CN208032762U - 超声波聚能破碎装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及微细化加工技术领域，特别涉及超声波聚能破碎装置。该装置包括超声波换能器(1)、耦合液腔体(2)、聚能破碎腔体(3)、隔膜(4)以及隔膜凹槽(7)。该装置利用具有凹球状换能面的超声波换能器产生能量聚焦，并利用圆柱破碎腔进行次级能的导引回收、反射聚集，控制载有颗粒的料液流经各级能量富集区域。本实用新型的超声波聚能破碎装置，其能量汇聚有利于能量密度提高，为破碎提供高量级能量供给。该装置能够提升能量量级和能量利用效率，改善颗粒微细化过程的可控性和产品粒度的一致性。
Description
技术领域
本实用新型涉及微细化加工技术领域，特别涉及超声波聚能破碎装置。
背景技术
超声破碎是利用液体介质中的超声场，对其中的固体颗粒或生物组织等实施破碎的过程。超声波在液体中传播时，会形成较为稳定的正负交替变化的声压场，液体介质的某一区域形成局部的暂态负压区。一方面，正负交替变化的声压场可对该区域内的颗粒交变施压，在施压频率与颗粒共振频率一致时，可引发颗粒进入共振状态从而崩溃；另一方面，对颗粒正负交替施压还可产生疲劳应力导致颗粒破裂；再一方面，在正负交替变化的声压场内，低压时液体可形成空穴(非稳态微气泡)，高压时又可引发空穴溃灭，空穴溃灭所产生的穴壁冲击压力可达百兆帕，这种高能冲击力的单次或累积作用可对其邻域内的物料颗粒产生巨大压缩冲击，使物料颗粒被直接破碎或在疲劳应力作用下被疲劳破碎。
超声破碎对小颗粒硬质物料的进一步破碎有独特的效果，在食品、生物、医药等领域的微细化和超微细化加工中有广泛的应用。小颗粒硬质物料的超声破碎，不仅对能量量级要求高，且要求能量能够产生累积作用。因此，造就密度大、量级级别高的超声波能量场能，是实现高能效破碎的重要前提。
现有的超声波破碎装置的能量输入形式多采用浸入式变幅杆结构；料腔以定体积槽式或柱状容器为主；通常是通过提高输入功率或采用大振幅变幅杆来改变破碎能，且采用批量处理的方式。
目前已有的超声波破碎设备存在以下缺点：
超声能的利用未考虑声源与料液腔体声场的耦合作用，能量利用形式粗放、效率较低；浸入式变幅杆结构的超声辐射形式单一，能量集中于端部附近，呈倒锥形减弱，很难聚集定向利用；能量耗散生热较为严重；空穴溃灭点集中于变幅杆端部附近，分布具有显著的局部区域性，破碎均匀性较差，导致处理后的粒径的分布范围较为宽泛；冲击破碎能未充分实现能量汇聚和靶向定位施加；超声破碎过程中料液流动、能量分布和引导缺乏主动、有效控制。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种超声波聚能破碎装置，该装置能够提升能量量级和能量利用效率，改善颗粒微细化过程的可控性和产品粒度的一致性。
该装置利用具有凹球状换能面的超声波换能器产生能量聚焦，并利用圆柱破碎腔进行次级能的导引回收、反射聚集，控制载有颗粒的料液流经各级能量富集区域。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
一种超声波聚能破碎装置，包括超声波换能器1、耦合液腔体2、聚能破碎腔体3、隔膜4以及隔膜凹槽7。其中：
超声波换能器1包括凹球换能面；所述凹球换能面的球心为凹球心12；凹球心12位于破碎腔9的入口，且位于超声波聚能破碎装置的轴线上。
耦合液腔体2为中空的圆柱形结构，中空部分为耦合液腔5，所述耦合液腔5为圆台形；所述耦合液腔5圆台周面的延伸顶点为凹球心12；所述耦合液腔5的底端连通固定孔6，顶端连通隔膜凹槽7；所述耦合液腔体2上径向开有贯穿耦合液腔体2并与耦合液腔5连通的耦合液平衡孔13；所述固定孔6内安装超声波换能器1。
聚能破碎腔体3为圆柱形中空结构，中空部分为聚能腔8、破碎腔 9以及出液管11；所述聚能腔8为圆锥形结构，其圆锥顶点为凹球心 12，所述圆锥形结构的顶角与所述耦合液腔5圆台周面延伸所成的顶角为同一顶角；所述破碎腔9和出液管11均为圆柱形；破碎腔9的入口连通聚能腔8的顶点，破碎腔9的出口连接出液管11的入口；聚能腔8、破碎腔9以及出液管11以超声波聚能破碎装置轴线共轴线连通；所述聚能破碎腔体3上径向设有贯穿聚能破碎腔体3并与聚能腔8连通的进液口10。
所述出液管11的横截面直径小于破碎腔9的横截面直径；两者的连接处形成突变截面。
所述聚能腔8的底端横截面直径与耦合液腔5的顶端横截面直径相等；圆锥形聚能腔8底端外部设有定位凸台14；聚能破碎腔体3通过定位凸台14和隔膜凹槽7的同轴配合实现与耦合液腔体2连接；所述隔膜凹槽7内设有隔膜4。
当聚能破碎腔体3与耦合液腔体2连接时，定位凸台14能将隔膜 4固定于隔膜凹槽7内；所述聚能腔8与耦合液腔5的内周面位于同一锥面上。
所述破碎腔9为硬壁面或软壁面。
所述破碎腔9的出口与出液管11的入口连通处的突变截面为硬壁面或软壁面。
当进入破碎腔9的超声波汇集级数大于等于三级时，突变截面为软壁面结构。
当进入破碎腔9的超声波汇集级数小于三级时，突变截面为硬壁面结构。
所述出液管11的横截面直径与破碎腔9的横截面直径之比为 1:5～1:10。
所述破碎腔9的直径为超声波换能器1发出的超声波波长的 1.0～1.2倍。
所述破碎腔9的长度为超声波换能器1发出的超声波半波长的整数倍。
本实用新型的有益效果在于：
1)本实用新型的超声波聚能破碎装置，其能量汇聚有利于能量密度提高，为破碎提供高量级能量供给；
2)本实用新型的超声波聚能破碎装置，其能量汇聚有利于在聚焦区内的峰谷压差扩大和空穴的形成和溃灭，产生高强度衍生冲击能；
3)本实用新型的超声波聚能破碎装置，通过匹配频率与破碎腔直径，可使料流全部、均匀、受控流经各级能量富集区域，形成均衡的能量交换和能量接收条件，提高破碎过程的可控性和产品粒度的均匀性；4)本实用新型的超声波聚能破碎装置，可通过能量(功率)和处理时间(流速)调整，实现对破碎效果的控制；
5)本实用新型的超声波聚能破碎装置，能够实现次级能的回收、提质、再利用，带动能量效率的提高。
附图说明
图1是本实用新型超声波聚能破碎装置的剖面图；
图2是本实用新型超声波聚能破碎装置的耦合液腔体结构示意图；
图3是本实用新型超声波聚能破碎装置的聚能破碎腔体结构示意图。
附图标记为：
1超声波换能器 2耦合液腔体
3聚能破碎腔体 4隔膜
5耦合液腔 6固定孔
7隔膜凹槽 8聚能腔
9破碎腔 10进液口
11出液管 12凹球心
13耦合液平衡孔 14定位凸台
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
一种超声波聚能破碎装置，包括超声波换能器1、耦合液腔体2、聚能破碎腔体3、隔膜4以及隔膜凹槽7。其中，
超声波换能器1为圆盘结构，包括凹球换能面；所述凹球换能面的球心为凹球心12。凹球心12位于破碎腔9的入口，且位于超声波聚能破碎装置的轴线上。
耦合液腔体2为中空的圆柱形结构，中空部分为耦合液腔5，所述耦合液腔5为圆台形；所述耦合液腔5圆台周面的延伸顶点为凹球心 12。所述耦合液腔5的大端连通固定孔6，小端连通隔膜凹槽7。所述耦合液腔体2上径向开有贯穿耦合液腔体2并与耦合液腔5连通的耦合液平衡孔13。所述固定孔6内安装超声波换能器1。
聚能破碎腔体3为圆柱形中空结构，中空部分为聚能腔8、破碎腔 9以及出液管11；所述聚能腔8为圆锥形结构，其圆锥顶点为凹球心 12，所述圆锥形结构的顶角与所述耦合液腔5圆台周面延伸所成的顶角为同一顶角；所述破碎腔9和出液管11均为圆柱形。破碎腔9的入口连通聚能腔8的顶点，破碎腔9的出口连接出液管11的入口；聚能腔8、破碎腔9以及出液管11与超声波聚能破碎装置轴线共轴线连通；。所述聚能破碎腔体3上径向设有贯穿聚能破碎腔体3并与聚能腔8连通的进液口10。
所述出液管11的横截面直径小于破碎腔9的横截面直径；两者的连接处形成突变截面。
所述聚能腔8的底端横截面直径与耦合液腔5的顶端横截面直径相等。圆锥形聚能腔8的大端外部设有定位凸台14。聚能破碎腔体3 通过定位凸台14和隔膜凹槽7的同轴配合实现与耦合液腔体2连接。所述隔膜凹槽7内设有隔膜4。
当聚能破碎腔体3与耦合液腔体2连接时，定位凸台14能将隔膜 4固定于隔膜凹槽7内；所述聚能腔8与耦合液腔5的内周面位于同一锥面上。
优选地，所述破碎腔9为硬壁面或软壁面。
优选地，所述破碎腔9的出口与出液管11的入口连通处的突变截面为硬壁面或软壁面。其中，当进入破碎腔9的超声波汇集级数大于等于三级时，突变截面使用软壁面结构；当进入破碎腔9的超声波汇集级数小于三级，突变截面使用硬壁面结构。
优选地，所述出液管11的横截面直径与破碎腔9的横截面直径之比为1:5～1:10。
优选地，进液口10和耦合液平衡孔13沿水平方向平行布置。
优选地，所述破碎腔9的直径为超声波换能器1发出的超声波波长的1.0～1.2倍。
优选地，所述破碎腔9的长度为超声波换能器1发出的超声波半波长的整数倍。
本实用新型的超声波聚能破碎装置工作原理为，利用超声波换能器1作为超声源与聚能腔及耦合腔声场的耦合，在超声波换能器1的凹球换能面的能量传递方向构建圆锥形结构的聚能腔8，能够有效提高聚焦区域的能量级别。采用圆柱形管道的破碎腔9，将经过凹球换能面聚焦后，散射的能量导入圆柱形管道的破碎腔9内，进行多次汇聚。根据定长管道声传播的特性，形成驻波形式的能量富集区。当载有颗粒的料液连续经过聚能腔8、破碎腔9以及出液管11时，连续吸收能量，从而使料液内的颗粒收到多次冲击和破碎，实现高效能的破碎过程。
所述超声波换能器1的凹球换能面结构尺寸及辐射频率直接决定了耦合液腔5、聚能腔8和破碎腔9的结构。破碎腔9的横截面直径与凹球心12的距离可根据破碎腔9内包容的汇聚级数而变化，一般破碎腔9内至少包容二级能核。工作时，超声波换能器1的功率可调。而当超声波聚能破碎装置的结构及耦合液、料液一定时，超声波频率需恒定。
出液管11的横截面直径远小于破碎腔9的横截面直径，使得能量进入出液管11时，通过端面的阻挡和反射作用，形成高次级能核，料液流经出液管11时，吸收高次能核的能量。同时，也使得出液管11 入口处形成声波反射，阻挡能量外溢。
利用本实用新型的超声波聚能破碎装置进行超声波聚能破碎的方法为：
a.将超声聚能破碎装置以出液管11为顶端、超声波换能器1为底端放置。启动超声聚能破碎装置前，首先将耦合液充满耦合液腔5，两耦合液平衡孔13的外端口分别与液池连通；所述液池内盛有耦合液。两耦合液平衡孔13的外端口完全浸入液池中的耦合液内。耦合液提供超声波能量传播的介质条件，隔离工作料液，避免超声探头直接接触工作料液。
b.启动超声波换能器1，排空耦合液腔5内的气体。
c.然后，由进液口10连续以设定的流量注入载有物料颗粒的料液，并使料液充满聚能腔8和破碎腔9。此时，超声波换能器1的能量在位于聚能腔8的凹球心12处汇聚成一级能核，并在破碎腔9内沿轴线方向分次汇聚成次级、三级及三级以上的多级能核。
d.聚能腔8内的料液流经凹球心12吸收一级能核能量后，在一级能核能量的推动下继续流向出液管11的流动过程中，继续吸收次级、三级及三级以上多级能核，在上述过程中，料液吸收的能量对其形成多次冲击以及使其长生疲劳作用，使得料液中的物料颗粒不断被破碎。
将超声聚能破碎装置以出液管11为顶端、超声波换能器1为底端放置，确保聚能腔8及破碎腔9内的气体可被随时排出，降低气泡对冲击能的吸收。同时在超声的非线性作用下形成的料液声致流动，可促进聚能腔8内的液体湍动，避免料液颗粒沉积在隔膜4上。
优选地，步骤d中，能量经过凹球心12进入破碎腔9后，实现两次以上的反射聚焦。
Claims (8)
1.一种超声波聚能破碎装置，其特征在于：包括超声波换能器(1)、耦合液腔体(2)、聚能破碎腔体(3)、隔膜(4)以及隔膜凹槽(7)；其中，
超声波换能器(1)包括凹球换能面；所述凹球换能面的球心为凹球心(12)；凹球心(12)位于破碎腔(9)的入口，且位于超声波聚能破碎装置的轴线上；
耦合液腔体(2)为中空的圆柱形结构，中空部分为耦合液腔(5)，所述耦合液腔(5)为圆台形；所述耦合液腔(5)圆台周面的延伸顶点为凹球心(12)；所述耦合液腔(5)的底端连通固定孔(6)，顶端连通隔膜凹槽(7)；所述耦合液腔体(2)上径向开有贯穿耦合液腔体(2)并与耦合液腔(5)连通的耦合液平衡孔(13)；所述固定孔(6)内安装超声波换能器(1)；
聚能破碎腔体(3)为圆柱形中空结构，中空部分为聚能腔(8)、破碎腔(9)以及出液管(11)；所述聚能腔(8)为圆锥形结构，其圆锥顶点为凹球心(12)，所述圆锥形结构的顶角与所述耦合液腔(5)圆台周面延伸所成的顶角为同一顶角；所述破碎腔(9)和出液管(11)均为圆柱形；破碎腔(9)的入口连通聚能腔(8)的顶点，破碎腔(9)的出口连接出液管(11)的入口；聚能腔(8)、破碎腔(9)以及出液管(11)以超声波聚能破碎装置轴线共轴线连通；所述聚能破碎腔体(3)上径向设有贯穿聚能破碎腔体(3)并与聚能腔(8)连通的进液口(10)；
所述出液管(11)的横截面直径小于破碎腔(9)的横截面直径；两者的连接处形成突变截面；
所述聚能腔(8)的底端横截面直径与耦合液腔(5)的顶端横截面直径相等；圆锥形聚能腔(8)底端外部设有定位凸台(14)；聚能破碎腔体(3)通过定位凸台(14)和隔膜凹槽(7)的同轴配合实现与耦合液腔体(2)连接；所述隔膜凹槽(7)内设有隔膜(4)；
当聚能破碎腔体(3)与耦合液腔体(2)连接时，定位凸台(14)能将隔膜(4)固定于隔膜凹槽(7)内；所述聚能腔(8)与耦合液腔(5)的内周面位于同一锥面上。
2.根据权利要求1所述的超声波聚能破碎装置，其特征在于：所述破碎腔(9)为硬壁面或软壁面。
3.根据权利要求1所述的超声波聚能破碎装置，其特征在于：所述破碎腔(9)的出口与出液管(11)的入口连通处的突变截面为硬壁面或软壁面。
4.根据权利要求3所述的超声波聚能破碎装置，其特征在于：当进入破碎腔(9)的超声波汇集级数大于等于三级时，突变截面为软壁面结构。
5.根据权利要求3所述的超声波聚能破碎装置，其特征在于：当进入破碎腔(9)的超声波汇集级数小于三级时，突变截面为硬壁面结构。
6.根据权利要求1所述的超声波聚能破碎装置，其特征在于：所述出液管(11)的横截面直径与破碎腔(9)的横截面直径之比为1:5～1:10。
7.根据权利要求1所述的超声波聚能破碎装置，其特征在于：所述破碎腔(9)的直径为超声波换能器(1)发出的超声波波长的1.0～1.2倍。
8.根据权利要求1所述的超声波聚能破碎装置，其特征在于：所述破碎腔(9)的长度为超声波换能器(1)发出的超声波半波长的整数倍。
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| CN201820068578.4U CN208032762U (zh) | 2018-01-16 | 2018-01-16 | 超声波聚能破碎装置 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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Cited By (3)
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