CN85108660A - 超声装置 - Google Patents

Abstract

超声仪，包括至少一个转换器和具有适于浸入媒质的第一激活部件的探头、用于使探头的阻抗同媒质相匹配的匹配器和匹配器上适于纵向向媒质发射超声波的端表面。第一激活部件位于其上有纵向超声波的波峰的匹配器端表面与其上有纵向超声波的波节的限制部件之间，并包括适于沿径向向媒质发射超声波且其上有径向超声波的一个或多个波峰的第二激活部件。

Description

本发明涉及物体表面或组织的超声处理，可能用到所谓“超声空化”现象。

如人们所知，无论对什么媒质，超声波场或振动场总联系着压强波场，这种压强波场的机械作用可导致微组织的破坏、粒子的机械振动和/或粒子的共振，这些都会使媒质破裂甚至损坏。

在液体媒质中的高强度超声场的情况下会发生所谓“空化”现象，它会对微观结构产生机械和化学的破坏作用。在放射性粒子的情形下，这两种作用的共同作用会导致粒子的分离，从而导致对吸附于物质之上的放射性粒子的清除，从而可除去这些粒子。

人们知道，当液体处在变化超声场的作用下时，就会引起液体内部的压强振动，就会产生压力交替地增大和减小的区域。在减压区域中，会产生空穴并充满了气体。应当理解的是，这些空穴以悬浮于液体中的微小泡沫状态出现，或者吸附在各种固体杂质的表面。在超声场引起的压强增大和减小的依次过程中，这些空穴或气泡的直径是变化的。

所谓气化空穴状态是在下述过程中产生的：

在因超声波而引起的减压过程中，空化气泡膨胀到最大半径，它可以是初始半径的40倍。在随后的增压过程中，气泡压缩并突然向内爆裂（内爆），从而产生多种效应，包括：

-在液体中形成能以超过液体中的音速传播的冲激波并在它附近产生出高压、高温场：

-产生声致冷光：

-形成强活性离子（OH^-和H⁺），释放出氧分子并形成充氧水。

在下一周期的减压过程中，在爆破的位置上又形成了气泡，并且该过程重新开始。因而，在同一点生成的气泡的体积以由超声波决定的速率发生变化，非常快地产生空化。空化显出特殊的啸声和气泡云。

由于以所用超声频率产生了与非常高的压强温度场有关的扰动，超声空化对处于空化区域的相邻区域内的表面有特别强的冲刷作用，因而对这种表面的清洗是高效率的。

前述机械和化学现象也能导致可能吸附于被清洗表面的细菌的毁灭。所以，可以把超声空化看做是清洗表面和/或对表面进行灭菌的一种方法。

上述方法同样可以用于清洗待清洗表面上沉积的放射性污物，如核反应堆槽或核电站的管道内部表面。杂质粒子所经过机械和化学现象必然使它们与所附着的被清洗物分离开，从而把这些粒子除去。

从本发明的角度看，清洗应理解为除去四周的污物。当被清除表面和物体的线度较大时，这种清洗装置的效率与可传入超声的液体体积有关，因而就产生了有效能量的问题。

本发明涉及把超声波注入固体液体和气体媒质的装置，其特点在于高效率和能量扩散能力。本发明还涉及采用这种装置的清洗装置和设备。

这里有以前研制的超声仪，更准确地说它是适于液体媒质的超声仪，它包括至少一个超声转换器，它通常是压电（通常称为陶瓷）体，以及至少一个浸入上述媒质的“激活”或“空化”部件探头，该探头包括用于与所述媒质的阻抗相匹配的部件，它带有发射纵向超声波的端面。通常，这些仪器包括一个或多个转换部件，即四分之一波长部件，以及一个或多个“声头”。阻抗匹配器由一组这样的声头组成，它们的长度为激励频率下制作它们的材料中的半波长的整数倍，而且它们的横截面一般地按某种双曲函数的形式变化，沿着主要波传播方向减小或不变。声头使具有所考虑的频率的振动的振幅乘以输入与输出表面积的比值。

虽然这种超声仪的效率在某些应用中是令人满意的，但对于其它一些需要能量扩散的应用来说，则是相对不够的。提供给媒质的能量只是通过端表面，如果它具有阻抗匹配器端部件的特定形状（通常为倒置的角状），则它是非常有限的。

在这种设备中，当只用这些纵振动时，无论在何种情况下，都缺乏适当的效率，并且缺乏以纵振动形式发射的有效能量。

过去技术中，还有一种称为超声罐的设备。这些罐中充满了液体，通常是加入了洗涤剂的水，随后把被清洗物完全浸于罐中，用某种超声仪使水受到超声场的作用;该超声仪与前面介绍的类型大致相同，并且连在罐的底部;空化现象随之在罐内的液体中产生。

这种类型的罐一般比较好用，但由于其内部尺寸使得它的能力有限，使一些大的物体不能用这种办法清洗。

已知的还有一种由牙医拿在手中的牙齿清洗头，这些清洗头用来喷射受超声场作用的液体的细射流。虽然它适于解决牙科诊所的问题，但这一技术很难推广应用于大型工业用物体的清洗。一般说来，这项技术是以非常低效能为特点的。而且，  工业上的被清洗物常常相当大，这使得很难推广应用或改进这些牙清洗头。

本发明的一个目的就是要提供一种超声仪，无论用超声场激励的是什么样的媒质，该超声仪都可具有特别高的效率并提供高扩散度的能量。

本发明的另一个目的是要提供多种类型的清洗装置和设备，它们特别地能够对大尺寸和难以进入其内部空间的中空工业物体进行清洗。依照本发明的超声装置的另一种应用在于它可以对诸如隧道、医院的房间墙面或发电厂的核反应堆放置槽进行清洗。

一方面，本发明由超声装置组成，它包括至少一个转换器和带有适于浸入媒质的第一激活部件的探头;用于使所述探头的阻抗与所述媒质相匹配的匹配部件和所述匹配部件上的适于向所述媒质发射纵向超声波的端表面;其中所述第一激活部件位于其上有所述纵向超声波的波峰的所述匹配部件端表面与其上有所述纵向超声波的波节的限制部件之间，并包含适于向所述媒质径向发射超声波并且其上有一个或多个所述径向超声波的波峰的第二激活部件。

本发明借助这些装置，特别是通过提出其效率和能量扩散性较上述的超声仪明显地提高的超声仪（它特别适于液体媒质），而达到了其目的。

在以往仪器中，仅由其上有纵向超声波的一个波峰的探头末端的发射面构成仪器和媒质间的交界表面。

在本发明的仪器中，与媒质间的交界面是多重的，并且由其上有纵向超声波的波峰的端表面和其上有所述径向超声波的波峰的所述第二激活部件的一个或多个部分构成。

本发明的另一个目的是利用所产生的空化，通过对液体中的物体施加超声波，对工业物体和/或表面进行清洗和/或净化。

我们必须考虑对很难进入其内部的中空物体进行清洗的问题。更准确地说，我们面临着清洗和净化阀门和核电站中的其它管道工程元件内表面的问题。

从美国专利第3，173，034号，已经知道了一种清洗发动机燃腔的方法，就是用被螺钉固定在其支座上并发射超声波信号的探头，对输入空腔的一定量液体施加超声波，从而对发动机的燃烧室内部进行清洗。

从理论上说，如果适于清洗象阀门这样的管道工程元件，这一技术是令人满意的。但是，对于上述结构的超声仪来说，需要的能量对已知的超声仪来说太高了。

因此，本发明的另一个目的就是提出一种通过对封闭于物体之中的液体施加超声的方法，清洗象阀门或其它管道工程部件的中空物体的设备，它的特点在于高效率和高能量传输能力。

另一方面，本发明由用于清洗包括主孔并适于装液体的中空物体的设备组成。所述装备包含适于支承至少一个超声仪的支座;该超声仪包括至少一个转换器和带有适于浸入媒质的第一激活部件的探头，用于使所述探头的阻抗与所述媒质相匹配的匹配部件，和所述匹配部件上的适于向所述媒质发射纵向超声波的端表面;其中所述第一激活部件位于其上有所述纵向超声波的波峰的所述匹配部件端表面与其上有所述纵向超声波的波节的限制部件之间，并包括用于沿径向向所述媒质发射超声波且其上有所述径向超声波的一个或多个波峰的第二激活部件。这样的设置在应用中使所述仪器的所述第一激活部件浸入盛在所述物体内的液体中。

借助于这种装备，尤其是依照本发明的超声仪，能够对相当大量的液体施加超声波，从而能清洗大容积物体的内表面，比如，核电站管道工程中的阀门。在这方面，读者会想起，这样的阀门一般具有几十厘米量级的直径，所以其内部容积能够达到一立方米，这给出了需加入超声波的体积的概念。依照本发明的超声仪和与之相关的设备，使得能够对这样的体积施加超声波并清洗阀门的内表面。

我们面临的另一个问题是，清洗和净化象核电站中的反应堆置槽这样的大表面，又如铁路和公路的隧道乃至于医院的房间。

由英国专利第1，282，552号（UK    Palent    NO    1，282，552），可知道一种通过封闭与表面接触的液体并在其中产生空化来清洗表面的仪器。

这里我们重申，直到现在，这项技术从理论上看，或在用于比较小的表面时，都是令人满意的。可以作为这种用途的超声仪，特别是上述的那些，仅适于向比较有限体积的液体施加超声波，所以就减少了象前面提到的英国专利所描述的那样的仪器的清洗能力。

因而，本发明进一步的目的是要提出一种清洗表面的装置，其特点在于高效率和能对特大的表面进行有效的清洗。

在进一步的方面，本发明由这样的表面清洗装置组成，它包括适于盛放液体并带有适于朝向待清洗表面的开口的腔，和至少一个超声仪，该超声仪包括至少一个转换器和具有适于浸入媒质的第一激活部件的探头，用于使所述探头的阻抗与所述媒质相匹配的匹配部件，和所述匹配部件上的适于沿纵向向所述媒质发射超声波的端表面，其中所述第一激活部件位于所述匹配器其上有所述纵向超声波的波峰的所述端表面和其上有所述纵向超声波的波节的限制部件之间，并包含适于沿径向向所述媒质发射超声且其上有所述径向超声波的一个或多个波峰的第二激活部件。这种设置使所述仪器的所述第一激活部件在使用中浸入所述液体中。

借助于该装备，能够对大体积的液体施加超声波，因而提供了以大面积液体与被清洗表面相接触并受超声作用的清洗装置。

这样，可以对一些大的表面进行高效率的清洗。

从后面结合附图对本发明的例子的描述中将看到其它的目的和优点，在所附权利要求中将明确阐述新的特征。

附图的简要描述：

图1表示依照本发明的仪器的识轴向横截面的具体实施方案。

图1（a）和1（b）分别是表示纵向和横向振动振幅的曲线图。

图1（c）是图1零件的大比例尺的图。

图2是表示液体媒质中的压强振动场的分布示意图，该液体媒质中用依照本发明的超声仪加以超声波。

图3是与图2相对应的，表示一定量的液体中的压强振动场的分布图，用以往技术制作的超声仪对该液体加以超声波。

图4是依照本发明的用于清洗中空物体的设备的示意图。

图5是图4所示的设备的清洗装置部分横截面的大比例尺示意图。

图6是图5所示装置的支座图，它是沿图5的线Ⅵ-Ⅵ的横截面。

图7表示从图4到图6所示清洗装置和设备在中空物体，而不是在阀门中的用途。

图8是表示依照本发明用于清洗表面的装置简图，它是治图9中的线Ⅷ-Ⅷ的横截面图。

图9是表示这种装置沿图8中的线Ⅸ-Ⅸ的横截面简图。

图10是表示图8和图9装置与依照本发明的清洗设备的其它元件间的内部联系的框图。

在图1的实施方案中，超声清洗装置（10）包括安装在防护罩（12）中的超声装置（11）。在这个实施方案中，该超声装置包含两个压电陶瓷部件（22），（23），它们夹在所谓“尾”部件（24）和“四分之一波长”截面声阻抗匹配器（25）之间，匹配器（25）的轴长等于所用材料中的超声波波长的四分之一。

下面将看到，在此实施方案中尾部件（24）和四分之一波长部件（25）的特征在于从部件（24）和（25）的较上部分分别到端部位（19）和（30），横截面积得到了减小，这些部位的表面与下一个部分相接触。在四分之一部件（25）的情况下，这种减小是为了构成振幅转换器，输出表面（30）处的振动振幅等于输入表面处振幅同两表面面积之比的乘积，由于在材料中传播而引起的衰减，输出表面（30）处的振幅减小了。

这种装备采用了阻抗匹配，以使系统的效率达到最佳。

表面（30）与单结构中间部件或“声头”（27）相连接，该“声头”的长度等于所用材料中的半波长。这个声头包括两个不同的部分，即柱形的第一部分（27A），其长度等于四分之一波长：其后是具有同样长度的第二部分（27B），其特点在于横截面积的减小。这种声头（27）用于增大振动的振幅，并起阻抗匹配的作用。声头（27）通过公共接触面（35）与探头（32）相接触。

一般说来，探头（32）包含浸入媒质的所谓“激活”部件（34）和内部件（37），超声波就加到所述媒质上。

在这个例子中，加有超声波的媒质为液体，比如在加入或未加入净化剂的水，此时激活部件被称作“空化器”。

在这种情况下，探头（32）从其端表面（33）到其内接触表面（35）之间的整个轴向的长度为两个半波长。端表面（33）与接触面（30）之间的整个长度应等于构成超声仪（11）的材料中在所考虑的频率处的半波长的整数倍。直接置于所述端表面（33）之前的空化器部件（34B），也具有横截面减小的特点，以增加振幅并与加有超声波的媒质的阻抗相匹配，在这个例子中，媒质是加入或未加入净化剂的水。

我们将看到，空化器的上部件（34A）和其内部件（37）都是柱形的。

在描述超声仪（11）之前，先对已介绍过的结构的操作进行简要的解释。

两个压电陶瓷部件（22），（23）与超声发生器（未显示）相耦合，在本例中该发生器的频率为20，000HZ。电信号激励这些陶瓷转换器，该转换器产生出通过装置（11）传播的同频机械振动。这些振动受到尾部件（24）的尾表面（24A）和端表面（33）的反射。

压电部件（22），（23）产生的机械振动是纵向振动，因为陶瓷部件起轴向压缩作用。

在超声仪的上述端部（24A）和（33）的多重反射产生了驻波场。因此，它沿长度方向产生包含波节和波峰的初级振动。

图1（a）绘出了纵振动振幅，它是距离陶瓷部件（22），（23）构成的表面的函数。从而可以观察到波节（振幅为零的点）与波峰（相对振幅最大的点）沿着超声仪（11）分布，显示起自四分之一波长部件（25）和中间部件（27）之间的交界面（30）。

还可以看到，部件（24），（25），（27）和（32）的尺寸使得在端表面（33）处有一个纵振动波峰。

我们发现，与纵向振动联系的径向振动能使探头的效率提高到惊人的程度。

图1（b）显示了作为与源的距离的函数的径向振动振幅。这里又可以看到对应于径向振动模的波节与波峰分布。

依照本发明，探头（32）的激活部件或空化器（34）沿轴向在端表面（33）和限制部件（36）之间延伸，在这种情形下，限制部件（36）把激活部件（34）同探头（32）的内部件（37）分隔开;端表面（33）上有纵向振动模的一个波峰;限制部件（36）处有一个纵向振动模的波节：空化器（34）包括有第二或径向激活部件，在此情况下就是空化器34的上部件34A，其上有至少一个波峰。

在所显示的实施方案中，在上部件（34A）上仅有一个径向振动波峰;在其它实施方案中，这种径向激活部件可具有较大的轴向长度，以便使之具有若干浸入的径向振动波峰。

这个长度最好是n·λ/2，这里n是整数，λ是波长。因而激活部件的长度是（2n+1）·λ/4。

在这个例子中超声仪用钛（titaninm）制成，在频率为20KH_z时这种金属中的波长度为33Cm量级。因而图1所示的头的长度大约为70Cm，其直径约为6Cm。

应当注意到，钛的特点在于内传输损耗低和对由穿过它的振动引起的疲劳的抵抗能力高。

现在，描述把超声仪（11）固定在外罩（12）内的固定装置。

依照本发明的一个方面，把超声仪（11）固定在外罩中的方法是，固定装置的设置使之作用在超声仪的至少一个这样的部分上，该部分上有纵振动的波节。

在所示实施方案中，依照本发明的另一个方面，所述固定装置包括至少一个减振垫片。

在图1所示的例子中，探头（32）通过环状支承减振垫片（59）固定于外罩（12）上，该垫片（59）在限制部件（36）的高度作用在探头（32）上，在该处有一个纵向振动波节，因而该垫片起定位部件的作用。

支承减振垫片（59）夹在垫片承载件（58）和封闭环（53）之间，部件（58）包含适于部分地置入垫圈（59）的槽，这部分固定在外壳（12）上;封闭环（53）与垫片承载件（58）夹在一起。

垫片承载件（58）包含螺孔（54），以借助穿过在环（53）上作出的孔（55）的固定螺钉（93）进行夹固。这样，垫片（59）就由探头（32）的径向夹持位置的压力固定住了，因而在加上了超声波的液体媒质和外罩（12）内部之间提供了密封。

在所示实施方案中，固定装置还包括中间环状减振垫片（64），它作用在中间部件（27）上。

按照本发明，这个垫片支承在限制件（27B）和柱形件（27A）之间的接合处（70）上，在这个接合处正好有一个纵向振动的波节（参看图1和图1（a）。

在径向截面（图1C）上垫片（64）有槽口（69），其形状与部件（27A）和（27B）之间的交接处（70）互补，以便垫片（64）对中间部件（27）乃至于整个仪器（11）进行支承。

垫片（64）装在总括地表示为（65）的环状支承结构上，该结构包括其上装有夹持栓（73）的垫片承载环（66）和所谓的“压力”环（67）。

垫片承载环（66）包括一组孔：带螺纹的孔（76）和不带螺纹的孔（96）。

夹持栓（73）（本实施方案中有四个，图1和1（C）中仅显示出了一个）带有孔（75），并通过螺旋拧入螺孔（76）的螺钉（95）固定在垫片承载环（66）上。

栓（73）插入中间部件（27）上的铣成槽（77）中，这些栓的每一个都带有夹持表面（78），这些表面（78）靠在槽（77）上的对应支承面（79）上。

压力环（67）带有螺孔（81）。螺钉（97）穿过孔（96）并且被拧入螺孔（81）。

依照本发明的一个方面，支承结构组件（65）由压在环（66）和（67）之间的夹持减振垫片（80）沿轴向夹持着。在本例中，减振垫片是O形环。

封闭盘（91）通过螺钉（92）安装于外罩（12）的上端。

超声仪（11）按下例方式安装于外罩（12）中：

首先把带有中间减振垫片（64）的垫片支承环（66）安装在处于中间部件（27）的柱形部件（27A）和限制件（27B）之间的接合处（70）上。然后，把夹持栓拧上，并把垫片（97）插入栓的夹持表面（78）和槽（77）的支承表面（79）之间。

随后把组件装入外罩（12），它是从顶端插入的。以便只有空化器（34）通到外边，而限制部件（36）正对着第一减振垫片（59）的位置。

随后安装O形环（80），并在拧紧螺丝（97）时通过压力环（67）把它压紧。

减振O形环（80）的轴向压缩导致了O形环（80）向着外罩（12）内壁的径向压力，因而借助摩擦力保证了整个超声仪（11）和环状结构（65）在外罩中的轴向固位。

然后把减振垫片（59）置于垫片承载件（58）上的凹槽中，并且借助于螺钉（93）把垫片（59）压紧。

同样地，这个减振垫片（59）的轴向压缩引起了它的径向扩张，其后果是引起了指向垫片承载件（58）和指向探头（32）的限制部件（36）的径向压力。

应该注意到，这种采用若干减振垫片的设置提供了超声仪的轴向固位，尤其是由于O形环（80）和减振垫片（59）的径向扩张;同时，由于这些垫圈的弹性，滤掉了其频率（本例中的20KHz）比一般用于制做这种垫片的弹性材料截止频率高得多的机械振动。

还应注意到，把支承减振垫片（59）和中间减振垫片（64）定位在超声仪有纵向振动波节的位置上，意味着这些垫片仅起径向压缩扩张的作用，为超声仪提供了良好的摩擦夹持，并且避免了可由剪切效应而导致磨损的轴向位移。另一方面，由于这些垫片沿其自然弹力方向起作用，因而径向振动并没有任何显著的缺点。

在此实施方案中，这特别适于支承垫片（59），它具有双重功能对超声仪（11）的轴向固位和密封。通过避免因剪切而引起的过早摩损，提供了所需的长期垫片。

图2显示了在一个充满水的烧杯中，在插入依照本发明的超声装置（10）并对其进行激励以后，压强场中的振动。

在这个连接中，读者可以想到，连到超声装置（10）上的压电陶瓷部件的20KH_Z超声发生器（图中未显示）的激励，特别地通过空化器（34）的中介作用，使液体受到交变超声场的作用，在液体内部引起压强振动。当所用的能量足够大时（在本例中大约为300W），就产生在前述汽化空化条件下的空化现象。

应该注意到，一般说来，加有超声波的媒质的侵蚀能力取决于压强场的平均值：这个值越高，媒质的侵蚀能力就越强，因而对与这种媒质相接触的物体的清洗就越有效。

图2所示的圆圈中的值表示在各点测量到的压强值，它是相对于超声波装置（10）激励之前的初始平均压强的值。

应当注意到，压强场的平均值特别高，因为许多被测点显示出等于初始压强的2.5倍或更高的值。

这些压强值虽然是通过径向激活部件（34A）的作用而达到的，部件（34A）上有径向振动的波峰。径向激活部件（34A）的表面积很大，利于径向振动的发射。

用比较的方法，我们已经在柱形烧杯（400）中进行了实验，烧杯（400）的直径与以前超声装置（401）使用的相同，超声装置（401）具有与超声装置（10）相同的结构，即相同的尾部件，压电陶瓷件，四分之一波长部件和中间部件。只是探头（32）不同，它被探头（402）所取代，其中的限幅件（402B）与依照本发明的空化器（34）的限幅件（34B）相同。另一方面，探头（402）并不具备任何径向激活部件。因此，这个探头（402）代表着我们以前研制的探头。

超声装置（401）的设置，使探头（402）的端表面（433）象图2所示的探头（32）的端表面（33）那样，距烧杯底距离h。这样，在两种情况下，受到超声波作用的“有效”体积是相同的，这个体积是从端表面到烧杯底之间的。

在与图2的情况相同的条件下对压强场的值进行测量，并在图3中表示出来。

可以看出，在探头（402）的端表面（433）竖直向下的方向上，测量出的场值显然可与从端表面（33）（如图2）竖直向下的测量值相比。

在这两种情形下，压强变化场都由端表面（33）或（433）传来的纵向振动引起。由于出于比较的考虑，所用的能量是相同的，因此，一般地说两种情形下纵向振动引起的压强场应该具有大体相同的值。

另一方面，在由探头（402）施加了超声的液体积的其余部分，平均压强场值接近空化前的初压强，因为可以观查到许多等于1的值。

因此依照本发明，在空化器（34）中的传播径向振动的径向激活部件（34A），由于所引起的压强场的平均值显著地高，而别的方面是相同的，因而使之相对于代表先有技术的探头（402）的具有决定性的优点。

现在，参照图4至图7，描述依照本发明的中空物体清洗超声仪的应用。

图4到图6更详细地显示了清洗阀门（114）体内部的超声仪的使用。

依照本发明的这个方面，把一定量的清洗液封于阀门壳体的内部，这是通过用流体密闭的方法首先关闭道向阀门的各个管道（在本例中是管道（117）、（117′））仅留叫做“主”孔并可用于超声仪的一个孔。

一般说来，对于阀门特别是用于核电站的阀门，在移去阀门的叫做“盖”（特别是包含一个闭塞器的）的部件以后，就可以进入阀门“壳体”内部的入口。用这种办法露出了主孔（120），通过它可插入用于封闭阀门的输入和输出口的装置（这将在后面描述），以及依照本发明的超声仪。

图4和图5中用标号（11）总括地表示超声仪，它装在用标号（12）总括表示的外罩上。这两个部件和把它们连接在一起的装置与结合图1和2所描述的相类似，它们在图4和图5中具有同样的标号并且不再进行描述。

超声仪（11）的外罩（12）装在具有柱形套管（160）的支承器（143）上，外罩（12）被压配合在柱形套管（160）中。

环状支承器（143）的直径与带有主孔（120）的阀（114）的头部直径相同;并且借助垫圈（147）而适于封闭这个主孔（120）。支承器（143）具有四个沿轴向的栓（图4和图5中未显示），依靠它们把支承器（143）定在孔（120）的中心。

由图5可看出，支承器（143）和外罩（12）的组合的装配使得超声仪（11）的空化器（34）没入阀门（114）的壳体内。

现在来描述封闭副孔的装置，依照本发明的这个方面，它是与超声装置（11）相联的。

在本实施方案中，这些封闭装置包括象充满气体的气囊那样的气体缓冲器（150）、（150′），它们被插入阀门（114）的管口（116），（116′）外面的管段（117），（117′）之中，这些管段（117）、（117′）与管口（116），（116′）相连接。气囊（150）、（150′）通过图4中示图的气体通路进行充气，管道（151），（151′）与箭头152所表示的压气源相连。

图5中管道（151）以实线表示，而位于该剖视图之前的管道（151′）则以点划线表示。

在这些图显示的所选择的实施方案中，由超声仪（11），外罩（12）、支承器（143）和封闭装置（150），（150′），（151），（151′）组成的清洗装置包括清洗液输入管道（153）和清洗液输出管道（154），它们分别与清洗液通道（165）（见图4）的管道（163）、（164）相连。

这里的清洗液通道（165）包括与来自清洗装置的液体输出管道（164）相连的清洗液过滤器（170），在其输出端过滤器与离心机（171）相连，以使固体粒子与溶液中的其它成分相分离。来自这个离心机的液体输出口与罐（172）相连，罐（172）与混合器（173）相连接。过滤器（170）带有与管道（174）相连的出水口，管道（174）又与水罐（175）相连。来自水罐（175）的输出口与混合器（173）的输入口相连，而混和的（173）的输出口与泵（176）相接，泵（176）把清洗液注入管道（163），液体通过管道（163）而到达清洗装置。

在另一个实施方案中，过滤器（170）可以包括直接与混合器（173）相连的第二出水口，这个连接内虚线（177）原理地表示。

应当注意到，超声发生放大器（180）与超声仪（26）相连，更具体地说：“十”端与压电陶瓷部件（22），（23）相连，“-”端与四分之一波长部件（25）相连。这个发生器工作在20KH_Z的频率下。

现在描述图4和图5所示清洗装置的操作。

在本例中，中空的被清洗物是阀门（114）的壳体，包括两个与管（117），（117′）相连的，辅助孔（116）和（116′）。首先的操作是把气囊气体缓冲器（150），（150′）置入所述壳体，然后，把带有超声仪（11）的支承器（143）连在孔（120）上。这样就封住了孔（120）。

再把管道（151），（151′）与压气源（152）连起来，并把清洗液输入和输出管道（153），（154）与清洗液通道（165）的相应管道（163），（164）连接起来。

随后对气囊（150），（150′）充气，当充到一定程度时，把清洗液导入阀门（114）的内部。清洗液作用在气囊（150），（150′）上的压力促使其在阀门（114）的副孔（116），（116′）之外的管道（117），（117′）中定位。此时这些气囊的充气必须完成，以使阀门内部得到气密封闭。

然后，可以用发生放大器（180）发射的超声波激励超声头（26）。在阀门（114）内形成超声场，并产生其特征在于以超声场频率确定的速率进行气泡产生和内爆的汽空化。

这些气泡充满阀门（114）体内部的主要部分。与所述壳体内表面相接触的气泡的内爆撕下了沉积的污物。这些内爆的以超声频率的重复，意味着对阀门壳体内表面的迅速清洗。

在所示的选择例子中，由泵（176）产生的液体的流动使得由通路（165）清除脱离的沉积污物渣能够进行。图1所示的装置以闭合迴路的方式工作。过滤器（170）能够尽可能地在出流管道（154）的下游把清洗溶液同清洗水分离开。携有污质颗粒的清洗溶液随后被输进离心机（171），离心机（171）的功能是借离心力把污质颗粒分离出来，从分离器出来的相对纯净的再生溶液又回到溶液罐中。来自溶液罐的出口和来自水罐的出口的溶液通向混和器（173）。借助泵（176）把液体从混和器（176）的出口输到输入通道（163）。

已经指出，超声仪的轴向长度取决该金属中的波长。读者会想起，仪器（11）是由钛（titanium）制成并且在20KHz下工作的，因此其长度大约为70Cm。这种具有6Cm直径的超声仪特别适于清洗具有管口直径大于15Cm的阀门（象图4所示的那样）。

另一方面，对于更小管口直径的阀门，必须减小超声仪的尺寸并因此在更高的频率下工作。因此，对于管口直径少于15Cm的阀门，最好使用大约35Cm高，直径为4Cm并在40KHz下工作的仪器。

图7显示了依照本发明的清洗装置在不是阀门的中空物体中的使用。

在这个图中，被清洗的中空物是一个罐300，包含有一般是柱形的部件（301）和构成罐的底的一般为半珠形的部件（302）。这个罐包括n个可由阀门（304）关闭的侧孔（303），在它的上端包含主孔（305）。在所示的例子中罐（300）的内部被分成两个由处于轴向平面的中间隔板（306）分开的腔。

清洗装置（311）包括支承器（320），它适于关闭孔（305），并在这个例子中支承着两个超声仪（321）和（321′）。

超声仪（321）和（321′）与仪器（11）（参照图1所述的）的结构相同，并且也在20KHz的频率下工作。在此情形下，仪器（321），（321′）由固定在支承器（320）上的外罩（308）（308′）保护。

一组清洗液输入管道（353）和一组清洗液输出管道（354）联在支承器（320）上，在图7中仅示出了管道（353）和（354）的一根。

这个例子中，支承器（320）适于通过环状盖（310）装在罐（300）上。盖（320）上带有沿其周边规则分布的孔（313），螺钉（312）把所述支承器（320）固定在罐（300）上。

装置（311）的工作与参照图4到图6所描述的装置是类似的。在阀门（304）关闭及支承器（320）固定在孔（305）上以后，通过把管道（353）和（354）连到图4那样的清洗液迴路上，使罐（300）中充满清洗液。随后由发生器（图7中未显示）激励转换器（321）和（321′），进而在汽空化条件下对罐进行清洗。

现在结合图8和图9描述本发明的另一个方面，即用于对表面进行清洗和净化的装置，它包括一部或多部按图1中所述的超声仪。

在图8和图9所述的具体实施方案中，清洗装置（410）包括适于盛一定量的液体并且形状一般为平行六面体的所谓“密封”腔（251），和一般也是平行六面体的所谓“保护”罩，密封腔（251）配置在保护罩中。

在密封腔（251）的里配置了固定在其外罩（212）中的两个超声仪（211）。仪器（211）和外罩（212）与前述的仪器（11）和外罩（12）类似，在此例子中，空化器（234）具有5个四分之一波长（5·λ/4）的轴向长度，因而也具有其上有径向振动的两个波峰的径向激活部件（234A）。

外罩（212）装在密封腔（251）的上壁（270）上，这样超声仪（211）就能以头对尾的方式安置。

密封腔（251）与清洗液通道相连，液体通过由（253）表示的管道导入腔（251），而输出导管由（254）表示。这些管道穿过腔（251）的上壁和罩（261），并且进入密封罩（251）的内部（255）。

密封罩（251）包含与上表面（270）相对的开口（230），它指向被清洗表面，即图9中的表面（231）。这样开口（230）占据了对着上表面的所有表面区域，开口（230）沿其边缘配装有垫圈（256）在这个实施方案中垫圈（256）是“唇状密封壁”型的。

用以适当方法配置在保护罩和密封腔壁上的U型连片（235），把密封腔（251）固定在保护罩（261）上。连片（235）带有支承着装置（410）以使其便于在被清洗表面上移动的轮子（252）。唇式密封垫（256′）也沿着保护罩（261）上的开口（232）的周边设置，这个开口（232）基本上与密封罩（251）的开口（230）在同一平面内，并且在使用中指向待清洗表面（231）。

在由图8中的管子（258）和箭头（259）所原理地表示的用于抽吸渗漏物的装置装在保护罩（261）的壁中（即图8和图9中的壁（243），（244），（244′）），并垂直于待清洗表面（231）伸延。

图10显示了采用装置（410）的设备的实施方案，装置410与向超声仪（211）传输超声波的超声发生器GUS相连。

其它的电子装备（比如电源等）在图10中没显示。用双线表示的图5的其他连接，代表清洗液循环通路，该设备包括用于使这种液体循环流动的泵PO、液体贮存罐RE、过滤器装置FI、主抽吸器ASP和渗漏抽吸器ASF。

下面对这种清洗装置和使用这种装置的典型装备的操作进行描述。

首先把该装置紧贴到被清洗表面（231）放置，以便使后者封住密封腔和保护罩的开口（230），（232）。立即产生出了两个封闭的容积：一个是随后可以充满清洗液的容积密封罩（251）的内部，它借助密封垫（256）可达到一定的密封度;另一个是保护罩（261）内部容积，唇式密封垫保证了罩（261）和被清洗表面（231）之间接合处的密封。

在泵PO的作用下在密封罩内形成了液体环流。清洗液由贮存罐RE取出，并在经过滤器FI的过滤后由主抽吸系统ASP注入这个贮存罐。

由于超声发生器GUS的作用，超声仪（211）产生了频率在此例中为20KHz左右的超声场，这种发生器频率可以变化，以调节所述超声仪的陶瓷部件的振荡，当然，要在液体媒质性质已知的情况下。

空穴依超声频率所确定的速率形成和爆破，并且在被清洗表面（231）附近爆破的那些空穴使吸附于该表面的沉积污质斑剥离。带有这些污质沉淀物的清洗液被排到滤波器FI，并经滤波器FI滤去污物粒子后重新注入。如果被清洗表面（231）不是特别脏，也可以把污染的液体直接重新注入贮存罐RE，这种装置由抽吸器ASP和贮库RE之间的虚线表示。

依照本发明的一个方面，尽管有密封装置（在本例中为唇式密封垫（256）），在密封腔（251）外侧也会产生渗漏物，它要由在图8和图9中原理地表示为导管（258）和箭头（259），在图10中表示为ASF的渗漏抽吸装置抽出。借助这种设备，能够回收清洗液并避免液体过多地渗漏到装置（410）之外。

这种装备也能清洗比较不规则的表面，比如象瓦片，对它很难采用普通的象唇式密封垫（256）那样的密封垫来避免渗漏。大部分这些渗漏物在到达第二唇式密封垫（256′）之前，就由装置（258），（259）抽走了。

因此，这种装备可以成功地用于清洗具有垂直的指向性和不规则性，比如象隧道、房屋或水池的表面。

在这方面应注意到，空穴的爆破能够清洗上述表面，它使图8和图9所示本发明装置特别适于对核电站的核反应堆槽的清洗。

还应注意到，空穴的爆破能够破坏表面（231）上的各种生命，这对清洗被活性有机体污染的地板，象医院的地板，特别有利。

应当理解，在所附权利要求所表达的本发明原则下和范围中，具有本领域知识的人可以对这里为解释本发明的实质而描述和说明的部件配置材料和各个细节进行各种修改。

Claims (18)

1、超声仪，它包括至少一个转换器和具有适于浸入媒质的第一激活部件的探头，用于使所述探头和所述媒质的阻抗相匹配的匹配器和所述匹配器上的适于沿纵向向所述媒质发射超声波的端表面，其中所述第一激活部件位于其上有所述纵向超声波的波峰的所述匹配器端表面和其上有所述纵向超声波的波节的限制部件之间，并包括适于沿径向向所述媒质发射超声波且其上有所述径向超声波的一或多个波峰的第二激活部件。

2、依照权利要求1的超声仪，其中所述限制部件适于固定超声仪的位置。

3、依照权利要求1的超声仪，其中所述第一激活部件的纵向长度是所述超声波的四分之一波长至少为3的奇整数倍。

4、依照权利要求1的超声仪，它包在保护罩中，并且进一步包括减振垫片，从而使所述仪器固定在所述罩上。

5、依照权利要求1的超声仪，它包在保护罩中，进一步包括使所述仪器附在所述罩上的附着装置，该附着装置与其上有所述纵向超声波的波节的超声仪部份发生作用。

6、依照权利要求1的超声仪，包在保护罩中，进一步包括使所述仪器附在所述  上的减振垫片以及使所述垫片沿径向膨胀以便挤压所述罩的内表面的膨胀装置。

7、依照权利要求1的超声仪，其中所述垫片是O形环，并且所述膨胀装置包括两个环形部件。

8、依照权利要求的超声仪，其中所述垫片沿径向挤压所述探头的所述限制部件。

9、用于清洗有适于容纳液体的主孔的中空物的装置，所述装置包括适于支承至少一个包括有至少一个转换器和具有适于浸入 质的第一激活部件的探头的超声仪的支撑器，用于使所述探头的阻抗同所述媒质相匹配的匹配器，和所述匹配器上适于沿纵向向所述媒质发射超声波的端表面;其中所述第一激活部件位于其上有所述纵向超声波的波峰的所述匹配器端表面与其上有所述纵向超声波的波节的限制部件之间，并包括适于沿径向向所述媒质发射超声波并且其上有所述径向超声波的一个或多个波峰的第二激活部份，这种设置在使用中使所述超声仪的所述第一激活部份浸入盛在所述物体内的所述液体之中。

10、依照权利要求9的装置，进一步包括适于回收盛在所述物体中的所述液体的液体循环装置。

11、依照权利要求9的装置，进一步包括用于封闭所述物体的所有辅助孔的封闭装置。

12、依照权利要求11的装置，用于清洗带有与管道相连的辅助孔的物体，其中用于封闭所述辅助孔的所述封闭装置包括适于与压气源相连的气囊形式的气体减振器。

13、表面清洗装置，包括适于盛液体并带有适于指向被清洗表面的开口的腔和至少一个超声仪，该超声仪包括至少一个转换器和带有适于浸入媒质的第一激活部份的探头、用于使所述探头的阻抗和所述媒质相匹配的匹配器和所述匹配器上的适合于沿纵向向所述媒质发射超声波的端表面;其中所述第一激活部份位于其上有所述纵向超声波的波峰的所述匹配器端表面与其上有所述纵向超声波的波节的限制部件之间，并包括适于沿径向向所述媒质发射超声波的且其上有所述径向超声波的一个或多个波峰的第二激活部份。这种设置在使用中使所述超声仪的所述第一激活部份浸入所述液体中。

14、依照权利要求13的装置，包括在所述腔里头尾配置的两个所述超声仪。

15、依照权利要求13的装置，进一步包括包圈所述腔的保护罩。

16、依照权利要求15的装置，进一步包括与所述保护罩相联的渗漏液体抽吸器。

17、包含中空物清洗装置的清洗装备，该中空物体包括主孔并适于盛液体，所述清洗装置包括适于支承至少一个超声仪的支承器，该超声仪包括至少一个转换器和具有适于浸入媒质的第一激活部份的探头、用于使所述探头的阻抗同所述媒质相匹配的匹配器和所述匹配器上的适于沿纵向向所述媒质发射超声波的端表面;其中所述第一激活部件位于其上有所述纵向超声波的波峰的所述匹配器端表面与其上并有所述纵向超声波的波节的限制部件之间，并包括适于沿径向向所述媒质发射超声波且其上有所述径向超声波的一个或多个波峰的第二激活部件;这种设置在应用中使所述仪器的所述第一激活部件浸入所述液体中。

18、包括表面清洗装置的清洗装备，该表面清洗装置包括适于盛液体并带有朝向被清洗表面的开口的腔，并包括至少一个超声仪，该超声仪包括至少一个转换器和带有适于浸入媒质的第一激活部件的探头、用于使所述探头的阻抗同所述媒质相匹配的匹配器和所述匹配器上的适于沿纵向向所述媒质发射超声波的端表面;其中所述第一激活部件位于其上有所述纵向超声波的波峰的所述匹配器端表面与其上有所述纵向超声波的波节的限制部件之间并包括适于沿径向向所述媒质发射超声波且其上有所述径向超声波的一个或多个波峰的第二激活部件，这种装置在应用中使所述超声仪的所述第一激活部件浸入所述液体中。

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