CN204052261U - 射流补核超声空化装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种射流补核超声空化装置，该装置包括：容器，容置有液体；换能器，换能器具有辐射面，辐射面位于容器内，容置在液体中,换能器将电能转换为超声波，超声波通过辐射面作用于液体，并在液体中形成声场；射流入水管，与容器相导通，向液体内通入含有气核的液体射流，液体射流冲击辐射面时，气核位于辐射面前，在声场的作用下在辐射面前方的区域形成大量空化云。由上可见，由于射流入水管向液体内通入了含有气核的液体射流，而超声空化对气核非常敏感，在一个富含气核的区域容易产生空化和大范围空化云，因此可以增加产生的空泡的数目，以及增大空化云的范围，增强空化处理效果，提高空化处理效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及超声空化技术领域，尤其涉及射流补核超声空化装置及方法。
背景技术
随着科学技术的发展，超声空化在我们的生活中得到越来越广泛的应用。超声空化，是指随着液体压强的下降，当达到液体的汽化压力时，液体中空泡的生成及其后续的动力学行为。超声空化的主要表现形式是随着超声波的压力变化，液体中出现按超声周期涨缩的微小气泡，大量这样的气泡形成空化云。超声空化过程中产生的气泡会不断溃灭，这些气泡溃灭的时候会在气泡内部产生高温高压，并在周围的液体中产生冲击波，当上述空化云贴近壁面的时候，所形成的冲击波会朝壁面运动并形成打向壁面的微射流，由此，超声空化具有力学效应和化学效应。超声空化在超声清洗、声化学、乳化、均化等方面都得到了广泛应用。
超声空化装置为超声空化的产生提供超声波的来源和超声空化的场所，换能器是超声空化装置的重要组成部分，可以将电能转换为超声波。现有技术中为了提高超声空化的处理效果，通常只注重对换能器的改进，但是单纯改进换能器超声空化的处理效果不佳，处理效率低。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种射流补核超声空化装置，用以解决现有技术中的单纯改进换能器超声空化的处理效果不佳，处理效率低。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种射流补核超声空化装置，该装置包括：容器，容置有液体；换能器，所述换能器具有辐射面，所述辐射面位于所述容器内，容置在所述液体中,所述换能器将电能转换为超声波，所述超声波通过所述辐射面作用于所述液体，并在所述液体中形成声场；射流入水管，与所述容器相导通，向所述液体内通入含有气核的液体射流，所述液体射流冲击所述辐射面时，所述气核位于所述辐射面前，在所述声场的作用下在所述辐射面前方的区域形成大量空化云。
采用本实用新型实施例所提供的射流补核超声空化装置，该射流补核超声空化装置中不仅包括用于容置液体的容器，用于将电能转换为超声波的换能器，还包括用于向液体内通入含有气核的液体射流的射流入水管，其中，换能器具有辐射面，辐射面位于容器内，容置在液体中，超声波通过上述辐射面作用于液体，并在液体中形成声场，射流入水管与容器相导通，当液体射流冲击上述辐射面时，气核位于辐射面前，在声场的作用下在上述辐射面前方的区域形成大量空化云。由上可见，由于射流入水管向液体内通入了含有气核的液体射流，而超声空化对气核非常敏感，在一个富含气核的区域容易产生空化和大范围空化云，因此可以增加产生的空泡的数目，以及增大空化云的范围，增强空化处理效果，提高空化处理效率。
附图说明
图1为本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置结构示意图；
图2为本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置用于硅片清洗时的空化效果实验照片；
图3为本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置用于硅片清洗时的空化效果实验照片；
图4为本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置用于硅片清洗时的空化效果实验照片；
图5为本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置用于硅片清洗时的空化效果实验照片；
图6为本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置用于硅片清洗时的空化效果实验照片；
图7为本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置用于硅片清洗时的空化效果实验照片；
图8为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置结构示意图；
图9为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置用于声化学反应器时的空化效果实验照片；
图10为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置用于声化学反应器时的空化效果实验照片；
图11为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置用于声化学反应器时的空化效果实验照片；
图12为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置用于声化学反应器时的空化效果实验照片；
图13为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置用于声化学反应器时的空化效果实验照片；
图14为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置用于声化学反应器时的空化效果实验照片；
图15为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置用于声化学反应器时的空化效果实验照片；
图16为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置用于声化学反应器时的空化效果实验照片。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置结构示意图，该装置包括：
容器101，容置有液体；
换能器102，该换能器102具有辐射面，该辐射面位于容器101内，容置在液体中,该换能器102将电能转换为超声波，超声波通过辐射面作用于液体，并在液体中形成声场；
射流入水管103，与容器101相导通，向液体内通入含有气核的液体射流，液体射流冲击辐射面时，气核位于辐射面前，在声场的作用下在辐射面前方的区域形成大量空化云。
其中，可以根据射流补核超声空化装置的具体用途来设计容器101。当射流补核超声空化装置用于清洗物体时，容器101可以为上端开口的半封闭结构，具体可以为水槽，当液体射流冲击辐射面时，气核位于辐射面前，形成大量空化云，空化云对辐射面前方的物体表面进行清洗；当射流补核超声空化装置用于促进化学反应的进行时，容器101可以为密闭结构，具体可以为反应器外壳，当液体射流冲击辐射面时，气核位于辐射面前，形成大量空化云，空化云促进反应器外壳内进行的化学反应。
图1中的容器101为水槽，其仅作为示意，容器101可以根据需要选择半封闭结构或封闭结构，本实用新型对此不做限定。
本实用新型实施例中，换能器102的工作频率可以为10kHz～50MHz，换能器102的平均辐射声强可以为2～6W/cm2。
采用本实用新型实施例一所提供的射流补核超声空化装置，该射流补核超声空化装置中不仅包括用于容置液体的容器101，用于将电能转换为超声波的换能器102，还包括用于向液体内通入含有气核的液体射流的射流入水管103，其中，换能器102具有辐射面，辐射面位于容器103内，容置在液体中，超声波通过上述辐射面作用于液体，并在液体中形成声场，射流入水管103与容器101相导通，当液体射流冲击上述辐射面时，气核位于辐射面前，在声场的作用下在上述辐射面前方的区域形成大量空化云。由上可见，由于射流入水管103向液体内通入了含有气核的液体射流，而超声空化对气核非常敏感，在一个富含气核的区域容易产生空化和大范围空化云，因此可以增加产生的空泡的数目，以及增大空化云的范围，增强空化处理效果，提高空化处理效率。
参照图1所示的射流补核超声空化装置结构示意图，本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置还可以进一步包括进水管104和出水管105，该装置可以用于硅片清洗，该装置包括：
水槽101，容置有液体；
换能器102，该换能器102具有辐射面，该辐射面位于水槽101内，容置在液体中,该换能器202将电能转换为超声波，超声波通过辐射面作用于液体，并在液体中形成声场；
射流入水管103，与水槽101相导通，向液体内通入含有气核的液体射流，液体射流冲击辐射面时，气核位于辐射面前，在声场的作用下在辐射面前方的区域形成大量空化云；
进水管104，与水槽101相导通；
出水管105，与水槽101相导通。
本实用新型实施例一中，当液体射流冲击辐射面时，气核位于辐射面前，形成大量空化云，空化云可以对辐射面前方的物体表面进行清洗。
其中，硅片106为待清洗物体，本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置可以用于清洗硅片，也可以用于清洗其他物体，当物体为薄片型物体时清洗效果较好，薄片型物体即物体表面为平面的物体。优选地，物体表面与辐射面均为平面，物体表面与辐射面平行相对。
本实用新型实施例一中，进水管104和出水管105为可选结构，设置进水管104和出水管105后，可以使用常流水式清洗，从而进一步提高物体的清洁度。
此外，图1所示的各组成部分之间的位置关系仅为示例，上述位置关系可以但不限于此。例如，换能器102的辐射面可以平行于水槽101底面，换能器102的辐射面也可以垂直于水槽101底面，换能器102的辐射面还可以与水槽101底面成一定角度，也就是说换能器102还可以倾斜放置于水槽101中。而根据换能器102的放置方式，可以选择硅片106的放置方式，优选硅片106和辐射面平行放置，从而使硅片106和辐射面之间形成一个液体薄层，上述液体薄层的厚度可以根据清洗对象的不同及清洁程度的要求来确定，例如，厚度为0.1mm～1cm，本实用新型对此不做具体限定。
本实用新型实施例一中，为了使液体射流能够冲击辐射面，可以使射流入水管103的管口朝向上述液体薄层，并使射流入水管103的管口与上述液体薄层处于同一平面中，以使液体射流朝向上述液体薄层。液体射流的射入方向可以根据实际情况来选择，优选与进水管104和出水管105的水流方向相一致。液体射流优选为经过特殊处理的富含一定气核的液体，含有气核的量、密度、气核大小等指标根据不同需要而定。
本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置也可以应用于清洗非薄片型物体，例如，清洗一个大物体的局部平面。
一般在液体薄层内发生的超声空化，产生的空化云在液体薄层内的分布是不均匀的，有的地方有空化，有的地方没有空化，这可能造成清洗不均匀的现象发生，此外由于局部空化较强，可能对被清洗物体造成空蚀损伤。采用本实用新型实施例一的射流补核超声空化装置，可以增加空泡个数，使整个液体薄层内均匀充满空化云，同时增加空泡内的含气量，降低空化阈值，降低空化溃灭的强度，减少对被清洗物体的空蚀损伤。
图2至图7为本实用新型实施例一中的射流补核超声空化装置用于硅片清洗时的空化效果实验照片，实验时，由一片玻璃板充当硅片，在辐射面的对面平行放置了一个玻璃板，辐射面和玻璃板之间构成了一个液体薄层，正对辐射面拍摄。该实验照片由6幅图组成，分别对应不同的时间。以图2为例，亮色部分是空化云，构成了网状，暗色部分是水，是没有空化的区域，呈一个个分立的小洞洞状，可见，图2中，空化云的分布是不均匀的，有的地方有空化，有的地方没有空化；从图3开始，有一股液体射流射入，图3至图7分别为水流射入液体薄层的过程中的不同时刻拍摄的照片。由图2至图7可见，随着水流的射入，亮色部分逐渐扩大，即空化区域逐渐扩大，直至整个区域均匀布满了空化云，没有未空化区域，整个液体薄层内全部是均匀的空化云，这证明了通过射流补核可以增大空化区域，降低空化阈值。
图8为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置结构示意图，该装置包括：
反应器外壳301，容置有液体；
换能器302，该换能器302具有辐射面，该辐射面位于反应器外壳301内，容置在液体中,该换能器302将电能转换为超声波，超声波通过辐射面作用于液体，并在液体中形成声场；
射流入水管303，与反应器外壳301相导通，向液体内通入含有气核的液体射流，液体射流冲击辐射面时，气核位于辐射面前，在声场的作用下在辐射面前方的区域形成大量空化云；
进水管304，与反应器外壳301相导通；
出水管305，与反应器外壳301相导通。
本实用新型实施例二中，当液体射流冲击辐射面时，气核位于辐射面前，形成大量空化云，空化云促进反应器外壳301内进行的化学反应。
其中，进水管304和出水管305为可选结构，具体地，进水管304用于将反应前的流体送入反应器外壳301，出水管305用于将反应后的流体送出反应器外壳301。
此外，图8所示的各组成部分之间的位置关系仅为示例，上述位置关系可以但不限于此。例如，换能器302的辐射面可以平行于反应器外壳301底面，换能器302的辐射面也可以垂直于反应器外壳301底面，换能器302的辐射面还可以与反应器外壳301底面成一定角度，也就是说换能器302还可以倾斜放置于反应器外壳301中。
本实用新型实施例二中，为了使液体射流能够冲击辐射面，可以使射流入水管303的管口朝向上述辐射面，液体射流可以正对着辐射面射出，也可以相对于辐射面倾斜入射，只要液体射流可以射到辐射面上即可。液体射流优选为经过特殊处理的富含一定气核的液体，含有气核的量、密度、气核大小等指标根据不同需要而定。
反应器外壳301通常为密闭结构；换能器302与反应器外壳301之间可以设置有胶圈，射流入水管303与反应器外壳301之间也可以设置有胶圈，胶圈用于密封反应器外壳301。为了密闭良好，还可以采用螺丝与上述胶圈搭配使用，具体地，换能器302的一部分伸入到反应器外壳301的空间内部，通过螺丝和胶圈密封。射流入水管303的喷嘴也伸入到了反应器外壳401的空间内部，也通过螺丝和胶圈密封，上述喷嘴即射流入水管303的管口。
优选地，辐射面为平面，射流入水管303与辐射面垂直。
优选地，换能器302的工作频率为10kHz～50MHz，最佳工作频率可以选择20kHz。
优选地，换能器302的平均辐射声强为2～6W/cm2。
此外，本实用新型实施例二中的液体射流可以为连续的液体射流，也可以为间歇性的脉冲液体射流，连续的液体射流产生的空化云是基本稳定的，间歇性的脉冲液体射流产生的空化云是变化的。
本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置，当换能器工作在较低的输入功率下，虽然产生的声强较弱，但是在液体射流冲击换能器辐射面时，会在辐射面的表面及附近的液体中产生大量空化云。该射流补核超声空化装置的优点是输入功率小，节能高效，产生的空化云较多，适用于对空化强度要求不太高的声化学反应，例如，可以应用于乳化，掺混，分离、分散、匀化、提取及加速化学反应等。
图9至图16为本实用新型实施例二中的射流补核超声空化装置用于声化学反应器时的空化效果实验照片，实验中换能器的工作频率为20kHz，换能器的平均辐射声强为2～6W/cm2，液体射流为间歇性的脉冲液体射流，该照片由8幅图组成，分别对应不同的时间。图9至图16中显示了，从液体射流射出到停止，在辐射面上产生的空化云的演化过程。图中的亮色代表空化云，该照片说明在原来没有空化的区域，加入射流补核后产生了空化云。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种射流补核超声空化装置，其特征在于，所述装置包括：
容器，容置有液体；
换能器，所述换能器具有辐射面，所述辐射面位于所述容器内，容置在所述液体中,所述换能器将电能转换为超声波，所述超声波通过所述辐射面作用于所述液体，并在所述液体中形成声场；
射流入水管，与所述容器相导通，向所述液体内通入含有气核的液体射流，所述液体射流冲击所述辐射面时，所述气核位于所述辐射面前，在所述声场的作用下在所述辐射面前方的区域形成大量空化云。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容器为水槽。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述辐射面为平面。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容器为反应器外壳。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述反应器外壳为密闭结构；所述换能器与所述反应器外壳之间设置有第一胶圈，所述射流入水管与所述反应器外壳之间设置有第二胶圈。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述辐射面为平面；所述射流入水管与所述辐射面垂直。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述换能器的工作频率为10kHz～50MHz。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述换能器的平均辐射声强为2～6W/cm2。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
进水管，与所述容器相导通；
出水管，与所述容器相导通。
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