CN103396945B - 流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，解决现有换能器温度过高时会完全解体，压电期间衰减过快，以及成本过高的问题。本发明包括依次相连的底座、透声筒和端壳，设置于透声筒内的压电换能发声组件，以及设置于透声筒与压电换能发声组件之间的耦合介质；所述压电换能发声组件内还设有用于支撑压电换能发声组件并与底座相连且为内空结构的支撑轴，所述支撑轴内还设有水冷系统。本发明设置了水冷系统，使换能器可以在较宽的负载范围内工作而电声效率变化不大，这意味着换能器的机械损耗小，有效机电耦合系数大。使液体媒介产生空化及伴随发生各种强烈的物理化学反应更有效，本发明适于高温生化、乳化领域应用。

Description

流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪

技术领域

 本发明具体涉及一种流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪。

背景技术

现目前同类产品的换能器的发送电压响应、发送电流响应及发送功率响应，一般声功率最大在4000W以下。总所周知，压电式换能器的最大缺点，当温度升到居里点的临界温度时（约150℃），电畴结构完全解体，材料就不再具有压电性能，使得应用领域受到很大限制，现有技术一般应用在常温，如50℃以上温度范围内应用压电器件很快衰减，电声效率下降，必须更换器件，因换能器制造工艺复杂，应用现场不可能维修，需要返回制造地更换，维修成本增大，无法满足人们的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，解决现有换能器温度过高时压电器件电畴结构会完全解体，压电材料衰减过快，以及成本过高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，包括依次相连的底座、透声筒和端壳，设置于透声筒内的压电换能发声组件，以及设置于透声筒与压电换能发声组件之间的耦合介质；所述压电换能发声组件内还设有用于支撑压电换能发声组件并与底座相连且为内空结构的支撑轴，所述支撑轴内还设有水冷系统。

进一步地，所述水冷系统包括位于支撑轴内的冷却水管，以及位于透声筒与底座之间并与冷却水管连通的进水管，以及位于透声筒与底座之间并与支撑轴连通的出水管。

再进一步地，所述压电换能发声组件包括套接于支撑轴外的内应力环，套接于内应力环外的压电器件，以及套接于压电器件外的外应力环。

更进一步地，所述底座为内空结构，且在其内还设有用于密封支撑轴靠近底座一端的封堵。

作为一种优选，所述端壳内设有与透声筒相连的热平衡装置。

另外，所述底座上还设有用于电缆通过的电缆管，所述电缆管内设有两根分别与内应力环和外应力环相连的电缆线。

为了保证本发明的稳定，所述底座外部设有一个以上的螺纹孔；所述端壳外部同样还设有一个以上的螺纹孔。

为了更好的实现本发明，延长本发明的使用寿命，所述透声筒、内应力环和外应力环均由钛材制作而成。

为了更好的保证本发明的密封性，所述进水管与底座和透声筒之间均设有密封垫；所述出水管与底座和透声筒之间均设有密封垫；所述封堵与底座之间同样设有密封垫。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明设置了水冷系统，使换能器可以在较宽的负载范围内工作而电声效率变化不大，这意味着换能器的机械损耗小，有效机电耦合系数大。使液体媒介产生空化及伴随发生各种强烈的物理化学反应更有效，本发明适于高温生化、乳化领域应用。

（2）本发明的透声筒采用钛材制作而成，使得透声筒可加工成薄壁厚度远小于波长的低频，透声性能更强，加之其高强度机械性能鸡耐超声腐蚀性，使产品能兼具高刚度和优良的透声性能，使声功率增强；另外，透声筒采用钛材后使声衰减降低，使声传播被相邻媒质声阻抗易匹配。

（3）本发明的内应力环和外应力环均采用钛材制作而成，使超声换能器频率和脉冲响应易控，使晶片的谐振过程达到最佳配合状态，使超声换能器极易达到高灵敏度工作。

（4）本发明的声功率能够达到8000W，声空化阀值易产生，空化效应强烈，能有效地提高空化阀，国内在功率超声技术中，还未见有次指标的报导。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明底座处局部放大图。

图3为本发明使用状态图。

其中，附图中标记对应的零部件名称为：1-底座，2-透声筒，3-端壳，4-耦合介质，5-支撑轴，6-冷却水管，7-进水管，8-出水管，9-内应力环，10-压电器件，11-外应力环，12-封堵，13-热平衡装置，14-电缆管,15-螺纹孔，16-物料输送管，17-固定螺栓，18-电缆外接管，19-进水外接管，20-出水外接管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

目前现有的乳化、生化仪使用条件均在20—50℃温度范围，生化应用领域一般温度都在20—150℃范围，而150℃左右温度应用范围最广泛。换能器的电声效率在功率超声技术中是一个很重要的问题，增压式换能器由于长期工作使压电体在强烈的振动时，会受热反应，热反应传递给耦合介质，介质发生膨胀，压力升高，虽然设计时考虑了热平衡装置，但热平衡装置空间有限，温度一旦接近压电体的临界温度时，换能器的动态参量变低，换能器的电声效率下降，设计了水冷装置后，换能器的最大电声效率，使动态参量值保持在设计范围内安全的工作（即换能器可以在较宽的负载范围内工作而电声效率变化不大），这意味着换能器的电及机械的损耗小，有效机电耦合系数大。使液体媒质产生空化及伴随发生各种强烈的物理化学反应更有效。本技术要点是设计了超声换能器的冷却系统后使超声波生化仪适用于高温生化、乳化领域应用。

实施例

如图1、2所示，流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，包括依次相连的底座1、透声筒2和端壳3，设置于透声筒2内的压电换能发声组件，以及设置于透声筒2与压电换能发声组件之间的耦合介质4。所述压电换能发声组件内还设有用于支撑压电换能发声组件并与底座1相连且为内空结构的支撑轴5，所述支撑轴5内还设有水冷系统。 现有技术中由于换能器长期工作使压电体在强烈的振动时，会受热反应，热反应传递给耦合介质，介质发生膨胀，压力升高，导致换能器的电声效率下降，本发明为解决上述问题特意设置了水冷系统，能够对本发明进行冷却，从而使换能器可以在较宽的负载范围内工作而电声效率变化不大，使本发明应用范围更广。

上述水冷系统具体包括位于支撑轴5内的冷却水管6，以及位于透声筒2与底座1之间并与冷却水管6连通的进水管7，以及位于透声筒2与底座1之间并与支撑轴5连通的出水管8。使用时，只需从进水管通入冷却水，冷却水通过冷却水管流入支撑轴内，然后再通过出水管流出本发明，从而实现了对本发明的冷却，保证了本发明的工作效率，提高了本发明的使用寿命。

进一步地，所述压电换能发声组件包括套接于支撑轴5外的内应力环9，套接于内应力环外的压电器件10，以及套接于压电器件10外的外应力环11。

为了更好的实现本发明，以及保证冷却水不会流入底座内，所述底座1为内空结构，且在其内还设有用于密封支撑轴5靠近底座1一端的封堵12。上述设置能够保证冷却水进入支撑管后，不会流道底座的内空结构去，而是直接从出水管流出，保证了本发明的正常工作。

为了进一步的提高本发明的性能，控制本发明的温度和压力，从而保证电声效率，所述端壳3内设有与透声筒2相连的热平衡装置13。

另外，所述底座1上还设有用于电缆通过的电缆管14，所述电缆管14内设有两根分别与内应力环和外应力环相连的电缆线。上述设置能够合理的利用空间，使得电缆线能够从底座的内部分别与内应力环和外应力环，设计相当合理，实用。

为了保证本发明在应用时的稳定性，保证其能正常的工作，所述底座1外部设有一个以上的螺纹孔15；所述端壳3外部同样还设有一个以上的螺纹孔15。在使用时，需要将本发明安装于物料输送管内，故而在其底座和端壳外均设置了螺纹孔，从而可通过在螺纹孔处安装支撑轴，并通过固定螺栓固定即可，这样便能很好的将本发明安装于物料输送管内，且保证了其位于物料输送管内的稳定性，使其能够正常的工作。

为了提高本发明的使用寿命，以及工作效率，所述透声筒2、内应力环9和外应力环11均由钛材制作而成。透声筒采用钛材制作而成，使得透声筒可加工成薄壁厚度远小于波长的低频，透声性能更强，加之其高强度机械性能鸡耐超声腐蚀性，使产品能兼具高刚度和优良的透声性能，使声功率增。而内应力环和外应力环均采用钛材制作而成，使超声换能器频率和脉冲响应易控，使晶片的谐振过程达到最佳配合状态，使超声换能器极易达到高灵敏度工作。

为了保证本发明的密封性，所述进水管7与底座1和透声筒2之间均设有密封垫；所述出水管8与底座1和透声筒2之间均设有密封垫；所述封堵12与底座1之间同样设有密封垫。另外，从图1中可看出，本实施例的进水管端部设有外螺纹，而底座与透声筒与进水管接触处设有内螺纹，从而使进水管与二者通过螺纹连接，并且设置了密封垫，保证了其密封效果；所述出水管与底座和透声筒的连接方式与进水管与底座和透声筒的连接方式一样。本实施例中的封头与底座的连接方式与上述进水管与底座和透声筒的连接方式也是一样的，均是采用螺纹加密封垫进行连接的。

如图3所示，本发明在使用时，首先将本发明安装于物料输送管16内，具体是通过固定螺栓17与螺纹孔15相固定，然后将固定螺栓固定于物料输送管内壁上，然后将电缆外接管18与电缆管相连通，接着将进水外接管19与进水管相连通，出水外接管20与出水管联通，最后只需将电缆连接于相应位置，并且将进水外接管与水源连通，便可很好的使用本发明。

本发明的工作过程：

本发明在生化方面的应用：其利用大功率超声波生化技术激发或促进许多化学反应，加快化学反应速度，甚至还可以改变某些化学反应方向。技术水平属国内首创先进项目。

本发明的系统框架为：细胞破碎→物料降黏→提高发酵强度

工作过程：

细胞破碎——使不易破碎的根茎细胞破碎，使目标产物分离出来，参与分解，使产量增加。

超声波生化仪降黏——使物料在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种新的非常特殊的物理化学环境，使黏度下降，给以后工序创造条件。

提高发酵强度——发酵技术生产效率高，在食品领域利用发酵技术所占比重越来越大。对发酵技术本身的要求越来越高，迫使人们不断利用相关学科的技术来改善发酵工艺。本发明技术利用超声技术在发酵过程生物学特性（如酶的活性等），使物料的组织结构发生变化，细化了物料细胞表面和内部结构，使之易于酶制剂的渗透，为酶促反应提供了一个比较有利的物理化学环境。进而科学的促进生物反应器的优化使用。

本发明在乳化方面的应用：其工作机理是利用了超声波“空化效应”产生强大的声场作用，通过对物料的充分混合，其状态特性都有非常大的变化，可有效的使颗粒表面的包裹层分散，使颗粒表面积增大，增大了颗粒的反应面积，使颗粒的活性度及溶解度提高，使乳化率提高，产品质量稳定，生产效率提高。

超声波的线性交变振动，同期性激波、非线性的拍努力利力，空化复合作用使水分散相，油连续相原来不相容的重油和水在瞬间发生了质变，形成比较均匀的乳化油。尤其是使用流体动力型大功率超声波乳化仪，利用流体产生超声波，同时利用超声波对流体自身进行乳化，使乳化油更加均匀，再加上是在线工作，不受流量限制，乳化油根本不需要“储存”，从根本上甩掉“添加剂”这个历史包袱。从而为掺水乳油的普及开辟了广阔的道路。

由于创造性采用管道式在线工作处理乳化油，使在线生产满足燃烧器不同工况的需要成为现实。

将本发明应用于国内最大的制糖生产线（日榨16000吨甘蔗），国内最大的生产线，制糖业丙糖膏煮制的好坏，对产糖率有重大影响，而产糖率高低对糖厂的效益有决定性影响，从而减少丙糖废蜜带走糖份，是制糖业一直努力的方向，丙糖的特点，非糖份多，粘度大，就是这两个特点，注定了丙糖膏的对流性差、结晶率低，使用超声波生化仪后，利用超声波的空化效应释放的巨大能量，使糖浆网络状超微胶胞结构受到破坏，使糖浆液体黏滞力不可逆的降低。糖浆结晶由溶质分子的扩散和表面反应两个步骤组成，高粘度对于结晶这一传质过程来说是非常不利的。黏度下降，使糖浆容易混合均匀，加速了结晶体的生长，另一方面杂质可以有效的分离出来，减少了废蜜的含糖率。超声波的作用使糖浆黏度下降，加速晶体生长得到双重效应。这种双重效应最大的特点就体现在产品产量增加。使用超声波生化仪后，丙糖膏的废蜜重力纯度下降1%左右，每万吨甘蔗增收额为1万多元，年增收额几百万元。

将本发明应用于酒精制造业、淀粉破细胞、液化醪降黏、生物反应器工程应用。破碎纤维根茎细胞内的残留淀粉，让目标产物释放出来，参与分离水解，减少原料损失，提高原料的利用率。

液化醪降黏，超声波利用“空化效应”使黏度下降，确保酵母细胞质膜渗透作用的进行，给酶促作用创造条件。

生物反应器工程，由于降黏可使固形含量提高，使发酵强度提高，能明显的提高出酒率和淀粉利用率，发酵结束后乙醇浓度与原来生产工艺相比，乙醇浓度（酒分）平均提高1%以上的酒分。对年产10万吨生产线，提高酒分1%（V/V），年增收额上千万元。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，其特征在于，包括依次相连的底座（1）、透声筒（2）和端壳（3），设置于透声筒（2）内的压电换能发声组件，以及设置于透声筒（2）与压电换能发声组件之间的耦合介质（4）；所述压电换能发声组件内还设有用于支撑压电换能发声组件并与底座（1）相连且为内空结构的支撑轴（5），所述支撑轴（5）内还设有水冷系统；所述水冷系统包括位于支撑轴（5）内的冷却水管（6），以及位于透声筒（2）与底座（1）之间并与冷却水管（6）连通的进水管（7），以及位于透声筒（2）与底座（1）之间并与支撑轴（5）连通的出水管（8）。

2. 根据权利要求1所述的流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，其特征在于，所述压电换能发声组件包括套接于支撑轴（5）外的内应力环（9），套接于内应力环外的压电器件（10），以及套接于压电器件（10）外的外应力环（11）。

3. 根据权利要求2所述的流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，其特征在于，所述底座（1）为内空结构，且在其内还设有用于密封支撑轴（5）靠近底座（1）一端的封堵（12）。

4. 根据权利要求3所述的流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，其特征在于，所述端壳（3）内设有与透声筒（2）相连的热平衡装置（13）。

5. 根据权利要求4所述的流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，其特征在于，所述底座（1）上还设有用于电缆通过的电缆管（14），所述电缆管（14）内设有两根分别与内应力环和外应力环相连的电缆线。

6. 根据权利要求5所述的流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，其特征在于，所述底座（1）外部设有一个以上的螺纹孔（15）；所述端壳（3）外部同样还设有一个以上的螺纹孔（15）。

7. 根据权利要求3～6任一项所述的流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，其特征在于，所述透声筒（2）、内应力环（9）和外应力环（11）均由钛材制作而成。

8. 根据权利要求7所述的流体动力型大功率水冷式超声波乳化、生化一体仪，其特征在于，所述进水管（7）与底座（1）和透声筒（2）之间均设有密封垫；所述出水管（8）与底座（1）和透声筒（2）之间均设有密封垫；所述封堵（12）与底座（1）之间同样设有密封垫。