CN1089889A

CN1089889A - 多功能大流量超声喷雾系统及其应用

Info

Publication number: CN1089889A
Application number: CN 92108648
Authority: CN
Inventors: 殷庆瑞; 王通; 惠森鑫; 姚烈
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 1992-11-30
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 1994-07-27
Anticipated expiration: 2007-11-30
Also published as: CN1046869C

Abstract

本发明涉及一种多功能大流量高效超声喷雾系统属声学超声雾化和超细粉体制备工程领域。它由构思独特、结构简单，易于加工的高效压电超声聚能器和设计新颖的功率超声发生器所组成的喷雾系统，以及配上行程合理的不同结构的流体循环网络可装配成酿酒、酿醋和香水的陈化调香器，酯化合成的化学反应器和陶瓷粉末，聚合物高分子等粉体的细化器，本系统的特点是喷雾流量大，雾滴尺寸可控，低功耗、无噪声、体积小、重量轻巧。功率发生器参数可调范围大，应用广泛，成本低等。

Description

本发明涉及一种高效超声雾化系统，特别是涉及一种多功能大流量超声喷雾系统，属声学超声雾化和超细粉体制备工程技术领域，在该领域有着重要的应用价值。

超细粉体制备和超声有机合成是现代材料科学和声化学应用领域中的前沿研究课题。由于强功率超声在液体和固体界面上所形成的超声空化效应为研究声化学和进行超细粉体制备创造了极端的高温、高压条件，运用强振幅大流量的超声雾化技术是完全可能实现上述的目的。超声喷雾系统就是利用强功率超声波作用于液体介质上，并在聚能器辐射面上产生空化效应的雾化装置。市售的医用超声雾化器。家用增湿器以及专利文献记载的超声喷油燃烧器、油印超声喷墨装置（参看专利CN87100781，CN85107669，JP62221462，US4352429）其专用性强，仅分别适用于雾化水、柴油、油墨等，且喷雾系统流量不大（以＜1升/小时计），无法适用于生产。近年还有超声细胞破碎器，浸入式超声化学反应器亦因价格昂贵，功耗高，噪声大，超声聚能器易发热，雾化效率低，不能长期运行因而不能在工业生产上推广应用。

本发明的目的在于提供一种多功能、大流量（以≥20升/小时计）的超声喷雾系统，以解决现有超声喷雾装置的诸多缺点，实现喷雾流量大、功能多、功耗低、噪声小、超声聚能器和功率电源长期运转稳定可靠，适于工业化生产并可广泛应用。

本发明的全套系统由超声聚能器Ⅰ，功率超声发生器Ⅱ和可控流速的循环装置Ⅲ三个部分组成。以下结合附图描述本发明的主要技术内容。图1为本发明的超声喷雾系统的装配示意图，图中Ⅰ系超声聚能器，其核心部件为喷头A，Ⅱ系功率超声发生器，核心部件为功率超声发生器B，Ⅲ为可控流速的循环装置。分述如下：图2为喷头A1的结构示意图，它由两片压电陶瓷3，其间有电极4，由前盖板2、后盖板5（包括紧固螺母6）与其组成夹心式结构。中间为流体通道7，雾化端面1位于聚能器的小端面，整个聚能器是λ/2振子或者是λ/4的奇数倍。为了达到大的喷雾流量以适应工业生产的需要，采用了三条技术措施：（1）严格按照λ/2或者λ/4整数倍的复合振子进行计算和加工，使聚能器辐射面上的振幅值达几十微米。（2）在保证有足够大的驱动声功率的同时，扩大主通道内径，以增加单位时间流量。（3）适度增大辐射面的表面积，采用A2、A3、A4所示的结构，（见图3、4、5它们分别为喷头A2、A3、A4结构示意图）。A2的雾化端面喷雾口加工成扩大的螺旋状的雾化面8，A3的雾化端面加工成带外螺旋状的小雾化端面1，在其上均匀分布数个小孔9，并与流体主通道7相连通。A4的雾化端面1背面上方设置一个悬立的多孔道10，为一路流体，经多孔小通道注入雾化端面的背面，形成双面辐射，增大雾化量。为了制备各种不同组成的细颗粒陶瓷粉体，雾化端面和内壁用等离子喷涂耐磨涂层，以防止磨损和腐蚀。

第Ⅱ部分为宽频带、低功耗、输出阻抗可调的功率超声发生器B（见图1及图6）其作用是为超声聚能器A提供强功率，频率调谐至压电振子共振频率的驱动信号，使聚能器幅射面产生几十微米的振幅，从而使各种流体介质在幅射面上被雾化，或者进行声化学反应。它由功率超声发生器图6给出。图6中有5个组成单元，精密波形发生器11、驱动电路12、功率放大电路13、匹配网络14、调制扫频控制电路15，图中A为喷头。为达到整机工作稳定，在精密波形发生器电路设计中，采用了专用集成电路，以产生频率稳定，且不受外电源波动影响的脉冲信号，同时具有工作频率范围宽，输出阻抗可变的特点。在功率放大电路设计中，选用了VMOS器件＊取代了通常的晶体管器件。提高了整机的开关速度，降低了功耗，运行可靠。且体积小。同时功放电路采用了推挽功率合成网络，因而电源利用率高，功耗低器件不易损坏。为了提高超声聚能器喷雾稳定性和雾化效率以及降低功耗，采用了串联电感的匹配网络。同时设计了调制扫频控制电路15，控制波形发生器11产生扫频信号，使超声聚能器A产生不影响主振频率的微弱不规则振动，以去除吸附在辐射端面上的液体或浆料，使整个系统能连续运行。

第Ⅲ部分为可控制流速的循环系统（见图1），图中C为流体泵;D为容器（玻璃、不锈钢、塑料等）;E为电动搅拌器;F为带磁力搅拌的温控加热器;G为液体或浆料液的流动管道，H为超声聚能器的电源线。

本系统可根据适用需要，择用不同的组合：

A、B、C、D、F组合，构成超声喷雾化学反应器;

A、B、C、D、E组合，构成超细粉体细化器;

A、B、C、D组合，构成各类酿酒、酿醋、饮料和香水的陈化调香器。

本发明的效果如下：

1.本发明研制的超声聚能器长度比现有技术通用的压电聚能器缩短一半，且结构简单，雾化效率高。

2.由于超声聚能器以及整个系统的多种设计方案，增强了辐射面的振动幅度，增大了雾化表面积，提高了超声喷雾流量，可达20升/小时以上，可自动去除辐射面上吸附的液体或浆料。

3.本发明中设计的宽频带，低功耗的超声发生器与专利文献记载的超声喷油燃烧器，市售医用喷雾器相比有工作频率范围宽、功耗低、负载能力强等优点，能很好地与不同工作频率、不同阻抗值的聚能器进行匹配，一机多用，成本低，见下表所示。

4.本发明在声学超声雾化和超细粉体制备工程领域有着广泛用途：声化学应用（酒类陈化、香水熟化、酯类声化学合成）陶瓷粉体制备等。

5.利用本系统亦可粉碎细化各种动物壳体，如制备虾壳粉、蟹壳粉、珍珠粉、鱼骨粉等，还可用于制备超细颗粒的尼龙，聚乙烯粉体等可用于磨面美容霜中的添加剂。

表1 本发明与现有技术比较

比较仪器性能	普通雾化器上用的超声发生器	本专利上的功率超声发生器
			工作频率范围	以单一频率工作，频率不可调节	可在较宽频率范围内工作（20－100KHz)频率可方便调节
功耗	功耗大	功耗为前者的1／2－1／3
			负载能力	带单只超声聚能器	可带多个超声聚能器一机多用
喷雾稳定性	稳定性差，有断续现象	稳定性好，连续运行
			阻抗范围	固定	可调

以下为本发明实施例：

（一）本超声雾化系统的配置：

系统由超声聚能器Ⅰ、功率超声发生器Ⅱ和可控流速的循环装置Ⅲ三部分组成。

（1）超声聚能器Ⅰ由两片压电陶瓷片3，其间有电极4，与金属前盖板2和金属后盖板5（包括紧固螺母6）构成夹心式压电聚能器，中间为流体通道7，雾化端面1位于聚能器的小端面。

（2）功率超声发生器B：由精密波形发生器11产生频率稳定可调的脉冲信号，经驱动电路12输出，方波驱动信号推动由VMOS器件组成的功率放大电路13，信号输出经匹配网络14，加到压电振子上，并在超声喷头A上产生强烈的振幅，经调制扫描控制电路15，控制波形发生器作扫频输出。

（3）可控流速的流体循环网络：内插有电动搅拌器E的容器D坐于带磁力搅拌的控温加热器F上，超声聚能器Ⅰ位于容器D的一侧，另一侧开口处，流体或浆料经管道G与流体泵C流通。借超声聚能器的电源线H与超声功率发生器B相连接。

（二）声化学应用：

由图1所示A、B、C、D及F组合构成陈化调香器或酯经化学反应器。

1.酒类陈化

（1）洋河普曲（二级，55°）经超声陈化循环后，由上海粮油测试中心用气相色谱仪分析，证实白洒中乙醛明显减少，己酸乙酯，乳酸乙酯有所增加（见表2），因而改善了白酒的辛辣口味，增加了醇香味，提高了白酒的质量（见附录1，气相色谱图）。

表2 酒类超声陈化效果

相对含量处理情况	已酸乙酸（％）	乳酸乙酯（％）
			未超声处理	0.3606	0.1212
超声二次	0.4332	0.1781
			超声四次	0.4928	0.3651

（2）苏州东吴酒厂生产江苏老酒（＞16°）经超声陈化循环三次，由该厂技术科鉴定，相当于该酒贮存三年的质量（见附录2）。该酒常年出口日本。

2.香水熟化

在上海日用化学品四厂支持下，取新鲜配制的古龙香水进行超声雾化处理，经鉴定确认处理之后，古龙香水气味柔和，减少了刺激性（见附录3）。

3.乙酸乙酯的声化学合成

在上海有机化学研究所合作下，将等摩尔量冰乙酸和无水乙醇混合，在不加H₂SO₄催化剂和室温条件下经超声雾化处理，生成具有香蕉味的乙酸乙酯。

目前该装置已正式用于科研工作，代替了以往的实验仪器。

（三）超细粉体制备技术：

超细粉体细化器由图1中A、B、C、D、E所组合，流体泵C可使用蠕动泵或者齿轮泵。

1.聚四氟乙烯粉体

取经80目筛子过筛的Tetlon粉末配制成20%（W/V）的乙醇溶液，投入D容器内，搅拌与循环输送进行超声喷雾，其结果见表3所示。

表3 聚四氟乙烯粉体超声制备效果

	超声循环次数
						超声情况	未超声	1	2	4	8
平均粒径	10－15μ	8μ	6μ	4μ	2－3μ

2.陶瓷粉体制备

取经20目筛过的半导体陶瓷粉体配制成15%（W/V）的乙醇溶液，投入D容器内，搅拌与循环输送进行喷雾，未经超声雾化处理之前，粒径1μm以下的颗粒占总数的20%，经处理之后1μm以下的颗粒占总数的80%，具有明显的粉碎作用，见附录3，同时用电子探针进行颗粒分析，经超声雾化处理后，图像已明显看出颗粒变小，团聚少，分散性好。见附录4。充分显示了超声雾化对于制备超细粉体有明显的作用。

超声聚能器的端面用等离子喷涂技术喷上一层耐磨涂层，则本系统可用于粉碎细化氮化硅、氧化锆等硬质粉料。

利用本系统亦可粉碎细化各种动物壳体，如虾壳粉、蟹壳粉、珍珠粉、鱼骨粉等，还可以制备超细颗粒的尼龙，聚乙烯粉体等可用于磨面美容霜中的添加剂。

Claims

1、一种多功能大流量超声喷雾系统，包括超声聚能器、超声功率发生器、流体循环网络，其特征在于：

(1)超声聚能器Ⅰ：由两片压电陶瓷片3，其间有电极4，与金属前盖板2和金属后盖板5(包括紧固螺母6)，构成夹心式压电聚能器，中间为流体通道7，雾化端面1位于聚能器的小端面。

(2)功率超声发生器B：由精密波形发生器11产生频率稳定可调的脉冲信号，经驱动电路12输出，方波驱动信号推动由VMOS器件组成的功率放大电路13，信号输出经匹配网络14，加到压电振子上，并在超声喷头A上产生强烈的振幅，经调制扫描控制电路15，控制波形发生器作扫频输出。

(3)可控流速的流体循环网络：内插有电动搅拌器E的容器D坐于带磁力搅拌的控温加热器F上，超声聚能器Ⅰ位于容器D的一侧，另一侧开口处，流体或浆料经管道G与流体泵C流通，借超声聚能器的电源线H与超声功率发生器B相连接。

2、根据权利要求1的超声喷雾系统，其特征在于超声聚能器Ⅰ可采用A2结构，A2的雾化端面喷雾口加工成扩大的螺旋状的雾化端面8。

3、根据权利要求1的超声喷雾系统，其特征在于超声聚能器Ⅰ可采用A3的结构

（1）A3的雾化端面加工成带外螺旋状的雾化端面;

（2）端面1周围均匀分布多个小孔与流体主通道G相连通。

4、根据权利要求1的超声喷雾系统，其特征在于超声聚能器Ⅰ可采用A4的结构，在雾化端面1的背面，另设置一个悬立的多孔道9，另一路流体由多孔小通道注入雾化端面的背面。

5、根据权利要求1的超声喷雾系统，其特征在于功率超声发生器B，采用以VMOS器件组成的推挽功率合成电路。

6、一种多功能大流量超声喷雾系统，其特征在于可适用的范围是：

（1）声化学应用-酒类、醋类陈化、香水熟化、酯类的声化学合成等;

（2）超细粉体制备技术-有机塑料粉体、陶瓷粉体、萤光粉、各种动物壳体等。

7、根据权利要求1的超声喷雾系统，其特征在于：

（1）超声聚能器Ⅰ、功率超声发生器B、流体泵C、容器D组合，可构成酿酒、酿醋、香水、饮料的陈化调香器;

（2）由超声聚能器Ⅰ、功率超声发生器B、流体泵C、容器D及控温加热器F组合，构成超声喷雾化学反应器;

（3）由超声聚能器Ⅰ、功率超声发生器B、流体泵C、容器D及电动搅拌器E组合，构成超细粉体细化器。