CN107899526A - 一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，包括声化学反应容器，在声化学反应容器底面A以及与底面垂直且相交的两个侧面B和C粘贴超声阵子，底面A和两个侧面B和C构成超声辐射面，在与三个超声辐射面A、B、C相对的三个超声反射面F、D、E上安装反射板，该反射板拓扑结构的高度制成反应容器辐射超声波四分之一波长的整数倍，使沿超声辐射方向的驻波波腹和波节能相互叠加；反应容器内部安装液位传感器，通过单片机控制反应容器进液口及出液口的开关阀，控制密闭反应容器中反应液体积以及超声处理时间。本发明可明显改善反应容器中的声场强度及分布，有效削弱驻波效应，实现对反应液或待处理产品高效处理。
Description
技术领域
本发明属于声化学研究技术领域，特别涉及一种能有效提高声场强度及改善声场分布的箱体式声化学反应装置。
背景技术
声化学处理装置是功率超声应用中最为广泛的一种，声化学反应容器是指向反应液中辐射声波，并在其作用下促进声化学反应的容器或系统，该反应是基于超声空化效应实现的，利用空化泡溃灭过程中产生的高温高压及微射流实现对工件及反应液的高效处理，因此，声化学处理装置具有反应速度快，处理效率高，成本低及易于实现等优点，被广泛应用于机械、光学、电子、纺织、化工、航空航天、船舶、原子能以及医疗医药等工业部门。
在常用的声化学反应装置中，超声引入方式有浸入式和间接式两种，浸入式是指将超声信号驱动的变幅杆直接浸入反应液，优点是可以将超声能量直接传递到反应介质，获得局部高能量声场，缺点是剧烈的声空化会造成变幅杆端面侵蚀，不仅污染反应液，也会影响换能器性能，此外，浸入式装置产生的声空化体积非常有限，因此主要用于实验研究。间接式是指将换能器粘贴在箱底，通过箱底的钢板向容器内辐射声波，优点是能有效增加处理面积，可在一定程度上改善声场分布，缺点是获得的声场强度相对低，壁面及液面的反射增加了声能损耗，此外，间接式装置存在明显的驻波效应，造成声场分布不均。该箱体式声化学处理装置已实现工业规模化生产，但其声场强度及均匀性都有待进一步提高。
目前的研究中，箱体式声化学反应容器主要从声参数(如声强、频率、声功率，声辐射时间)和介质参数(如含气量、温度及粘滞性)两个方面来增加声场强度，以及通过改变反应容器的形状和换能器的排布方式来改善声场分布。
这些方法虽然在不同程度上提高了声场强度及均匀性，但也存在不同程度的缺陷，如斜底式反应槽的加工复杂且不利于工件摆放；调频技术通常采用的换能器频带窄，可调频率范围小，不利于提高整体的反应效率；利用多频超声反应，需要采用不同频率的换能器组合，这样对一个反应容器需要不同输出频率的功率放大器提供驱动，增加设备成本，同时，工作稳定性也会受调频技术影响。
发明内容
针对上述现有箱体式声化学反应容器的不足，本发明提出了一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，包括声化学反应容器，在声化学反应容器底面A以及与底面垂直且相交的两个侧面B和C粘贴超声阵子，底面A和两个侧面B和C构成超声辐射面，各超声辐射面的换能器均可单独控制，三个超声辐射面全部开启时，获得声辐射方向正交的混响型声场；在与三个超声辐射面A、B、C相对的三个超声反射面F、D、E上安装反射板，该反射板拓扑结构的高度制成反应容器辐射超声波四分之一波长的整数倍，使沿超声辐射方向的驻波波腹和波节能相互叠加，打破驻波场的带状分布，削弱驻波效应；
反应容器内部安装液位传感器，通过单片机控制反应容器进液口及出液口的开关阀，控制密闭反应容器中反应液体积以及超声处理时间。
可选地，所述反射板拓扑结构的高度统一。
可选地，所述反射板拓扑结构制成不同整数倍高度的间隔交错排布。
可选地，所述反射板制成回字形环状结构。
可选地，所述反射板为不同粗细条状板的平行排布结构。
可选地，所述反射板为垂直交叉排布结构。
可选地，所述反射板为弧形结构。
可选地，所述声化学反应容器与反射板制成一体化结构。
可选地，所述反应容器反射面D、E的内壁设计凸出的卡槽固定反射板。
可选地，利用电磁铁控制所述反射板的固定与拆卸。
本发明的有益效果是：
(1)与当前的声场优化方法相比，本发明可明显改善反应容器中的声场强度及分布，有效削弱驻波效应，实现对反应液10或待处理产品16高效处理。
(2)本发明装置是在原有的反应容器8上增加反射板9，因此具有操作简单且易于实现，成本低，对反应容器8及超声阵子3无特殊要求突出优点，便于工业化推广。
(3)本发明可通过更换不同拓扑结构的反射板9以及与不同辐射方向声波的配合，实现不同特性的声场，从而满足对反应容器不同声场特性的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的声化学处理装置示意图；
图2是本发明的声化学反应容器示意图；
图3为本发明的反射板安装结构简图；
图4为本发明的反射板拓扑结构设计简图；
图中：1注液口；2注液口开关阀；3超声阵子；4出液口；5示波器；6超声放大器；7超声发生器；8声化学反应容器；9反射板；10反应液；11把手；12容器盖；13传感器；14单片机；15固定卡槽；16待处理产品；17出液口开关阀。
A 底部超声辐射面 B 侧面超声辐射面 C 侧面超声辐射面
D 侧面超声反射面 E 侧面超声反射面 F 顶部超声反射面
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明基于声波传播理论，设计出一种高强度、高均匀性且可实现反应液自动流动的声化学反应处理装置，可应用于超声清洗、粉碎、乳化、分散以及污水处理等诸多超声处理领域。
如图1和图2所示，本发明的声化学处理装置包括声化学反应容器，在声化学反应容器底面A以及与底面垂直且相交的两个侧面B和C粘贴紧密排布的超声阵子3，底面A和两个侧面B和C构成超声辐射面，各超声辐射面A、B、C的换能器均可单独控制，三个超声辐射面A、B、C全部开启时，可获得声辐射方向正交的混响场，可有效增加声场强度，获得高声能密度的混响型声场。
针对声场分布的不均匀性，本发明在与三个超声辐射面A、B、C相对的三个超声反射面F、D、E上安装反射板9，本发明设计了的反射板9，固定在反应容器8内部的超声反射面D、E、F上，该反射板具有四分之一波长高度凹凸拓扑结构，使沿超声辐射方向的驻波波腹和波节能相互叠加，从而打破驻波场的带状分布，有效削弱驻波效应，消除加工盲区，实现反应液10或待处理产品16的均匀高效处理。
反应容器内部安装液位传感器13，通过单片机14控制反应容器进液口1及出液口4的开关阀2和17，有效控制密闭反应容器中反应液体积以及超声处理时间，本发明的声化学处理装置可实现容器密闭时反应液的自动化处理。此外，也可以手动调节进液口1及出液口4的开关阀2和17，实现超声处理过程中的实时操控。
下面结合说明书附图，对本发明的反射板的结构进行详细说明。
反射板9可根据对反应容器8的声场强度及均匀性的要求，设计不同形状以及不同疏密排布的凹凸拓扑结构。
如图4a所示，反射板可制成回字形环状结构；如图4(c、d、e)所示，反射板为不同粗细条状板的平行排布结构；如图4g所示，反射板为垂直交叉排布结构；如图4f所示，反射板为弧形结构。
反射板拓扑结构的高度制成反应容器辐射超声波四分之一波长的整数倍，既可以统一反射板9拓扑结构的高度，如图4a，也可制成不同整数倍高度的间隔交错排布，如图4b，实现不同均匀性的声场。
声化学反应容器8与反射板9可以制成一体化结构，也可采用多种方式实现反射板9的安装与拆卸。如在反应容器8反射面D、E的内壁设计凸出的卡槽15固定反射板9，如图3所示。也可利用电磁铁控制反射板的固定与拆卸，对于大型超声反应容器8，可适当增加反应容器8反射面的壁厚，采用螺钉紧固反射板9；通过更换不同拓扑结构的反射板9，实现不同特性的声场。
本发明在反应容器8的底面A以及与底面垂直且相交的两个侧面BC上粘贴紧密排布的超声阵子3，并且每个方向的阵子3可单独控制，在超声反射面DEF上安装反射板9，以削弱沿超声辐射方向的形成的驻波场，获得平行辐射面的单向均匀声场。当三面超声全部开启时，在与其相对的三个反射面安装反射板9，则反应容器8内可实现高声能密度且分布均匀的混响型声场。本发明可通过更换不同拓扑结构的反射板9以及与不同辐射方向声波的配合，实现不同特性的声场。
本发明主要针对箱体式声化学反应装置，在超声反应容器三个正交垂直面布置超声阵子，以及在原有规则的反应容器的基础上增加可便于安装与拆卸的具有四分之一波长高度凹凸拓扑结构的反射板9，进行声场优化，操作简单易于实现，成本低，且对反应容器及换能器无特殊要求，此外，该发明可通过更换不同拓扑结构的反射板9以及与不同辐射方向声波的配合，实现不同特性的声场。
与当前的声场优化方法，如采用混频声源激励或改变反应容器形状相比，本发明具有可明显改善反应容器中的声场强度和均匀性，以及提高加工效率、降低成本且易于实现等突出优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，包括声化学反应容器，在声化学反应容器底面A以及与底面垂直且相交的两个侧面B和C粘贴超声阵子，底面A和两个侧面B和C构成超声辐射面，各超声辐射面的换能器均可单独控制，三个超声辐射面全部开启时，获得声辐射方向正交的混响型声场；在与三个超声辐射面A、B、C相对的三个超声反射面F、D、E上安装反射板，该反射板拓扑结构的高度制成反应容器辐射超声波四分之一波长的整数倍，使沿超声辐射方向的驻波波腹和波节能相互叠加，打破驻波场的带状分布，削弱驻波效应；
反应容器内部安装液位传感器，通过单片机控制反应容器进液口及出液口的开关阀，控制密闭反应容器中反应液体积以及超声处理时间。
2.如权利要求1所述的一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，所述反射板拓扑结构的高度统一。
3.如权利要求1所述的一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，所述反射板拓扑结构制成不同整数倍高度的间隔交错排布。
4.如权利要求2或3所述的一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，所述反射板制成回字形环状结构。
5.如权利要求2或3所述的一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，所述反射板为不同粗细条状板的平行排布结构。
6.如权利要求2或3所述的一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，所述反射板为垂直交叉排布结构。
7.如权利要求2或3所述的一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，所述反射板为弧形结构。
8.如权利要求1所述的一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，所述声化学反应容器与反射板制成一体化结构。
9.如权利要求1所述的一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，所述反应容器反射面D、E的内壁设计凸出的卡槽固定反射板。
10.如权利要求1所述的一种基于反射板拓扑结构减弱驻波效应的声化学处理装置，其特征在于，利用电磁铁控制所述反射板的固定与拆卸。
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