DK150229B - Ultrasonisk forstaever samt fremgangsmaade til fremstilling af denne - Google Patents

Description

i 150229

Opfindelsen vedrører en ultrasonisk forstøver, som omfatter en symmetrisk første sektion, som udgøres af et bageste horn i form af en cylinder, som rundt om flangen, ved den ene ende, har et organ med to piezo-5 elektriske skiver samt en elektrode placeret imellem disse, et forreste horn i form af en cylinder, som ved den ene ende har en flange, idet det forreste horn er af samme størrelse som det bageste horn og har en første passage, som strækker sig aksialt derigennem, og i det 10 mindste et gevindforsynet element, som imellem flanger ne på nævnte horn klemmer drivorganet, samt omfatter en anden sektion i form af et første cylindrisk segment med en given længde og en diameter, som er lig med det forreste horns og er udformet som en integreret del 15 af dette, et andet cylindrisk segment med en given længde og en diameter, som er betydelig mindre end diameteren af det cylindriske segment og rager ud fra dette, idet det andet cylindriske segment har et flangeforsynet, stift fremspring med en given længde, hvilket frem-20 spring har en forstøvningsflade, idet overgangen mel lem det første - og det andet cylindriske segment udgør et trin til forstærkning af longitudinalvibratio-ner, som anordningen udsættes for af drivorganet, og en anden passage, som, i retning af - og i forbindel-25 se med nævnte første passage, strækker sig aksialt igen nem den anden sektion i forbindelse med tilførsel af væske til forstøvningsfladen.

Sådanne forstøvere benyttes bl.a. i forbindelse med opnåelse af en effektiv forbrænding af brændstoffer 30' og er kendt fra f.eks. US patentskrift nr. 3 932 109.

Disse forstøvere er behæftet med forskellige mangler og ulemper. Bl.a. kan de piezoelektriske skiver beskadiges ved kontakt med den væske, som forstøves, og for tidlig forstøvning af væsken, med deraf følgende ujævn 35 forstøvervirkning, kan således forekomme på grund af 150229 2 for tidlig forstøvning af væsken i den anden passage, der strækker sig aksialt igennem den anden sektion frem til forstøvningsfladen.

En anden betydelig mangel ved disse forstøvningsanord-5 ninger er, at deres virkningsgrad eller mekaniske ydel sesfaktor, Q, ikke er optimal. Dette fører til øget krafttilførsel for at opnå en tilstrækkelig forstøvning, hvilket øger forstøverens driftstemperatur og reducerer dens levetid. Disse forhold er en konsekvens af forstø-10 verens konstruktionsmetode. Den tidligere benyttede fremgangsmåde har været at beregne alle forstøverens dimensioner baseret på en antaget operationsfrekvens.

Sådanne tidligere kendte anstrengelser har været rettet imod en minimering af afvigelserne for den virke-15 lige forstøver for derved at minimere forskellen mellem dens virkelige resonansfrekvens og den antagede konstruktionsfrekvens. Afvigelserne kan imidlertid ikke elimineres fuldstændigt, hvilket bevirker, at operationsfrekvensen for forstøveren nødvendigvis adskiller sig 20 betydeligt fra konstruktionsfrekvensen. Et resultat af dette vil være, at forstærkningstrinnet ikke er placeret nøjagtigt ved en vibrationsknude, og derved vil forstøvningsfladen ikke befinde sig ved en antiknude.

Selv små forskydninger af disse flader fra henholdsvis 25 knude- og antiknudeplanerne vil i betydelig grad reducere vibrationseffekten for et givet elektrisk signal.

Opfindelsen angår tilvejebringelsen af en ultrasonisk forstøver, som ikke er behæftet med ovennævnte mangler og ulemper. Dette opnås ifølge opfindelsen ved en for-3.0 støver af den indledningsvis nævnte type, hvilken ty pe er ejendommelig ved, at i det mindste én tætnende pakning omgiver de piezoelektriske skiver og er beliggende imellem flangerne på nævnte horn, at en udkoblingsbøsning er anbragt i den anden passage og strækker 3 150229 sig frem til forstøvningsfladen, hvilken udkoblings-patron er fremstillet af et materiale, som, i forbindelse med overføring af akustisk energi, har anderledes egenskaber end materialet i forstøveren, at læng-5 den af det første cylindriske segment er større end den samlede længde af det andet cylindriske elements længde og fremspringets længde, og at forstøverens første sektion har en eksperimentelt bestemt karakteristisk resonansfrekvens, samt at den anden sektion har en teo-10 retisk beregnet egenfrekvens, som stort set er sammen faldende med den første sektions eksperimentelt bestemte frekvens.

Den tætnende pakning vil beskytte de piezoelektriske skiver imod beskadigelse fra den væske, som forstøves.

15 Udkoblingsbøsningen hindrer for tidlig forstøvning af væsken i den aksiale passage, før væsken når forstøvningsfladen, således at en jævn forstøvervirkning lettere kan sikres. I og med at forstøverens første sektion har en eksperimentelt bestemt karakteristisk resonans-20 frekvens, og at den anden sektion har en teoretisk bereg net egenfrekvens, som hovedsageligt er den samme som den første sektions eksperimentelt bestemte frekvens, kan man være ganske sikker på, at forstrækningstrinnet vil befinde sig ved en knude og forstøvningsfladen ved 25 en antiknude. Herved opnås en optimal virkningsgrad og levetid.

Opfindelsen vedrører desuden en fremgangsmåde til fremstilling af en ultrasonisk forstøver som den ovennævnte, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved at om-30 fatte fremstilling af en første prøvetransorsektion i form af en symmetrisk, dobbeltblind, ultrasonisk tran-sor, som omfatter et drivelement, et flangeforsynet, forreste cylindrisk hornelement, et bageste hornelement, som er identisk med det forreste hornelement, samt orga- 150229 4 ner for fastgørelse af hornelementerne til drivelementet, hvilken prøvetransor er konstrueret således, at den har en teoretisk egenfrekvens, som er lig med en forudbestemt ultrasonisk frekvens. Desuden måles den første 5 prøvetransorsektions virkelige resonansfrekvens, som adskiller sig fra den forudbestemte designfrekvens, og der designes en anden transorsektion, som har en forstærkningskant, idet længdedimensionerne for den anden sektion beregnes således, at den har en teoretisk 10 egenfrekvens, som er lig med den første transorsektions målte egenfrekvens, og endelig er fremgangsmåden ejendommelig ved at omfatte fremstilling af en komplet ultrasonisk forstøver, som omfatter et bageste element, der er identisk med den første prøvetransorsektions bageste 15 hornelement og et forreste element, hvis første del er identisk med den første prøvetransorsektions forreste hornelement og har en anden del med hensyn til nævnte design af den anden transorsektion.

Opfindelsen vil blive nærmere forklaret ved den følgende 20 beskrivelse af en udførelsesform, idet der henvises til tegningen, hvor fig. 1 viser et snitbillede af en første sektion af en forstøver ifølge opfindelsen, fig. 2 viser et snit af en anden sektion af forstøveren 25 i fig. 1, og fig. 3 viser et snit af en komplet forstøver ifølge opfindelsen.

Formålet med den foreliggende opfindelse vedrører en optimering af forstøverens udformning i forbindelse 30 med opnåelse af bl.a. en maksimal Q-værdi.

Som det fremgår af tegningen, har man, ifølge opfindelsen, 5 150229 bl.a. i forbindelse med opnåelsen af en maksimal Q-værdi, konstrueret en første transorsektion, som omfatter et drivelement og to identiske hornsektioner (fig. 1), således at den resulterende konstruktion danner en symme-5 trisk geometri i forhold til længdeaksen. Den første sektion betegnes som et dobbelt, ultrasonisk horn. I næste omgang måles den resonante frekvens af den første sektion, og herefter tilføjes en anden sektion (fig.

2), som omfatter et forstærkningstrin og en forstøvnings-10 flade, og hvis teoretiske resonansfrekvens er sammenfal dende med den empirisk målte frekvens af den første sektion, således at der dannes en komplet forstøver (fig. 3), der er konstrueret i forbindelse med opnåelse af maksimal Q-værdi samt effektiv brændstofforbræn-15 ding.

Fig. 1 viser en første sektion 11 af transoren ifølge opfindelsen, hvor anordningen omfatter en forreste-og en bageste, ultrasonisk hornsektion 12A og 13, et drivorgan 14, som omfatter to piezoelektriske skiver 20 15 og 16 samt en derimellem placeret elektrode (ikke vist), som er drevet af højfrekvent, elektrisk energi tilført gennem et tilkoblingspunkt 18.

Drivorganet 14 er placeret imellem hornsektionernes 12A og 13 flangedele 19 og 20 og er fastklemt derimellem 25 ved hjælp af en klemmeindretning, som omfatter en monte ringsring 21 (for fastgørelse af transoren til et andet apparat) samt et antal bolte 22, som via huller i tilkoblingspunktet 18 og flangedelene 19 og 20 er ført ind i de gevindskårne åbninger i monteringsringen 30 21. Boltene 22 er elektrisk isolerede fra tilkoblings punktet 18 ved hjælp af isolatorer 23.

Den første sektion omfatter endvidere et brændstofrør 24 for indføring af brændstof i en kanal i transoren 6 150229 og to tætnende pakninger 26, 27, som er sammenpresset imellem hornenes flangedele 19, 20.

I en typisk udførelsesform er hornsektionerne 12A og 13 og flangedelene 19 og 20 fortrinsvis fremstillet 5 af et materiale med god akustisk ledningsevne, såsom aluminium, titan, magnesium eller legeringer af disse, såsom en Ti-6Al-4V-titan-aluminiumlegering, en 6061-T6-aluminiumlegering, en 7025-aluminiumlegering, en AZ 61-magnesiumlegering og lignende. Skiverne 15 og 16 10 består af blyzirconattitanat, som er fremstillet af

Vernitron Corporation, eller de kan være fremstillet af lithiummiobat, som er fremstillet af Valtec Corporation. Elektroden er af kobber, tilkoblingspiinktet 18, monteringsringen 21 og boltene 22 er af stål. Isolatorerne 15 23 er af nylon, teflon eller et plastmateriale med god elektrisk isolationsevne, og pakningerne 26 og 27 er fremstillet af siliconegummi.

Den dobbeltblinde første sektion 11 har halvbølgélængde-geometri, men indeholder alligevel alle de øvrige, uhel-20 dige træk, dvs. fastklemning ved et ikke-knudeplan, kobberelektroden, skrueklemningen og monteringsringen, hvilket vil bevirke, at transorens reelle resonansfrekvens afviger fra den teoretiske. Den karakteristiske frekvens for denne første sektions maksimale Q-værdi 25 måles. En typisk frekvens for en effektiv forstøvning kan f.eks. være 85 kHz. Hermed er det første trin i transorens konstruktion fuldført.

Som det fremgår af fig. 2, suppleres den første sektion II med en anden halvbølgesektion 29. Denne sektion 29 30 omfatter et segment 12B med stor diameter, et segment 30 med lille diameter, således at der opnås et forstærkningstrin 31, en flangeforsynet bøsning 32 med en forstøvningsflade 33, en centralt beliggende passage 34 for 7 150229 tilførsel af brændstof til forstøvningsfladen 33 samt en indvendigt monteret udkoblingsbøsning 35. Udkoblingsbøsningen er fremstillet af et materiale som f.eks. teflon, hvilket bevirker en akustisk isolation fra passa-5 gens 34 overflade.

Det vil kunne forstås, at denne sektion blot omfatter få uheldige træk, idet den ligeledes er en ren teoretisk model. Sektionens resonansfrekvens vælges således, at den passer til den første sektions 11 virkelige resonans-10 frekvens.

I forbindelse med komplettering af konstruktionen sammensættes de to sektioner 11 og 29, hvilket resulterer i en forstøver (fig. 3), som er optimeret med hensyn til en maksimal Q-værdi, og som kan anvendes til op-15 nåelse af en effektiv forbrænding af brændstoffer.

Kendte transorer benyttet til ultrasonisk forstøvning af brændstof har sædvanligvis benyttet en flangeforsynet bøsning 32 med en forstøvningsflade 33. Den flan-geforsynede bøsning øger forstøvningskapaciteten på 20 grund af et øget areal af forstøvningsfladen 33.

Tilføjelsen af en sådan flange er foretaget på bekostning af forstøvnings-virkningsgraden.

I fig. 2 angiver A længden af hornets frontsektion 12B, B er længden af segmentet 30 med den lille diameter, 25 og C er tykkelsen af den flangeforsynede bøsningssektion 32.

Ved kendte forstøvere, som ikke benytter en flange,

A

er g : 1, da A og B begge har en længde, som tilsvarer. 1/4 bølgelængde.

A

30 Ved kendte forstøvere, som benytter en flange, er —= 1· 150229 8

Man har fundet, at det, at holde forholdet lig med 1, endog ved tilføjelse af flangen, er lidet effektivt og reducerer kraftoverføringen, mens man ved at holde forholdet g^-> 1, kan opretholde de samme virknings-5 gradsniveauer som før tilføjelse af flangen. Hvis f.eks.

Dj = flangesektionens 32 diameter, = diameteren af segmentet 30 med den lille diameter, ^3 of = i-53 (uden flange) = ^ = 1, 10 g^· (med flange) = 1,12, vil virkningsgradsniveauerne, opnået med flanger, tilsvare virkningsgradsniveauerne, som opnås uden flange.

Ovenstående eksempel gælder forstøvere fremstillet af aluminium, titanium, magnesium samt de nævnte legerin- 13 ger, og forudsætter, at lydhastigheden hovedsageligt er den samme for begge materialer. For andre materialer

A

med forskellige lydhastigheder vil forholdet varie re men vil altid være større end 1.

Forstøverens pålidelighed vil med tiden øges via tætning 20 af skiverne 15, fordi brændstofforurening ikke længere vil være mulig. Rumfanget imellem klemflange-sektionerne •19 og 20 er fyldt med et siliconegummimateriale som f.eks. pakninger 26 og 27. Tidligere forårsagede indsiv-ning af brændstoffet på skivernes 15 og 16 flader en 25 forringelse af disse og resulterede i en dårlig forstøv-, ningsydelse på lang sigt. Fænomenet bevirker en forringelse af den mekaniske kobling imellem hornets elementer. Pakningerne 26 og 27 løser dette problem, og forstøvningsydelsen påvirkes ikke af den yderligere masse, 9 150229 hvilket er blevet bekræftet ved målinger, før og efter, af impedans, funktionsfrekvens og flangeforskydning.

Den noget højere indre opvarmning, forårsaget af tætningen af skiverne 15, reducerer ikke forstøverens levetid, 5 da de indre temperaturer i alle tilfælde vil være under den maksimale funktionstemperatur for piezoelektriske krystaller. Pakningerne 26 og 27 er fremstillet af et sammenpresseligt materiale og har en indre periferi, som passer til - men oprindeligt er lidt større end 10 skivernes 15 og 16 ydre omkreds. Ved sammenpresning bringes pakningernes 26 og 27 indre periferi i nær kontakt med skivernes 15 og 16 ydre omkreds.

Et andet aspekt i forbindelse med den foreliggende opfindelse er elimineringen af en for tidlig forstøvning 15 af brændstoffet i brændstofpassagen, som fører hen til forstøvningsfladen. Som tidligere nævnt kan brændstoffet i kendte konstruktioner påbegynde en forstøvning inden i den til forstøvningsfladen førende brændstofpassage.

Den for tidligt indtræffende forstøvning danner i brænd-20 stofpassagen et tomrum ved overgangen mellem brændstof og vægflade, hvilket tomrum fører til dannelsen af bobler i brændstofpassagen. Disse bobler vil gradvist arbejde sig frem til forstøvningsfladen men resulterer i, idet de føres hen til fladen, en midlertidig afbrydelse af 25 brændstofstrømningen hen på en del af fladen, og resultatet af dette bliver en ujævn fordeling af brændstof hen over fladen. Boblerne forbliver i et kort tidsrum intakte på forstøvningsfladen, og dermed vil fladen under boblerne i dette tidsrum ikke blive fugtet med 30 brændstof. Nettovirkningen af denne ujævne og konstant varierende brændstoffordeling på fladen bliver en rumlig, ustabil brændstofindsprøjtning, hvilket er en tilstand, som fører til ustabil forbrænding.

Det forannævnte problem elimineres ved tilvejebringelsen

Claims (4)

150229 ίο af en i brændstofpassagen 34 beliggende udkoblingsbøsning, 35 som strækker sig op til ca. 0,75 mm fra forstøvningsfladen 33. Bøsningen vil sædvanligvis være fremstillet af plast og prespasset ind i passagen 34, 5 således at den strækker sig ind i segmentet 12B med den større diameter. Forskellen i de akustiske overføringsegenskaber mellem materialet af bøsningen 35 og hornsektionen 29 er således, at sektionens 29 vibrationsbevægelse ikke overføres til brændstoffet i brænd-10 stofpassagen 34, som omfatter bøsningen 35.

1. Ultrasonisk forstøver omfattende en symmetrisk første sektion (11), som udgøres af et bageste horn (13) i form af en cylinder, der ved den ene ende har en flange 15 (20) og har to piezoelektriske skiver (15 og 16) samt har en imellem skiverne placeret elektrode, og udgøres af et forreste horn (12A) i form af en cylinder, som ved den ene ende har en flange (19), idet det forreste horn er af samme størrelse som det bageste horn (13) 20 og har en første passage, som strækker sig aksialt derigennem, og har i det mindste et gevindskåret element (22), som holder drivorganet (14) imellem flangerne (19 og 20) på nævnte horn samt omfattende en anden sektion, som udgøres af et første cylindrisk segment (12B) 25 med en given længde (A) og en diameter, som er lig med det forreste horns (12A) diameter og er udformet som en integrerende del af dette, og et andet cylindrisk segment (30) med en given længde (B) og med en diameter, som er betydelig mindre end diameteren af det første 30 cylindriske segment, og som rager ud fra dette, idet 150229 det andet cylindriske segment har et flangeforsynet, stift fremspring (32) med en given længde (C), hvilket fremspring har en forstøvningsflade (33), idet overgangen mellem det første - og det andet cylindriske segment 5 udgør et trin (31) til forstærkning af længdesvingninger, som anordningen udsættes for af drivorganet (14), og hvor der findes en anden passage (34), som, i retning af - og i forbindelse med nævnte første passage, strækker sig aksialt igennem den anden sektion i forbindelse 10 med tilførsel af væske til forstøvningsfladen, ken detegnet ved, at i det mindste én tætnende pakning (26 og 27) omgiver de piezoelektriske skiver (15 og 16) og er beliggende imellem flangerne (19 og 20) på nævnte horn, og at en udkoblingsbøsning (35) er anbragt 15 i den anden passage (34) og strækker frem til forstøvningsfladen (33), hvilken udkoblingsbøsning er fremstillet af et materiale, som, i forbindelse med overføring af akustisk energi, har anderledes egenskaber end materialet i forstøveren, og at længden (A) af det første cylindriske 20 segment (12B) er større end den samlede længde af det andet cylindriske elements længde (B) og fremspringets (32) længde (C), og at forstøverens første sektion (11) har en eksperimentelt bestemt karakteristisk resonansfrekvens, samt at den anden sektion (29) har en teoretisk 25 beregnet egenfrekvens, som stort set er sammenfalden de med den første sektions eksperimentelt bestemte frekvens.

2. Ultrasonisk forstøver ifølge krav 1, k ende-tegnet ved, at den første sektion (11) er en halv- 30 bølgelængdesektion.

3. Ultrasonisk forstøver ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den nævnte, mindst ene tætnende pakning (26 og 27) er en ringformet pakning af sammenpresseligt, elastomert materiale, som omgiver hver af 150229 de piezoelektriske skiver (15 og 16), hvilken pakning • har en indre periferi, som i ubelastet tilstand har samme form som - men er lidt større end periferien for den piezoelektriske skive, samt at sammentrykningen, 5 som udøves af det gevindskårne klemelement (22) er tilstrækkelig til at tilvejebringe god akustisk kobling mellem drivorganet (14) og det forreste - og det bageste horn (12A, 13), når pakningens (26, 27) indre periferi befinder sig nær den piezoelektriske skives (15 og 16) 10 ydre periferi.

4. Fremgangsmåde til fremstilling af en ultrasonisk forstøver ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der fremstilles en første prøvetransorsektion (11) i form af en symmetrisk, ultrasonisk transor, som omfatter 15 et drivorgan (14), et med flange forsynet, forreste cylindrisk hornelement (12A), et bageste hornelement (13), som er identisk med det forreste hornelement samt organer (22) for fastgørelse af hornelementerne til drivorganet, hvilken prøvetransor konstrueres således, 20 at den har en teoretisk egenfrekvens, som er lig med en forudbestemt ultrasonisk frekvens, og at den første prøvetransorsektions virkelige resonansfrekvens måles, hvilken frekvens adskiller sig fra den forudbestemte designfrekvens, og at der konstrueres en anden transor-25 sektion (29), som har et forstærkningstrin (31), idet længdedimensionerne for den anden sektion beregnes således, at den har en teoretisk egenfrekvens, som er lig med den første transorsektions (11) målte egenfrekvens, samt at der fremstilles en komplet ultrasonisk forstøver, 30 som omfatter et bageste element, som er identisk med den første prøvetransorsektions bageste hornelement (13) og et forreste element, hvis første del er identisk med den første prøvetransorsektions forreste hornelement (12A) samt omfatter en anden del i henhold til nævnte 35 konstruktion af den anden transorsektion (29).