CN104138736B - 一种超声空化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声空化装置，该装置包括：振体和反射体，其中振体一端设置辐射面，辐射面与反射体之间构成一个液体薄层；振体生成超声波，通过辐射面进入到液体薄层中，并在液体薄层中形成声场；反射体反射辐射面辐射的超声波，经过反射体和辐射面对超声波的多次反射和叠加，使液体薄层内的声场得到强化，从而形成沿液体薄层横向铺展的大面积的空化云。本发明提供的超声空化装置，通过在换能器辐射面对侧安置一个反射面，使得在较小的输入功率下，在液体薄层内的声场强化形成大面积横向铺展的空化云。
Description
技术领域
本发明涉及超声空化领域，尤其涉及一种超声空化装置。
背景技术
空化是指当液体的压强下降到足够低时液体中空泡的生成及其后续的动力学行为，其主要表现形式是在周期性的声场压力作用下，液体中出现大量的不断涨缩的微小气泡，这些气泡按照超声波的周期瞬间产生又瞬间溃灭(在数微秒至数十微秒之间)，形成气泡的云雾。这些气泡溃灭的时候会在气泡内部产生高温高压，在周围的液体中产生冲击波，在贴近壁面的时候会朝壁面运动并形成打向壁面的微射流。目前对空化的应用比如超声清洗和声化学都是在较大水体中进行，这样一方面造成水资源的浪费，同时也因为声能分散而造成空化效率降低。我们研究发现在液体薄层中出现了新的空化形式，这种空化需水很少，具有很高的空化云体积百分比和能量利用率，还有较低的输入功率和较高的空化强度，在超声清洗、表面处理、声化学和超声医疗等领域都有潜在的应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术超声空化装置效率低下的问题，提供一种高效的超声空化装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种超声空化装置，该装置包括：振体和反射体，其中，振体一端具有辐射面，辐射面与反射体之间构成一个液体薄层；振体生成超声波，通过辐射面进入到液体薄层中，并在液体薄层中形成声场；
反射体反射辐射面辐射的超声波，经过反射体和辐射面对超声波的多次反射和叠加，使液体薄层内的声场得到强化，从而形成沿液体薄层横向铺展的大面积的空化云。
优选地，液体薄层的厚度小于10毫米。
优选地，辐射面和反射体是两个相对布置的直板或弯曲板。
优选地，超声空化装置还包括：固定和调节组件，固定和调节组件用于将振体固定在支架上，通过支架的可调节支腿来调节液体薄层厚度。
优选地，超声空化装置还包括：防空载组件，用于当液体薄层中的液体少于预设液体量时断开振体电源。
优选地，超声空化装置中的振体是换能器。
本发明提供的超声空化装置，通过在换能器辐射面对侧安置一个反射面，使得在较小的输入功率下，在液体薄层内的声场强化形成大面积横向铺展的空化云，该空化云具有极高的空间体积比和很高的空化强度，可用于教学、科研、工业分析中处理少量液体的动植物组织、细胞、细菌、芽胞菌种的破碎，也可用于平整表面的定位清洗，以及平整表面的表面硬化、去除氧化膜等表面处理。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种超声空化装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种超声空化装置结构示意图；
图3a为本发明实施例中液体薄层超声空化的高速摄影照片；
图3b为本发明实施例中液体薄层厚度为2.02mm时的高速摄影照片；
图4为本发明实施例中液体薄层不同厚度的高速摄影照片；
图5为本发明实施例中液体薄层超声空化中空化云所占的体积百分比随液体薄层厚度的变化示意图；
图6为本发明实施例提供的超声空化装置结构示意图；
图7为本发明实施例提供的超声空化装置应用场景一示意图；
图8为本发明实施例提供的超声空化装置应用场景二示意图。
具体实施方式
通过以下结合附图以举例方式对本发明的实施方式进行详细描述后，本发明的其他特征、特点和优点将会更加明显。
图1为本发明实施例提供的一种超声空化装置结构示意图。如图1所示，该超声空化装置包括：振体1和反射体4，其中振体1一端具有辐射面2，辐射面2与反射体4之间构成一个液体薄层3。振体1用于将电能转换为超声波，超声波通过辐射面2进入到液体薄层3中，并在液体薄层3中形成声场。
反射体4反射辐射面2辐射的超声波，经过反射体4和辐射面2对超声波的多次反射和叠加，使液体薄层3内的声场得到强化，从而形成沿液体薄层3横向铺展的大面积的空化云。
优选地，振体1选用换能器，液体薄层3的厚度小于10毫米，振体1的辐射面2和反射体4相对布置，可以是两个平行直板相互平等、也可以是两个曲率相同或相近的弯曲板构成的一个弯曲的液体薄层。或者辐射面2和反射体4保持一个斜度，如图4所示，此时的空化云也是薄的地方和厚的地方不同，只要最厚的地方不超过薄层的上限就可以。图4中的液体薄层3厚度下部比上部小。
作为本发明实施例的一个改进，超声空化装置还包括防空载组件(图中未示出)，当超声空化装置的液体薄层中的液体少于预设液体量时断开振体1的电源。
需要说明的是，本发明实施例中的液体薄层空化因为空间和边界的特殊性而呈现如下特征：1、因超声能量衰减而产生的声流受限；2、液体薄层空化云的产生更接近动力空化而非声空化；3、空间狭小限制了空泡尺寸及空化云的纵向发展；4、周界入口截面小，流场具有特殊性。上述特性使薄层空间出现了全新的空化结构。
本发明提供的液体薄层超声空化装置，通过在换能器辐射面对侧安置一个反射面，使得在较小的输入功率下，在液体薄层内的声场强化形成大面积横向铺展的空化云，该空化云具有极高的空间体积比和很高的空化强度，可用于教学、科研、工业分析中处理少量液体的动植物组织、细胞、细菌、芽胞菌种的破碎，也可用于平整表面的定位清洗，以及平整表面的表面硬化、去除氧化膜等表面处理。
图2为本发明实施例提供的另一种超声空化装置结构示意图。如图2所示，该超声空化装置属于一个过流式薄层空化反应器，其包括振体1和反射体4，振体1一端设置辐射面2，辐射面2与反射体4之间构成一个液体薄层3。反射体4设置进水口和出水口，振体1的外表面和反射体4内表面分别设置有密封圈5，通过进水口向液体薄层4中注入液体，通过出水口再将流经液体薄层4的液体排出。
图3a为本发明实施例中液体薄层超声空化的高速摄影照片。液体薄层3内的空化云横向铺展，随着液体薄层3的厚度的增加将依次出现麻点状空化云、蜂窝状空化云、网状空化云和Smoker空化云。如图3所示，(1)图中液体薄层厚度为0.00mm，薄层厚度依次增大，直至(10)图中液体薄层厚度为8.60mm时，液体薄层3中依次出现的空化云形态。
液体薄层3中的空化云形态、空化云中空泡的大小、空化云体积百分比随液体薄层3的厚度和平均辐射声强变化而变化，因此可以针对不同需要选择适当的液体薄层3的厚度和平均辐射声强。
需要说明的是，不同液体薄层厚度时的空化云的形态，根据不同的需要可选择不同的空化云形态。可通过选择不同的功率和薄层厚度实现这一点。液体薄层内的空化云的薄层厚度是有上限的，在这一上限之内，空化云是连续相而未空化的水是离散相，当超过这一上限，将出现分立的Smoker空化云，空化云变成离散相，而未空化的水变成连续相，此时说明反射体的影响已经较弱，超过这一厚度就不属于薄层空化范畴。不同的辐射面大小和不同的辐射声强这一厚度上限不同，可以事先实验确定。
图3b为本发明实施例中液体薄层厚度为2.02mm时的高速摄影照片。如图3b所示，当液体薄层3的厚度为2.02mm时，液体薄层3中的空化云不断演化，例如(1)为0s时空化云的形态、(2)为0.95s时空化云的形态、(3)为1.74s时空化云的形态，以及(4)为2.83s时空化云的形态。也就是说，从长时间来看液体薄层3各处都有出现空化的机会，具备遍历性，从这点来说空化云是时间、空间均匀分布的，提出这一点主要是针对超声清洗和表面处理，不至于出现有些地方处理不到和清洗不到的情况。
图5为本发明实施例中液体薄层超声空化中空化云所占的体积百分比随液体薄层厚度的变化示意图。如图5所示，本发明实施例液体薄层超声空化的空化云所占的体积百分比随薄层厚度的变化而变化，图中显示整体上空化云体积百分比很高，最高时达到了接近80％，具有很高的利用价值。
图6为本发明实施例提供的超声空化装置结构示意图。如图6所示，超声空化装置包括振体1、反射体(图中未示出)，以及固定和调节组件，固定和调节组件包括支架8和支腿9，固定和调节组件将振体1固定在支架8上，通过支架8的可调节支腿9来调节液体薄层的厚度。
图7为本发明实施例提供的超声空化装置应用场景一示意图。图7是一个过流式薄层空化反应器，可用于乳化、分离、分散、匀化、提取及加速化学反应等等，也可用于其它声化学处理。可用于生物化学、微生物学、药物化学、表面化学、动物学、农学、医学、制药等领域教学、科研、检测等。如图7所示，超声空化装置包括换能器23、有机玻璃板22和玻璃板21，其中，换能器23和有机玻璃22粘接在一起，有机玻璃板22和玻璃板21构成液体薄层24，换能器23的振动传递给有机玻璃22，使有机玻璃22一起振动，这样在玻璃板21和有机玻璃板22之间的液体薄层将发生空化，对液体中的细胞进行破碎处理，由于玻璃板21和有机玻璃22是透明的，在光源的照射下通过显微镜20可以实时观察和监测液体内部变化。
图8为本发明实施例提供的超声空化装置应用场景二示意图。如图8所示，通过本发明实施例提供的超声空化装置对人体皮肤病进行处理，利用液体薄层内的空泡溃灭的高温高压冲击波和微射流对病灶进行处理。
显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。
Claims (7)
1.一种超声空化装置，其特征在于，所述装置包括：振体和反射体，其中，所述振体一端具有辐射面，所述辐射面与所述反射体之间构成一个液体薄层；
所述振体生成超声波，通过所述辐射面进入到所述液体薄层中，并在所述液体薄层中形成声场；
所述反射体反射所述辐射面辐射的超声波，经过所述反射体和所述辐射面对所述超声波的多次反射和叠加，使所述液体薄层内的声场得到强化，从而形成沿所述液体薄层横向铺展的大面积的空化云；
其中，所述液体薄层的厚度小于10毫米。
2.根据权利要求1所述的超声空化装置，其特征在于，所述辐射面和所述反射体是两个相对布置的直板或弯曲板。
3.根据权利要求1所述的超声空化装置，其特征在于，还包括：固定和调节组件，所述固定和调节组件用于将所述振体固定在支架上，通过所述支架的可调节支腿来调节所述液体薄层厚度。
4.根据权利要求1所述的超声空化装置，其特征在于，还包括：防空载组件，用于当所述液体薄层中的液体少于预设液体量时断开所述振体电源。
5.根据权利要求1所述的超声空化装置，其特征在于，所述振体是换能器。
6.根据权利要求1所述的超声空化装置，其特征在于，所述反射体是玻璃板，所述振体包括换能器和有机玻璃板，所述玻璃板和所述有机玻璃板之间构成一个液体薄层。
7.根据权利要求1所述的超声空化装置，其特征在于，所述反射体设置进水口和出水口，所述振体的外表面和反射体内表面之间设置有密封圈，通过进水口向液体薄层注入液体，通过出水口将流经液体薄层中的液体排出。
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