ES2294364T3 - Bocina ultrasonica resistente a corrosion. - Google Patents
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Abstract
Una bocina ultrasónica que comprende un cuerpo hueco unido a una varilla sólida, teniendo dicha varilla sólida un eje longitudinal y terminando en una superficie de extremo transversal a dicho eje, teniendo dicho cuerpo hueco y dicha varilla sólida superficies externas de un metal basado en titanio excepto por al menos una porción central de dicha superficie de extremo que es de un metal basado en plata, siendo dicho metal basado en titanio bien titanio puro o cualquier aleación en la que el titanio es el componente mayoritario y siendo dicho metal basado en plata bien plata pura o cualquier aleación basada en plata en la que la plata es el componente mayoritario.
Description
Bocina ultrasónica resistente a corrosión.
Esta invención se refiera al campo de equipo de
proceso empleado en el tratamiento con ultrasonidos de materiales en
medio líquido.
El uso de ultrasonidos para acelerar las
velocidades de reacciones químicas es bien conocido. Ejemplos de
publicaciones que definen usos químicos de ultrasonidos son Suslick,
K.S., "Sonochemistry," Science, vol. 247, pág. 1439 (1990) y
Mason, T.J., Practical Sonochemistry, A User's Guide to Applications
in Chemistry and Chemical Engineering, (Sonoquímica práctica, Guía
de Usuario para Aplicaciones en Química e Ingeniería Química),
Ellis Norwood Publishers, West Sussex, Inglaterra (1991). De los
diversos sistemas de sonicación que se han desarrollado, los
conocidos como sistemas de tipo "sonda", incluyen un
transductor ultrasónico que genera energía ultrasónica y transmite
esta energía a una bocina ultrasónica para amplificación.
En uso, las bocinas ultrasónicas son
susceptibles a desgaste y erosión, en particular cuando su uso
requiere contacto con un medio de reacción líquido acuoso. Una
vez que se desarrolla la erosión, la bocina tiende a perder su
efectividad y la eficiencia en la amplificación de la energía
ultrasónica se reduce. Para minimizar esta pérdida, las bocinas
ultrasónicas se fabrican de forma típica en acero, aleaciones de
titanio o aleaciones de aluminio. Cada una tiene sus limitaciones,
sin embargo. La alta densidad del acero requiere relativamente alta
energía para excitar la bocina y por lo tanto una fuente de alta
alimentación para la energía eléctrica. El aluminio y las
aleaciones de aluminio son menos densos, pero más susceptibles a
fracturas por tensión por las vibraciones ultrasónicas. Las
aleaciones de titanio son materiales de construcción preferidos,
pero aun son susceptibles a corrosión y pérdida de eficiencia.
Ahora se ha descubierto que la velocidad de
corrosión y la velocidad de pérdida de eficiencia de energía de una
bocina ultrasónica de metal a base de titanio, cuando se utiliza en
un ambiente acuoso, se pueden reducir de forma significativa al
utilizar un metal basado en plata en el extremo expuesto de la
bocina. Esto puede lograrse bien depositando un metal basado en
plata en la superficie de extremo, fijando una tapa del metal
basado en plata en el extremo o la superficie de extremo de la
bocina o construyendo una porción de varilla de la bocina con una
cubierta de titanio y un núcleo de metal basado en plata, con el
núcleo expuesto en la superficie del extremo El metal basado en
plata ocupara bien una porción central de la superficie de extremo,
o toda la superficie de extremo. Se puede emplear una bocina con el
metal basado en plata en su extremo expuesto durante periodos
prolongados de tiempo sustancialmente sin reducción en su capacidad
para amplificar la energía ultrasónica producida por el
transductor.
La Figura 1 es una sección transversal de un
primer ejemplo de una bocina ultrasónica de acuerdo con la presente
invención;
La Figura 2 es una sección transversal de un
segundo ejemplo de una bocina ultrasónica de acuerdo con la presente
invención.
Las bocinas ultrasónicas de acuerdo con esta
invención incluyen un cuerpo principal hueco que termina en una
varilla sólida. El cuerpo principal hueco está formado por metal
basado en titanio y al menos una porción de la varilla está formada
también por metal basado en titanio.
El metal basado en titanio puede ser bien
titanio puro o cualquier aleación en la que el titanio es un
componente principal. El metal basado en titanio contiene
preferiblemente al menos aproximadamente 85% de titanio en peso,
más preferiblemente al menos aproximadamente 99% en peso de titanio.
Cuando se emplean aleaciones, loa elementos de aleación incluirán
en la mayoría de los casos uno o más de aluminio, titanio y
circonio, y opcionalmente en cantidades menores oxígeno, nitrógeno y
carbono.
El metal basado en plata empleado en el extremo
expuesto de la varilla, o en algunas realizaciones de la invención
como núcleo de la varilla, puede ser bien plata pura o cualquier
aleación en la que la plata es el componente principal. El metal
basado en plata contiene preferiblemente al menos aproximadamente
85% en peso de plata, más preferiblemente al menos aproximadamente
99% en peso de plata. Cuando se emplean las aleaciones, los
elementos que forman la aleación incluirán en la mayoría de los
casos cobre, zinc o cadmio, o dos o más de estos combinados.
Preferiblemente, la varilla no tiene
revestimiento externo que cubre bien sea la cubierta o el extremo
expuesto del núcleo, diferente a los metales basados en titanio y
los metales basados en plata.
Las dimensiones de los componentes de la bocina,
es decir el cuerpo principal hueco y la varilla, no son críticas, y
se elegirán para conseguir la transmisión de energía ultrasónica y
el rendimiento y para adaptarse al recipiente de reacción al que
se dirige la energía ultrasónica. En realizaciones preferidas de la
invención, la varilla es un cilindro de sección transversal
circular y más preferiblemente tanto el cuerpo principal hueco como
la varilla, son cilindros de sección transversal circular.
En ciertas realizaciones de esta invención, la
varilla comprende un núcleo del metal basado en plata y una
cubierta del metal basado en titanio. En estas realizaciones, el
espesor de pared de la cubierta es preferiblemente aproximadamente
0,5 cm a aproximadamente 1,0 cm, con un diámetro externo desde
aproximadamente 1,5 cm a aproximadamente 2,5 cm. La varilla
actualmente preferida en esta configuración es una que tiene una
longitud de 5,7 cm (2,25 pulgadas), un diámetro externo de 1,3 cm
(0,5 pulgadas), con una cubierta que tiene un espesor de pared de
0,16 cm (0,0625 pulgadas). El cuerpo principal hueco en esta
realización tiene una longitud de 7,6 cm (3,0 pulgadas), un
diámetro externo de 3,8 cm (1,5 pulgadas), y un espesor de pared de
1,3 cm (0,5 pulgada). Una alternativa es una combinación de cuerpo
principal y varilla, con una longitud de 20,3 cm (8,0 pulgadas) y
un diámetro externo de varilla de 1,9 cm (0,75 pulgadas).
En otras realizaciones de esta invención, la
varilla consiste en un metal basado en titanio sólido en el que se
ha practicado un orificio a través del extremo expuesto, y roscado,
y se inserta en el orificio un tornillo del metal basado en plata
con roscas correspondientes. La cabeza del tornillo tiene un ancho
substancialmente igual al ancho de la varilla, tapando todo el
extremo opuesto de este modo. En estas realizaciones, el diámetro
de la cabeza del tornillo es por lo general del mismo tamaño que el
diámetro de la varilla, que, como se mostró anteriormente es
preferiblemente de aproximadamente 1,5 cm a aproximadamente 2,5
cm.
Otras realizaciones de la invención incluyen
bocinas ultrasónicas en las que el metal basado en plata ocupa solo
la superficie de extremo de la sección de varilla. El metal basado
en plata en estas realizaciones puede aplicarse por cualquier medio
convencional, incluyendo soldadura eléctrica, soldadura con estaño o
cualquier otra forma de unión de un disco u hoja derivada de metal
basado en plata, y el revestimiento de la superficie de extremo con
el metal basado en plata por procedimientos tales como
electrorrevestimiento o deposición química.
Aunque la invención es susceptible a una
variedad de implementaciones y configuraciones, un estudio detallado
de realizaciones específicas proporcionará al lector una
comprensión completa de los conceptos de la invención y cómo se
aplican. Tales realizaciones se ilustran en las Figuras.
Una sección transversal de un ejemplo de una
bocina ultrasónica de acuerdo con esta invención aparece en la
Figura 1. La bocina 11 es un cuerpo de revolución, y el dibujo es
una sección transversal longitudinal sobre el eje de la bocina. La
bocina consiste en un cuerpo principal hueco 12 que termina en una
varilla 13, la varilla tiene un diámetro externo más pequeño que el
cuerpo principal hueco. El cuerpo principal tiene una pared 14 de
titanio sólido que rodea una cavidad 15, que es coaxial con el
cuerpo principal. Una brida 16 que rodea el exterior del cuerpo
principal, puede servir como un elemento auxiliar de montaje. La
varilla 13 es una cubierta de titanio 17 rellena con un núcleo de
plata 18. El extremo expuesto 19 de la varilla expone el núcleo 18.
Sin el núcleo de plata 18, la corrosión se produce típicamente en el
extremo de la varilla, y el núcleo de plata reduce esta
corrosión.
Una sección transversal de un segundo ejemplo
aparece en la Figura 2. Esta bocina 21 es un cuerpo de revolución
similar al de la bocina mostrada en la Figura 1, con las mismas
dimensiones. La varilla 22 en este ejemplo es una varilla de
titanio sólido en cuyo extremo se ha practicado un orificio y
roscado internamente, y se ha insertado un tornillo de plata 23 en
el orificio roscado internamente. La cabeza 24 del tornillo cubre
todo el extremo de la varilla.
Las bocinas ultrasónicas de acuerdo con esta
invención se pueden emplear para producir ondas del tipo sonido
cuya frecuencia está por encima de la frecuencia de audición del
oído humano normal, es decir por encima de 20 kHz (20.000 ciclos
por segundo). Se ha generado energía ultrasónica con frecuencias tan
altas como 10 gigahertz (10.000.000.000 ciclos por segundo), pero
las bocinas ultrasónicas de la presente invención se hacen funcionar
preferiblemente en el rango de aproximadamente 20 kHz a
aproximadamente 200 kHz, y preferiblemente en el rango de
aproximadamente 20 kHz a aproximadamente 50 kHz. Se pueden generar
ondas ultrasónicas a partir de fuentes de energía mecánica,
eléctrica, electromagnética o térmica. La intensidad de la energía
sónica también puede variar ampliamente. Para los propósitos de
esta invención, en general se lograran mejores resultados con una
intensidad en el rango de aproximadamente 30 vatios/cm^{2} a
aproximadamente 300 vatios/cm^{2}, o preferiblemente de
aproximadamente 50 vatios/cm^{2} a aproximadamente 100
vatios/cm^{2}. La fuente electromagnética típica es un
transductor magnetoestrictivo que convierte la energía magnética en
energía ultrasónica al aplicar un campo magnético alternante fuerte
a ciertos metales, aleaciones y ferritas. La fuente eléctrica típica
es un transductor piezoeléctrico, que utiliza cristales sencillos
naturales o sintéticos (tales como cuarzo) o cerámicos (tales como
titanato de bario o circonato de plomo) y aplica una tensión
eléctrica alterna a través de caras opuestas del cristal o
cerámico, para provocar una expansión y contracción alternante del
cristal o cerámico en la frecuencia impuesta.
Las bocinas ultrasónicas de acuerdo con esta
invención tienen amplias aplicaciones en áreas tales como limpieza
para la industria electrónica, del automóvil, aeronáutica y de
instrumentos de precisión, caudalímetros para sistemas cerrados
tales como refrigerantes en plantas de energía nuclear o para el
flujo de sangre en el sistema vascular, ensayos de materiales,
mecanizado, soldadura con estaño y soldadura eléctrica,
electrónicos, agricultura, oceanografía y formación de imagen
medica al igual que reacciones químicas y procesos químicos,
particularmente en medio acuoso y más particularmente en medio
líquido acuoso, incluyendo soluciones, emulsiones y suspensiones
acuosas. Son bien conocidos por los expertos en tecnología de
ultrasonidos diversos procedimientos para producir y aplicar
energía ultrasónica y suministradores comerciales de equipo de
ultrasonido.
Descripciones de medios de reacción acuosos en
los que las bocinas ultrasónicas de la presente invención se pueden
emplear de forma eficaz se encuentran en la patente de Estados
Unidos nº 6.402.939, expedida el 11 de junio de 2002 (Yen et
al.), la Publicación de Solicitud de Patente Internacional No.
WO 02/074884 A1, publicada bajo el Tratado de Cooperación en
materia de Patentes con fecha de publicación internacional de 26 de
septiembre de 2002, y las solicitudes de patentes de Estados Unidos
números 09/812.390, presentada el 19 de marzo de 2001 (Gunnerman) y
10/279.218, presentada el 23 de octubre de 2002 (Gunnerman).
Claims (13)
1. Una bocina ultrasónica que comprende un
cuerpo hueco unido a una varilla sólida, teniendo dicha varilla
sólida un eje longitudinal y terminando en una superficie de extremo
transversal a dicho eje, teniendo dicho cuerpo hueco y dicha
varilla sólida superficies externas de un metal basado en titanio
excepto por al menos una porción central de dicha superficie de
extremo que es de un metal basado en plata, siendo dicho metal
basado en titanio bien titanio puro o cualquier aleación en la que
el titanio es el componente mayoritario y siendo dicho metal basado
en plata bien plata pura o cualquier aleación basada en plata en la
que la plata es el componente mayoritario.
2. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicha varilla sólida comprende una
cubierta de dicho metal basado en titanio y un núcleo de dicho metal
basado en plata.
3. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicha superficie de extremo es circular
y comprende un disco central de dicho metal basado en plata rodeado
por un anillo de dicho metal basado en titanio, ocupando dicho
disco central al menos el 60% de dicha superficie de extremo.
4. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicha superficie de extremo es circular
y comprende un disco central de dicho metal basado en plata, rodeado
por un anillo de dicho metal basado en titanio, ocupando dicho
disco central al menos el 70% de dicha superficie de extremo.
5. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicha superficie de extremo es
totalmente de dicho metal basado en plata.
6. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicha varilla sólida es un cilindro de
sección transversal circular.
7. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el cuerpo hueco es un primer cilindro
de sección transversal circular y dicha varilla sólida es un segundo
cilindro de sección transversal circular.
8. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 7, en la que dicha varilla sólida comprende una
cubierta de dicho metal basado en titanio y un núcleo de dicho metal
basado en plata, teniendo dicha cubierta un espesor de pared de
aproximadamente 0,5 cm a aproximadamente 1,0 cm y un diámetro
externo de aproximadamente 1,5 cm a aproximadamente 2,5 cm.
9. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 7, en la que dicha superficie de extremo es
totalmente de dicho metal basado en plata y dicha varilla sólida
tiene un diámetro de aproximadamente 1,5 cm a aproximadamente 2,5
cm.
10. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicha varilla sólida no tiene
revestimiento externo y no comprende materiales diferentes a dicho
metal basado en titanio y dicho metal basado en plata.
11. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicho metal basado en titanio es al
menos aproximadamente 85% en peso titanio.
12. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicho metal basado en titanio es al
menos aproximadamente 85% en peso titanio y dicho metal basado en
plata es al menos aproximadamente 85% en peso plata.
13. Una bocina ultrasónica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicho metal basado en titanio es al
menos aproximadamente 99% en peso titanio y dicho metal basado en
plata es al menos aproximadamente 99% en peso plata.
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