间的延迟时间t_d，以使得声能和气泡同时和同相位地到达要清洁的表面。在所示实例中，提供了延迟时间t_d，该延迟时间t_d将随着流速和离目标的距离而变化。

在该实施例中，声音在气泡产生和气泡向要清洁表面传递的过程中关闭。这些气泡的激励是间歇的，并与电化学气泡产生的间歇开/关特性同步。在图6的实施例中，可以产生气泡达一持续产生时间，通常10毫秒，且周期为100毫秒。在各气泡产生停止之后有一定延迟，通常30毫秒，然后打开声音(或者在其它实施例中，声音进行调制以便提供高能脉冲)达60毫秒的持续时间、然后关闭声音，同时在随后清洁循环中打开气泡。

这些值用于一个特殊装置，但是当装置的尺寸分别为更大或更小时这些值将更长或更短。该延迟取决于流速和距离。它能够变化，例如当较长管(内窥镜)是清洁目标时，能够使延迟变化，以便在沿液体流动方向的不同位置处实现清洁。

在各声能脉冲中，声能进行幅值或频率调制，如图6中所示(幅值调制是通过改变换能器的驱动电压来示例)。调制持续时间(它取决于频率)通常为1毫秒。

如图7中所示，这种气泡群的脉冲产生使得调制压力在各气泡群撞击要清洁的表面时通过各气泡群而施加给清洁表面。这样的调制压力通常每隔100毫秒产生。如前所述，各气泡群通过声能而震荡，这产生清洁的效果。

图8表示了对于恒定驱动声场(以连续模式或调制模式)在水听器处的压力。如图8所示，当恒定声能撞击表面时，在表面处产生的压力相对较低和恒定，而当声能的调制波撞击表面时，通过各波在表面处释放的最大能量明显更大。

因此，通过以协调方式利用脉冲气泡产生和脉冲声能产生，气泡在表面处被激励，这样，当声能也在表面处时气泡存在于该表面处，而且，通过气泡和声能获得的清洁撞击将通过附加使得声能在比该脉冲更高的频率下进行幅值或频率调制而增加，从而大大提高清洁效果。具有在一对声能脉冲之间形成的气泡群将使得这些声能脉冲分离。各气泡群独立地撞击在要处理的表面上，并通过连续声能脉冲的声能来独立地激励。

根据本发明的装置和方法的还一方面，已经发现将表面活性剂加入液体中能够在不会使气泡合并的情况下影响可获得的气泡尺寸。需要时可以添加足够的表面活性剂，以便在气泡沿流体流向下流动时防止气泡合并，当没有表面活性剂时，这样合并产生的气泡对于合适清洁来说太大，但是也不能太多表面活性剂，太多表面活性剂将使得气泡在它们到达位置时对于清洁来说太小。

下面的表1表示了气泡尺寸(由高速照相机实验来估计)怎样受到加入的表面活性剂的影响以及活性(定义为横过表面的无确定路线气泡运动，它表示由声能引起的气泡振荡)怎样随气泡直径改变。

表1

总表面活性剂/μl	浓度/％容积	气泡直径/μm	备注
				0	0	190	气泡合并
20	0.0004	140	一些活性
				40	0.0008	75	低活性
100	0.002	50	低活性
				150	0.003	40	高活性
250	0.005	40	高活性
				500	0.01	45	高活性
750	0.015	40	高活性
				1000	0.02	25	低活性
2000	0.04	25	减小活性
				5000	0.1	15	活性太小以至于不能检测

总体表面活性剂容积在150至750μl的范围内将使得表面活性剂的容积浓度为0.003至0.015％，使得气泡直径为从大约40至45μm，从而提供了观察最高清洁活性的条件。获得合适气泡活性的特殊总表面活性剂和表面活性剂浓度值可以取决于使用的表面活性剂的类型。

在并不由任何理论限定的情况下，本发明人发现与获得有效超声波清洁相关的多个现象。

首先，当在要清洁的表面的孔、空腔或裂隙中观察气泡时，注意到气泡在超声波场中振荡，且认为这种振荡在这些更复杂表面的去污中起到关键作用。尽管这些脉冲振荡可以有清洁效果，但是本发明另外和重要地断言在气泡壁上使用表面波来提供清洁效果。

第二，已经发现声场在将气泡捕获于这样的孔、空腔或裂隙中时起到重要作用，因为尽管大多流体流能够将气泡从液体的一个区域朝着固体表面输送，但是声激励产生附加优点，即通过发散力而将气泡吸引至裂隙中和将它捕获于裂隙中，而且使得孔内的合适气泡的净尺寸增加，尽管有脱气和修正扩散。因此，与单独使用流动液体相比，使用声场提供了明显的优点。

当然，超声波清洁已经用于“超声波清洁池”中多年，因此惯性气穴和通过气泡旋转产生的高速液体射流将引起表面污染物的去除。

不过，根据本发明的优选方面和如本发明人在他们的实验研究中所示，清洁并不是由于这种气泡现象而产生，该气泡现象在正常室温条件下需要1巴量级的零至峰值声压来引起惯性气穴，但实际上，使用更低幅值的声场来产生非惯性气泡脉冲和在一些气泡的壁上产生可选的表面波。这些表面波和相关液体运动将用于在本发明优选方面使用的孔清洁中。不过，本发明除了使用非惰性气穴来清洁外还另外获得惯性气穴与非惰性气穴一起向清洁池提供清洁能力，这将包括惯性气穴和离一定距离喷射至软管水流的端部并清洁(例如强力清洁不能浸没在清洁池中的飞机发动机的角落和裂缝，或者进行医院病房去污)。这是非常强力清洁的方法。

如后面进一步所述，本发明能够进行其它的改进，以便在特殊坚固表面上提供这种惯性破裂。

根据本发明的优选方面，气泡在远离要清洁表面的位置处独立地产生，在流体流中朝着要清洁的表面来驱动，并在该表面处由声能来激励，以便在表面上提供增强清洁效果，特别是当表面具有三维特征时，包括孔、凹口、空腔或裂隙以及内部管道和管。

根据本发明的优选方面，在所述表面处形成足够的声压幅值，而不需要在交界面上产生惯性破裂，尽管本发明能够另外变化成在特殊坚固表面上提供这样的惯性破裂。这将驱动表面波和合适气泡振荡，以便清洁界面和相关结构，而并不引起损害和腐蚀，该损害和腐蚀可能在惯性气穴或通过气泡产生的高速射流在非常靠近固体表面处或在该固体表面处激励时产生。送入裂隙内的任何气泡都有助于清洁：在实施例中使用的声场帮助将气泡从大多液体输送至目标表面，然后由于声辐射力而将合适气泡吸引至裂隙中。当已经捕获于孔中时，这些气泡有效排空/清洁所述空腔。应当将足够的气泡群体提供或传送给材料表面用于清洁。这使得气泡能够由所述装置的目标声场驱动而在固体/液体界面处激励。

考虑到对于流动系统的声传播，一旦它离开喷嘴时，希望使得在喷嘴(和喇叭)处的边界条件与流体流中的匹配。在特殊实例中(其中，液体流在离开喷嘴时经过气体空间)，希望在流动系统的壁上获得压力释放条件，并高于至少一个模式(该模式不能是平面波模式，因为该模式对于压力释放壁在所有频率中都消失)的“截止”频率来操作，且该截止频率由孔来确定，但是对于各模式不同，尽管都为相同孔。不过，平面波模式(它不能在流过气体的流体流中传播，但是能够沿封闭管传播)能够在刚性壁管中在所有频率下存在。已经发现，能够以多种方式来方便沿合适液体流的声传播。

首先，对于沿液体流的声传播，施加的声场的频率选择为比至少一个传播模式(优选是更多)的截止频率更大。第二，系统的气泡引起扰动能够使得声音通过液体流传播。第三，幅值或频率调制声音能够用于增大在要清洁物体的表面处的声压，因此获得气泡振荡。

流速和喷嘴设计优选是选择为使得液体流在它到达目标之前并不失去整体性(例如破碎成液滴、夹带气泡等)至这样的程度，即它阻碍声音从喷嘴向目标传播。对称喷嘴设计和低流速是实现这个目的的一种优选方法。尽管在优选实施例中喷嘴上游的腔室为基本锥形形状，但是在其它实施例中，腔室可以有不同形状，只要声能以对于特殊清洁用途所需的边界条件下施加给液体流。

优选是，装置用于电化学产生合适尺寸的气泡群，然后在没有声驱动气泡合并的情况下通过流体流中的流体流动而将该气泡群传递给要清洁表面。然后，声能提供为在目标基片处在气泡群的气泡上声激励运动/表面波。

将气泡种入流体流中将这样帮助清洁，即通过：扰动系统以便有利于声音传播至液体流中；扰动音速以便于声音传播至液体流中；扰动液体中的声阻抗以便于声音传播至液体流中；扰动流体负载以便于声音传播至液体流中；提供输送至目标的气泡，在该目标处这些气泡进行清洁；以及向液体添加表面活性剂，该表面活性剂能够在气泡不合并的情况下影响稳定气泡直径的获得。

本发明的优选实施例能够提供物品或物体的增强清洁，例如外科手术设备和假体、工具、产品部件(例如微芯片)、食品、包装、模具、用于制药的材料和包装、实验室设备以及法庭设备。也可以合适用于基础下部结构和设备(例如医院病房和它们的键盘、电话；屠宰场；核和化学设备等)和人员(例如外科医生的手指甲下面，用于清洁受到生物、化学或核危险污染的人或车辆等)。

可以特别受益于本发明优选实施例的“液体流”形式(例如装配有软管或龙头)的物品实例包括：车辆、家用产品(在家庭和在展览室或工厂中)、人手；光学透镜；具有专门的精致涂层的表面，例如在不粘煎锅上的Teflon(注册商标)涂层或者透镜上的光学涂层)；以及在外科手术植入之前在不损害物品的情况下进行清洁(例如通过生物膜去除)，例如植入件、假体、器官等。

这样的清洁可以在没有任何磨损颗粒的情况下实现，只有包含气泡的液体流。磨损和损害将使得部件降级和更可能产生随后的污染(例如生物膜生长)，而且使得随后的清洁更困难。

本发明的优选实施例的清洁装置的便携性和保存特征使得它特别便于建筑物的去污和清洁(或者其它设备，其中，目标不能浸没，或者它优选是并不输送给专门清洁设备)，作为预定清洁程序的一部分(例如用于屠宰场、医院、工厂等)，或者作为用于大型设备的去污工具(例如在化学和核工厂的去污中，或者由于恐怖或军事行动而污染的区域)。

在本发明优选实施例中使用的液体流技术对于清洁房屋、走廊和固定设备特别有吸引力。活材料(人员、动物)也可以利用本发明来去污，其中，便携性(或者将本发明包含在现有淋浴器或软管设备中)消除了延迟(将受污染的人输送至非便携式去污设备将引起该延迟)。

Claims (40)

1.一种用于清洁表面的装置，该装置包括：本体，该本体确定腔室；进口，用于液体流入该腔室；出口，用于流体从腔室流出；喷嘴，该喷嘴与出口连接，用于产生输出液体流，以便清洁表面；声换能器，该声换能器与本体连接，以便将声能引入腔室内的液体中，从而使得声能存在于流出喷嘴的液体中；以及气泡产生器，该气泡产生器用于在流出喷嘴的液体内产生气泡，其中本体和/或喷嘴由提供压力释放边界条件的材料制成。

2.根据权利要求1所述的装置，其中：气泡产生器包括电极，该电极用于在液体内通过电解产生气泡。

3.根据权利要求2所述的装置，其中：电极包括横过液体流方向延伸的一组导电金属丝。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中：气泡产生器位于喷嘴内。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，还包括：用于气泡产生器的第一控制器，该第一控制器用于控制气泡产生器，以便产生气泡脉冲。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，还包括：用于声换能器的第二控制器，该第二控制器用于控制声换能器，以便产生声能脉冲。

7.根据权利要求6所述的装置，其中：第二控制器用于间歇地开和关声换能器，以便产生声能脉冲。

8.根据权利要求7所述的装置，还包括：调制器，以便提供声能脉冲的幅值或频率调制。

9.根据权利要求6所述的装置，还包括：用于气泡产生器的第一控制器，该第一控制器用于控制气泡产生器，以便产生气泡脉冲，其中，第一和第二控制器进行协调，以使得气泡脉冲和声能脉冲以相互控制的时间关系来产生。

10.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中：本体包括：壁，声换能器安装在该壁上；以及从该壁向前延伸的元件，该壁和该元件确定了从声换能器朝着出口延伸的腔室。

11.根据权利要求10所述的装置，其中：该壁是后壁，该元件为基本锥形，从该后壁向前延伸，以便形成它的相对较小半径端部，该相对较小半径端部与出口连通，后壁和锥形元件确定了从声换能器朝着出口延伸的、减小半径的基本锥形腔室。

12.根据权利要求10所述的装置，其中：该元件由压力释放材料形成。

13.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，还包括：进口歧管，该进口歧管包括多个进口通道，各进口通道在进口端与进口连接，在出口端与本体连接。

14.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，还包括：在进口中的声隔离装置。

15.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，还包括：用于监测表面的清洁的装置，该装置包括第一和第二电极，该第一和第二电极形成电化学电池，分别位于表面的一部分处，并通过电阻测量装置而相互连接。

16.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，还包括：用于将表面活性剂加入液体中的装置。

17.一种清洁表面的方法，该方法包括以下步骤：将来自喷嘴的液体流导向表面，其中喷嘴由提供压力释放边界条件的材料制成；包括声能和夹带在液体中的气泡的液体流流出喷嘴。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：在液体内产生气泡的步骤。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：气泡在液体内通过电解而产生。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中：气泡在喷嘴的自由端内产生或者在离自由端一定距离处产生。

21.根据权利要求17至19中任意一项所述的方法，还包括：产生声能脉冲的步骤，该声能脉冲朝着表面引导。

22.根据权利要求21所述的方法，其中：在声能脉冲中的声能进行频率或幅值调制。

23.根据权利要求17至19中任意一项所述的方法，其中：以脉冲的形式产生声能和气泡，气泡脉冲和声能脉冲以相互控制的时间关系而产生。

24.根据权利要求23所述的方法，其中：气泡脉冲和声能脉冲同时撞击表面。

25.根据权利要求17至19中任意一项所述的方法，其中：腔室从声换能器向喷嘴延伸，当液体流过该腔室时，声换能器将声能引入液体中。

26.根据权利要求25所述的方法，其中：腔室为从声换能器朝着喷嘴延伸的、减小半径的基本锥形腔室。

27.根据权利要求25所述的方法，其中：流入腔室中的液体输入通过进口歧管而分成多个平行流，该进口歧管包括多个进口通道，各进口通道在进口端与进口连接，在出口端与腔室连接。

28.根据权利要求25所述的方法，还包括：使得腔室的进口导管与声换能器声音隔离。

29.根据权利要求17至19中任意一项所述的方法，其中：液体包含表面活性剂，以便在没有气泡合并的情况下控制稳定的气泡直径。

30.根据权利要求17至19中任意一项所述的方法，其中：声能控制成使得气泡在表面处非惯性破裂。

31.根据权利要求17至19中任意一项所述的方法，其中：声能控制成使得气泡在离表面一定距离处产生惯性气泡空穴。

32.根据权利要求17至19中任意一项所述的方法，其中：声能产生在气泡中的表面波。

33.一种清洁表面的方法，该方法包括在表面提供气泡以及使用调制声能来引起气泡的非惯性破裂的步骤。

34.根据权利要求33所述的方法，其中：气泡在离表面一定距离处另外受到惯性气穴作用。

35.根据权利要求33或34所述的方法，其中：声能在气泡中产生表面波。

36.根据权利要求33或34所述的方法，其中：气泡和声能在液体流中朝着表面引导。

37.根据权利要求33或34所述的方法，其中：表面包括至少一个空腔、凹口或孔，气泡的尺寸设置成能够进入该至少一个空腔、凹口或孔。

38.根据权利要求37所述的方法，其中：当气泡位于该至少一个空腔、凹口或孔中时，声能将激励气泡的表面。

39.根据权利要求33或34所述的方法，其中：气泡和声能作为脉冲而导向表面，这样，气泡和声能脉冲同时入射在表面上。

40.根据权利要求36所述的方法，其中：液体包含表面活性剂，以便在没有气泡合并的情况下控制稳定的气泡的直径。