KR102159856B1 - Ultrasonic device having large radiating area - Google Patents

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KR102159856B1
KR102159856B1 KR1020170042158A KR20170042158A KR102159856B1 KR 102159856 B1 KR102159856 B1 KR 102159856B1 KR 1020170042158 A KR1020170042158 A KR 1020170042158A KR 20170042158 A KR20170042158 A KR 20170042158A KR 102159856 B1 KR102159856 B1 KR 102159856B1
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마가렛 루카스
츠위 닝 팬논 림
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셈코프 머린 리패어즈 앤드 업그래이즈 피티이. 엘티디.
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Abstract

본 발명은 유체 프로세싱을 위한 파워 초음파 장치에 관한 것이다. 초음파 공진기는: 길이방향 축을 갖는 여기부 섹션으로서, 여기부 섹션이 고주파수 진동으로 에너지화될 때, 길이방향 축을 따른 방향으로 공진되도록 치수가 결정되는 여기부 섹션; 그리고 연결 스터브를 가지고 연결 스터브를 통해서 여기부 섹션에 결합되는 복사부 섹션으로서, 여기부 섹션으로부터 진동을 수신하고 그러한 진동을 음향파로서 전달하도록 구성된, 복사부 섹션을 포함하고, 여기부 섹션의 축방향 길이는 절반-파장 보다 짧고, 연결 스터브는, 초음파 공진기가 설계 주파수에서 공진 동작되도록 여기된 섹션에 결합될 때, 절반-파장을 완성한다. 복사부 섹션은 복수의 외부 복사 표면을 제공하기 위한 적어도 3개의 측면, 및 복수의 오리피스가 내부에 형성된 2개의 대향 면들을 갖는 복사부 본체를 포함하고, 오리피스의 벽은 복수의 내부 복사 표면을 제공하도록 구성되며, 그리고 내부 및 외부 표면은 진동을 음향파로서 전달하도록 구성된다.The present invention relates to a powered ultrasonic device for fluid processing. The ultrasonic resonator comprises: an excitation section section having a longitudinal axis, the excitation section section dimensioned to resonate in a direction along the longitudinal axis when the excitation section section is energized by high frequency vibration; And a radiating section section that has a connecting stub and is coupled to the excitation section through the connecting stub, comprising a radiating section section, configured to receive vibrations from the excitation section and transmit such vibrations as acoustic waves, the axis of the excitation section The directional length is shorter than the half-wavelength, and the connecting stub completes the half-wavelength when the ultrasonic resonator is coupled to the excited section to be resonantly operated at the design frequency. The radiating section comprises a radiating section body having at least three sides for providing a plurality of exterior radiating surfaces, and two opposite sides having a plurality of orifices formed therein, the walls of the orifices providing a plurality of interior radiating surfaces. And the inner and outer surfaces are configured to transmit vibrations as acoustic waves.

Description

큰 복사 면적을 가지는 초음파 장치{ULTRASONIC DEVICE HAVING LARGE RADIATING AREA}Ultrasonic device with large radiation area{ULTRASONIC DEVICE HAVING LARGE RADIATING AREA}

본 발명은 파워 초음파의 기술 분야, 보다 특히 유체 프로세싱을 위한 파워 초음파 장치의 기술 분야에 속한다.The present invention belongs to the technical field of power ultrasound, more particularly in the technical field of power ultrasound devices for fluid processing.

파워 초음파 장치는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 능동적 구성요소를 포함한다. 능동적 구성요소의 진동 출력은, 음향 에너지를 프로세스 유체로 전달하는 (혼(horn), 복사부(radiator), 또는 공진기로도 지칭되는) 공진 구조물로 전달된다. 전기-기계적 장치로의 전기 에너지 전달은 파워 초음파 장치의 공진 주파수에 가까운 전압을 전달하도록 설계된 전원에 의해서 생성된다. 길이방향으로 진동되는 혼 등, 반경방향으로 진동되는 혼 등과 같은, 이러한 초음파 장치는 그 구조적 질량에 비해서 작은 복사 표면적을 전형적으로 갖는다. 그러한 장치는 큰 세기의 음향 에너지를 매우 작은 표면적에 집중시켜, 장치의 선단부 근처의 매우 작은 부피로 한정되는 유효 영역을 생성한다. 소독, 응집, 탈기, 탈가스, 화학적 반응, 촉매 작용, 유화, 탈응집 등과 같은 유체 프로세스에서 그러한 장치를 이용하는 것은, 초음파-보조되는 연속적인 프로세스가 분당 수 리터의 적은 유량으로 제한될 것을 요구하거나 초음파-보조되는 배치식(batch) 프로세스가 수 리터의 적은 부피 및/또는 수 분 내지 수 시간의 긴 처리 시간으로 실시될 것을 요구할 수 있다. 전형적으로, 초음파 장치로의 전기 에너지 공급을 증가시키는 것에 의해서 초음파 세기 또는 초음파 에너지 밀도를 증가시키는 것이 프로세싱 시간 및 유량의 개선을 초래할 수 있다. 그러나, 추가적인 전기 에너지 증가가 유용한 음향 에너지를 더 이상 생성하지 못하는 상한선이 존재하게 되는데, 이는 큰 진동 진폭에서의 "기포 차폐(bubble shielding)” 체제(regime)의 개시 때문이다. 이러한 장치는 작은 복사 표면적을 가지기 때문에, "기포 차폐" 체제는 비교적 작은 입력 파워 준위에서 발생된다. 그에 따라, 큰-유동 또는 큰-부피의 초음파-보조 유체 프로세싱 적용 분야는, 프로세스에서 요구되는 초음파 세기 또는 초음파 에너지 밀도를 전달하기 위해서, 복수의 초음파 혼, 변환기, 및 전원의 이용을 필요로 할 수 있다. 요구되는 프로세스 유량 및 부피에 맞추기 위한 복수의 장치 및 그들의 보조장치의 이용은 자본 및 운영비를 증가시킨다. 보다 새로운 파워 초음파 장치는 복사 표면적을 증대시키는 것에 의해서 전술한 한계를 극복하고자 한다. 그러나, 진동 표면적의 증가는 장치의 구조적 질량의 상응하는 증가를 전형적으로 수반한다. 그에 따라, 희망 진동 진폭으로 장치를 공진시키는데 있어서 더 많은 전기적 파워가 필요하게 된다.Power ultrasound devices include active components that convert electrical energy into mechanical energy. The vibrational output of the active component is transferred to a resonant structure (also referred to as a horn, radiator, or resonator) that transfers acoustic energy to the process fluid. The transfer of electrical energy to the electro-mechanical device is produced by a power source designed to deliver a voltage close to the resonant frequency of the powered ultrasonic device. Such ultrasonic devices, such as longitudinally vibrating horns, radially vibrating horns, and the like, typically have a small radiant surface area relative to their structural mass. Such devices concentrate large intensity acoustic energy on a very small surface area, creating an effective area confined to a very small volume near the tip of the device. Using such devices in fluid processes such as disinfection, agglomeration, degassing, degassing, chemical reactions, catalysis, emulsification, deagglomeration, etc., requires that the ultrasonically-assisted continuous process be limited to flow rates as small as several liters per minute or It may be required that the ultrasonically-assisted batch process be carried out with small volumes of several liters and/or long processing times of minutes to hours. Typically, increasing the ultrasonic intensity or ultrasonic energy density by increasing the electrical energy supply to the ultrasonic device can result in improved processing time and flow rate. However, there is an upper limit at which additional electrical energy increases no longer produce useful acoustic energy, due to the initiation of a “bubble shielding” regime at large vibration amplitudes, such devices as small radiant radiation. Due to its surface area, the "bubble shielding" regime occurs at relatively small input power levels, thus large-flow or large-volume ultrasonic-assisted fluid processing applications are not limited to the ultrasonic intensity or ultrasonic energy density required in the process. It may require the use of a plurality of ultrasonic horns, transducers, and power sources in order to deliver the power source, and the use of multiple devices and their auxiliary devices to match the required process flow and volume increases capital and operating costs. The new powered ultrasonic device attempts to overcome the above-mentioned limitations by increasing the radiant surface area, however, an increase in the oscillating surface area typically entails a corresponding increase in the structural mass of the device, thus bringing the device to the desired oscillation amplitude. More electrical power is required to resonate.

본 발명의 제1 양태에 따라서, 초음파 공진기가 제공되며, 그러한 초음파 공진기는:According to a first aspect of the present invention, an ultrasonic resonator is provided, such an ultrasonic resonator:

길이방향 축을 갖는 여기부 섹션(exciter section)으로서, 여기부 섹션이 고주파수 진동으로 에너지화될(energized) 때, 길이방향 축을 따른 방향으로 공진되도록 치수가 결정되는, 여기부 섹션; 그리고 An exciter section having a longitudinal axis, the excitation section dimensioned to resonate in a direction along the longitudinal axis when the excitation section is energized with high-frequency vibrations; And

연결 스터브(connection stub)를 구비하며 연결 스터브를 통해서 여기부 섹션에 결합되는 복사부 섹션으로서, 여기부 섹션으로부터 진동을 수신하고 그러한 진동을 음향파로서 전달하도록 구성된, 복사부 섹션을 포함하고, A radiation section section having a connection stub and coupled to the excitation section through the connection stub, the radiation section section configured to receive vibrations from the excitation section and transmit such vibrations as acoustic waves,

여기부 섹션의 축방향 길이는 절반-파장 보다 짧고, The axial length of the excitation section is shorter than the half-wavelength,

연결 스터브는 초음파 공진기가 설계 주파수에서 공진 동작되도록 여기된 섹션에 결합될 때, 절반-파장을 완성한다.The connecting stub completes the half-wavelength when the ultrasonic resonator is coupled to the excited section to be resonantly operated at the design frequency.

제1 양태의 일 실시예에 따라서, 복사부 섹션은 복수의 외부 복사 표면을 제공하기 위한 적어도 3개의 측면, 및 복수의 오리피스가 내부에 형성된 2개의 대향 면들(faces)을 가지는 복사부 본체를 포함하고, 오리피스의 벽은 복수의 내부 복사 표면을 제공하도록 구성되며, 그리고 According to one embodiment of the first aspect, the radiating section comprises a radiating section body having at least three sides for providing a plurality of external radiating surfaces, and two opposite faces having a plurality of orifices formed therein. And the wall of the orifice is configured to provide a plurality of inner radiating surfaces, and

내부 및 외부 표면은 진동을 음향파로서 전달하도록 구성된다.The inner and outer surfaces are configured to transmit vibrations as acoustic waves.

제1 양태의 일 실시예에 따라서, 오리피스는 복수의 오리피스 준위로 배열되고, 단일 오리피스를 가지는 일차적인 오리피스 준위 이외의, 각각의 오리피스 준위의 오리피스들은, 단일 오리피스 주위로 센터링되고 오리피스 준위의 증가에 따라 단일 오리피스로부터 증가되는 반경방향 거리로 배열된다.According to an embodiment of the first aspect, the orifices are arranged in a plurality of orifice levels, and the orifices of each orifice level, other than the primary orifice level having a single orifice, are centered around the single orifice and are subjected to an increase in orifice level. Are arranged with increasing radial distance from a single orifice accordingly.

제1 양태의 일 실시예에 따라서, 복사부 본체는 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크를 구비한다.According to an embodiment of the first aspect, the radiating part body has a plurality of orifice-links connecting at least some of the orifices of adjacent orifice level.

제1 양태의 일 실시예에 따라서, 복사부 본체는, 일차적인 오리피스 준위의 단일 오리피스 이외의, 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크를 구비한다.According to one embodiment of the first aspect, the radiating part body has a plurality of orifice-links connecting at least some of the orifices of the adjacent orifice level, other than a single orifice of the primary orifice level.

제1 양태의 일 실시예에 따라서, 오리피스의 적어도 일부는, 복사부 본체의 두께를 통해서 부분적으로 연장되는 깊이를 갖는다.According to one embodiment of the first aspect, at least a portion of the orifice has a depth that extends partially through the thickness of the radiating portion body.

제1 양태의 일 실시예에 따라서, 오리피스의 적어도 일부는, 복사부 본체의 두께를 통해서 완전히(fully) 연장되는 깊이를 갖는다.According to one embodiment of the first aspect, at least a portion of the orifice has a depth that extends fully through the thickness of the radiator body.

제1 양태의 일 실시예에 따라서, 여기부 섹션은 진동을 생성하도록 구성된 전기화학적 에너지 변환 장치를 포함한다.According to an embodiment of the first aspect, the excitation section includes an electrochemical energy conversion device configured to generate vibrations.

제1 양태의 일 실시예에 따라서, 여기부 섹션은 직경이 가변적인 원형 횡단면을 가지는 실질적으로 원통형이다.According to an embodiment of the first aspect, the excitation section is substantially cylindrical with a circular cross section of variable diameter.

제1 양태의 일 실시예에 따라서, 여기부 섹션은, 진동의 마디 영역에 배열되며, 초음파 공진기를 파이프 또는 탱크 내로 장착할 때, 여기부 섹션의, 압전 요소 또는 자기-저항 요소와 같은 능동적 전기기계적 요소의 습윤(wetting)을 방지하도록 치수가 결정되는 장착 플랜지를 포함한다.According to one embodiment of the first aspect, the excitation section is arranged in the nodal region of the vibration, and when mounting the ultrasonic resonator into a pipe or tank, the excitation section of the active electricity, such as a piezoelectric element or a magneto-resistance element And a mounting flange dimensioned to prevent wetting of the mechanical elements.

본 발명의 제2 양태에 따라서, 초음파 복사부 섹션이 제공되며, 그러한 초음파 복사부 섹션은:According to a second aspect of the invention, an ultrasonic radiation section is provided, such an ultrasonic radiation section:

오리피스의 어레이를 가지는 복사부 본체를 포함하고, 그러한 어레이의 각각의 부재는 복수의 오리피스 준위로 배열된 복수의 오리피스를 포함하고, 단일 오리피스를 가지는 일차적인 오리피스 준위 이외의, 각각의 오리피스 준위의 오리피스들은, 단일 오리피스 주위로 센터링되고 오리피스 준위의 증가에 따라 단일 오리피스로부터 증가되는 반경방향 거리에 배열된다.A radiation body having an array of orifices, each member of such an array comprising a plurality of orifices arranged in a plurality of orifice levels, and an orifice of each orifice level other than the primary orifice level having a single orifice They are centered around a single orifice and are arranged at an increasing radial distance from the single orifice with increasing orifice level.

본 발명의 제2 양태에 따라서, 일차적인 오리피스 준위 내의 오리피스의 수는 어레이 부재의 수와 동일하다.According to a second aspect of the invention, the number of orifices in the primary orifice level is equal to the number of array members.

제2 양태의 일 실시예에 따라서, 복사부 본체는 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크를 구비한다.According to one embodiment of the second aspect, the radiating part body has a plurality of orifice-links connecting at least some of the orifices of adjacent orifice level.

제2 양태의 일 실시예에 따라서, 복사부 본체는, 일차적인 오리피스 준위의 단일 오리피스 이외의, 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크를 구비한다.According to one embodiment of the second aspect, the radiating part body has a plurality of orifice-links connecting at least some of the orifices of adjacent orifice levels, other than a single orifice of the primary orifice level.

본 발명의 제3 양태에 따라서, 초음파 공진기가 제공되며, 그러한 초음파 공진기는:According to a third aspect of the invention, an ultrasonic resonator is provided, such an ultrasonic resonator:

외부 여기부에 연결되도록 구성되며 길이방향 축을 갖는 중간 섹션으로서, 중간 섹션이 외부 여기부로부터의 고주파수 진동으로 에너지화될 때, 길이방향 축을 따른 방향으로 공진되도록 치수가 결정되는, 중간 섹션; An intermediate section configured to be connected to the external excitation and having a longitudinal axis, the intermediate section dimensioned to resonate in a direction along the longitudinal axis when the intermediate section is energized by high-frequency vibrations from the external excitation;

연결 스터브를 구비하며 연결 스터브를 통해서 중간 섹션에 결합되는 복사부 섹션으로서, 중간 섹션으로부터 진동을 수신하고 그러한 진동을 음향파로서 전달하도록 구성된, 복사부 섹션을 포함하고, A radiating section section having a connecting stub and coupled to the intermediate section through the connecting stub, the radiating section section configured to receive vibrations from the intermediate section and transmit such vibrations as acoustic waves,

중간 섹션의 축방향 길이는 절반-파장 보다 짧고, The axial length of the middle section is shorter than the half-wavelength,

연결 스터브는, 초음파 공진기가 설계 주파수에서 공진 동작되도록 중간 섹션에 결합될 때, 절반-파장을 완성한다.The connecting stub completes the half-wavelength when the ultrasonic resonator is coupled to the middle section to be resonantly operated at the design frequency.

제3 양태의 일 실시예에 따라서, 복사부 섹션은, 복수의 외부 복사 표면을 제공하기 위한 적어도 3개의 측면, 및 복수의 오리피스가 내부에 형성된 2개의 대향 면들을 갖는, 복사부 본체를 포함하고, 오리피스의 벽은 복수의 내부 복사 표면을 제공하도록 구성되며, 그리고According to one embodiment of the third aspect, the radiating section comprises a radiating section body having at least three sides for providing a plurality of exterior radiating surfaces, and two opposite sides having a plurality of orifices formed therein, , The wall of the orifice is configured to provide a plurality of inner radiating surfaces, and

내부 및 외부 표면은 진동을 음향파로서 전달하도록 구성된다.The inner and outer surfaces are configured to transmit vibrations as acoustic waves.

제3 양태의 일 실시예에 따라서, 오리피스는 복수의 오리피스 준위로 배열되고, 단일 오리피스를 가지는 일차적인 오리피스 준위 이외의, 각각의 오리피스 준위의 오리피스들은, 단일 오리피스 주위로 센터링되고 오리피스 준위의 증가에 따라 단일 오리피스로부터 증가되는 반경방향 거리로 배열된다.According to one embodiment of the third aspect, the orifices are arranged in a plurality of orifice levels, and the orifices of each orifice level, other than the primary orifice level having a single orifice, are centered around the single orifice and are subjected to an increase in the orifice level. Are arranged with increasing radial distance from a single orifice accordingly.

제3 양태의 일 실시예에 따라서, 복사부 본체는 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크를 구비한다.According to one embodiment of the third aspect, the radiating part body has a plurality of orifice-links connecting at least some of the orifices of adjacent orifice level.

제3 양태의 일 실시예에 따라서, 복사부 본체는, 일차적인 오리피스 준위의 단일 오리피스 이외의, 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크를 구비한다.According to one embodiment of the third aspect, the radiating part body has a plurality of orifice-links connecting at least some of the orifices of adjacent orifice levels, other than a single orifice of the primary orifice level.

본 발명은 첨부 도면에서 예로서 그리고 비제한적으로 설명되고, 첨부 도면에서 참조 주석은 유사한 요소를 지칭한다.
도 1은 복사부 섹션에 결합된 여기부 섹션을 포함하는 실시예의 정면도를 도시한다.
도 2는 여기부와 복사부 사이의 계면에서, 복사부 섹션의 외부 표면에서, 그리고 복사부 섹션의 내부 표면에서 진동 방향을 도시한, 도 1의 동일한 실시예의 정면도이다.
도 3은 다시 복사부 섹션에 결합되는 중간 섹션에 결합된 외부 여기부를 포함하는 실시예의 정면도를 도시한다.
도 4는 외부 여기부와 중간 섹션 사이의 계면에서, 중간 섹션과 복사부 섹션 사이의 계면에서, 복사부 섹션의 외부 표면에서, 및 복사부 섹션의 내부 표면에서 진동 방향을 도시한, 도 3의 동일한 실시예의 정면도이다.
도 5는 실시예에 따른, 4개의 측면, 나사산형 홀을 가지는 연결 스터브, 및 복사부 본체의 면에 걸쳐 분포된 그리고 복사부 본체 또는 구조물을 통해서 침투하는 복수의 오리피스를 가지는 복사부 섹션의 정면도이다.
도 6은 실시예에 따른, 5개의 측면, 나사산형 홀을 가지는 연결 스터브, 및 복사부 본체의 면에 걸쳐 분포된 그리고 복사부 본체 또는 구조물을 통해서 침투하는 복수의 오리피스를 가지는 복사부 섹션의 정면도이다.
도 7은 실시예에 따른, 무한하게 많은 측면, 나사산형 홀을 가지는 연결 스터브, 및 복사부 본체의 면에 걸쳐 분포된 그리고 복사부 본체 또는 구조물을 통해서 침투하는 복수의 오리피스를 가지는 복사부 섹션의 정면도이다.
도 8은 실시예에 따른, 대칭적이나 임의적인 형상, 나사산형 홀을 가지는 연결 스터브, 및 복사부 본체의 면에 걸쳐 분포된 그리고 복사부 본체 또는 구조물을 통해서 침투하는 복수의 오리피스를 가지는 복사부 섹션의 정면도이다.
도 9a는 실시예에 따른, 복수의 오리피스를 가지는 원형 면을 구비하는 복사부 섹션의 정면도로서, 복수의 오리피스는 그 면에 걸쳐 분포되고 복사부 본체 또는 구조물을 통해서 침투하는, 복사부 섹션의 정면도이다. 도 9a에서, 외경(Do), 일차적인 오리피스 직경(DP), 이차적인 오리피스 직경(DS), 그리고 원형 면의 중심으로부터 이차적인 오리피스의 중심까지의 거리를 지칭하는, 그 반경(rS), 삼차적인 오리피스 직경(DT), 그리고 원형 면의 중심으로부터 삼차적인 오리피스의 중심까지의 거리를 지칭하는 그 반경(rT), 및 연결 스터브의 높이(Hstub)를 가지는 원형 복사부가 도시되어 있다.
도 9b는 실시예에 따른 축방향 길이(Laxial) ≤ λ/4 에 대한 도 9a의 측면도이다. 도 9b는 또한 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 10, 도 11, 도 12, 도 13, 도 14, 도 15, 도 16, 및 도 17에도 적용될 수 있으나 이러한 예나 실시예로 제한되지 않는다.
도 9c는 실시예에 따른 축방향 길이(Laxial) ≤ λ/4에 대한 도 9a의 단면 A-A 도면으로서, 일차적인 오리피스 및 연결 스터브 내의 나사산형 홀을 도시한, 도면이다. 도 9c는 또한 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 10, 도 11, 도 12, 도 13, 도 14, 도 15, 도 16, 및 도 17에 적용 가능하나, 그러한 예나 실시예로 제한되지 않는다.
도 9d는 실시예에 따른 축방향 길이 λ/4 ≤ Laxial ≤ λ/2에 대한 도 9a의 측면도이고, 복사부 섹션의 크기, 형상 및 위치에서 제한되지 않는 질량 부가 및/또는 차감을 추가적인 특징으로 한다. 도 9d는 또한 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 10, 도 11, 도 12, 도 13, 도 14, 도 15, 도 16, 및 도 17에 적용 가능하나, 그러한 예나 실시예로 제한되지 않는다.
도 9e는 실시예에 따른 축방향 길이 λ/4 ≤ Laxial ≤ λ/2에 대한 도 9a의 단면 A-A 도면으로서, 실시예에 따른, 일차적인 오리피스, 및 연결 스터브 내의 나사산형 홀이 도시되어 있고, 복사부 섹션의 크기, 형상 및 위치에서 제한되지 않는 질량 부가 및/또는 차감을 추가적인 특징으로 한다. 도 9e는 또한 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 10, 도 11, 도 12, 도 13, 도 14, 도 15, 도 16, 및 도 17에 적용 가능하나, 그러한 예나 실시예로 제한되지 않는다.
도 10은 본 발명의 실시예로서, 도 9a 내지 도 9e에서 설명된 복사부 섹션의 정면도로서, 1개(한개)의 일차적인 오리피스, 4개(네개)의 이차적인 오리피스, 및 8개(여덟개)의 삼차적인 오리피스를 도시하며, 일차적인, 이차적인, 및 삼차적인 오리피스가 상이한 크기를 가지는, 정면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예로서, 도 9a 내지 도 9e에서 설명된 복사부 섹션의 정면도로서, 1개(한개)의 일차적인 오리피스, 8개(여덟개)의 이차적인 오리피스, 및 16개(열여섯개)의 삼차적인 오리피스를 도시하며, 이차적인 및 삼차적인 오리피스가 동일한 크기를 가지는, 정면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예로서, 도 9a 내지 도 9e에서 설명된 복사부 섹션의 정면도이다. 이러한 도면에서, 오리피스 링크에 의한 이차적인 오리피스와 일차적인 오리피스 사이의 부분적인 연결이 도시되어 있다.
도 13은 본 발명의 실시예로서, 도 9a 내지 도 9e에서 설명된 복사부 섹션의 정면도이다. 이러한 도면에서, 오리피스 링크에 의한 이차적인 오리피스와 일차적인 오리피스 사이의 완전한 연결이 도시되어 있다.
도 14는 본 발명의 실시예로서, 도 9a 내지 도 9e에서 설명된 복사부 섹션의 정면도이다. 이러한 도면에서, 오리피스 링크에 의한 삼차적인 오리피스와 이차적인 오리피스 사이의 부분적인 연결이 도시되어 있다.
도 15는 본 발명의 실시예로서, 도 9a 내지 도 9e에서 설명된 복사부 섹션의 정면도이다. 이러한 도면에서, 오리피스 링크에 의한 삼차적인 오리피스와 이차적인 오리피스 사이의 부분적인 연결, 및 오리피스 링크에 의한 이차적인 오리피스와 일차적인 오리피스 사이의 완전한 연결이 도시되어 있다.
도 16은 본 발명의 실시예로서, 도 9a 내지 도 9e에서 설명된 복사부 섹션의 정면도이다. 이러한 도면에서, 오리피스 링크에 의한 삼차적인 오리피스와 이차적인 오리피스 사이의 완전한 연결이 도시되어 있다. 또한, 연결 구성의 조합, 즉 3개의 삼차적인 오리피스의 1개의 이차적인 오리피스에 대한 연결, 및 1개의 삼차적인 오리피스의 1개의 이차적인 오리피스에 대한 연결이 도시되어 있다.
도 17은 본 발명의 실시예로서, 도 9a 내지 도 9e에서 설명된 복사부 섹션의 정면도이다. 이러한 도면에서, 오리피스 링크에 의한 삼차적인 오리피스와 이차적인 오리피스 사이의 완전한 연결이 도시되어 있다. 또한, 연결 구성의 조합, 즉 3개의 삼차적인 오리피스의 1개의 이차적인 오리피스에 대한 연결, 및 1개의 삼차적인 오리피스의 1개의 이차적인 오리피스에 대한 연결이 도시되어 있다. 또한, 오리피스 링크에 의한 이차적인 오리피스와 일차적인 오리피스 사이의 완전한 연결이 도시되어 있다.
도 18은 실시예로서, 오리피스의 어레이를 가지는 4-측면형 복사부 섹션의 정면도이고, 어레이의 각각의 부재가 일차적인 오리피스, 이차적인 오리피스, 및 삼차적인 오리피스로 이루어지는, 정면도이다.
도 19는 실시예로서, 오리피스의 어레이를 가지는 무한한-측면형 복사부 섹션의 정면도이고, 어레이의 각각의 부재가 일차적인 오리피스, 이차적인 오리피스, 및 삼차적인 오리피스로 이루어지는, 정면도이다.
도 20a는 원형의 복수의 오리피스 복사부 섹션에 결합된 여기부 섹션을 적어도 포함하는 완전한 조립체를 도시한 실시예의 등각도로서, 오리피스 크기, 위치 및 수량이 도시된 실시예로 제한되지 않는, 등각도이다.
도 20b는 도 20a의 실시예의 정면도이다.
The invention is described by way of example and not limitation in the accompanying drawings, in which reference notes refer to like elements.
1 shows a front view of an embodiment including an excitation section coupled to a radiating section.
FIG. 2 is a front view of the same embodiment of FIG. 1, showing the direction of vibration at the interface between the excitation and radiation, at the outer surface of the radiation section, and at the inner surface of the radiation section.
Fig. 3 shows a front view of an embodiment comprising an external excitation portion coupled to an intermediate section which is again coupled to the radiating portion section.
FIG. 4 shows the direction of vibration at the interface between the outer excitation portion and the intermediate section, at the interface between the intermediate section and the radiation section, at the outer surface of the radiation section, and at the inner surface of the radiation section. It is a front view of the same embodiment.
5 is a front view of a radiating section section having four sides, a connecting stub having threaded holes, and a plurality of orifices distributed over the face of the radiating section body and penetrating through the radiating section body or structure, according to an embodiment. to be.
6 is a front view of a radiating section section having five sides, a connection stub having threaded holes, and a plurality of orifices distributed over the face of the radiating section body and penetrating through the radiating section body or structure, according to an embodiment. to be.
7 is a view of a radiating section section having an infinite number of sides, a connecting stub having threaded holes, and a plurality of orifices distributed over the face of the radiating section body and penetrating through the radiating section body or structure, according to an embodiment. It is a front view.
8 is a radiating section section having a symmetrical or arbitrary shape, a connection stub having a threaded hole, and a plurality of orifices distributed over the face of the radiating section body and penetrating through the radiating section body or structure, according to an embodiment. It is a front view of.
9A is a front view of a radiant section having a circular face having a plurality of orifices, according to an embodiment, the plurality of orifices distributed over the face and penetrating through the radiating section body or structure. to be. In FIG. 9A, the outer diameter (D o ), the primary orifice diameter (D P ), the secondary orifice diameter (D S ), and its radius (r), which refers to the distance from the center of the circular face to the center of the secondary orifice. S ), the third orifice diameter (D T ), and its radius (r T ), which refers to the distance from the center of the circular face to the center of the tertiary orifice, and the height of the connecting stub (H stub ). Is shown.
9B is a side view of FIG. 9A for an axial length L axial ≤ λ/4 according to an embodiment. 9B may also be applied to FIGS. 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17, but is limited to these examples or embodiments. It doesn't work.
9C is a cross-sectional AA view of FIG. 9A for an axial length (L axial ) ≤ λ/4 according to an embodiment, illustrating a primary orifice and a threaded hole in a connecting stub. 9C is also applicable to FIGS. 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17, but such examples or embodiments Not limited.
9D is a side view of FIG. 9A with respect to the axial length λ/4 ≤ L axial ≤ λ/2 according to the embodiment, and additional features of adding and/or subtracting unrestricted mass in the size, shape and position of the radiating section To do. 9D is also applicable to FIGS. 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17, but as such an example or embodiment. Not limited.
9E is a cross-sectional AA view of FIG. 9A for an axial length λ/4 ≤ L axial ≤ λ/2 according to an embodiment, showing a primary orifice and a threaded hole in the connecting stub according to the embodiment. , Adding and/or subtracting unrestricted mass in the size, shape and position of the radiating section. 9E is also applicable to FIGS. 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17, but such an example or embodiment Not limited.
FIG. 10 is an embodiment of the present invention, a front view of the radiating section section illustrated in FIGS. 9A to 9E, with one (one) primary orifice, four (four) secondary orifices, and eight (eight). ), the primary, secondary, and tertiary orifices have different sizes.
FIG. 11 is an embodiment of the present invention, a front view of the radiating section section illustrated in FIGS. 9A to 9E, with one (one) primary orifice, eight (eight) secondary orifices, and 16 (row 6) of the tertiary orifices are shown, and the secondary and tertiary orifices have the same size, a front view.
Fig. 12 is a front view of the radiating section section illustrated in Figs. 9A to 9E as an embodiment of the present invention. In this figure, the partial connection between the secondary orifice and the primary orifice by means of an orifice link is shown.
Fig. 13 is a front view of the radiating section section described in Figs. 9A to 9E as an embodiment of the present invention. In this figure, the complete connection between the secondary orifice and the primary orifice by means of an orifice link is shown.
Fig. 14 is a front view of the radiating section section described in Figs. 9A to 9E as an embodiment of the present invention. In this figure, the partial connection between the tertiary orifice and the secondary orifice by means of an orifice link is shown.
Fig. 15 is a front view of the radiating section section illustrated in Figs. 9A to 9E as an embodiment of the present invention. In this figure, a partial connection between the tertiary orifice and the secondary orifice by means of an orifice link, and the complete connection between the secondary orifice and the primary orifice by means of an orifice link are shown.
Fig. 16 is a front view of the radiating section section described in Figs. 9A to 9E as an embodiment of the present invention. In this figure, the complete connection between the tertiary orifice and the secondary orifice by means of an orifice link is shown. Also shown is a combination of connection configurations, namely the connection of three tertiary orifices to one secondary orifice, and connection of one tertiary orifice to one secondary orifice.
Fig. 17 is a front view of the radiating section section illustrated in Figs. 9A to 9E, as an embodiment of the present invention. In this figure, the complete connection between the tertiary orifice and the secondary orifice by means of an orifice link is shown. Also shown is a combination of connection configurations, namely the connection of three tertiary orifices to one secondary orifice, and connection of one tertiary orifice to one secondary orifice. In addition, the complete connection between the secondary orifice and the primary orifice by means of an orifice link is shown.
Fig. 18 is a front view of a four-sided radiating section section having an array of orifices, as an embodiment, in which each member of the array consists of a primary orifice, a secondary orifice, and a tertiary orifice.
FIG. 19 is a front view of an endless-sided radiating section with an array of orifices, as an embodiment, with each member of the array consisting of a primary orifice, a secondary orifice, and a tertiary orifice.
20A is an isometric view of an embodiment showing a complete assembly including at least an excitation section coupled to a plurality of circular orifice radiating sections, the orifice size, location and quantity are not limited to the embodiment shown. to be.
20B is a front view of the embodiment of FIG. 20A.

이하의 설명에서, 많은 수의 구체적인 상세 내용은 본 발명의 여러 예시적 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해서 기술된 것이다. 그러나, 당업자는, 이러한 구체적인 상세 내용의 일부 또는 전부가 없이도 본 발명의 실시예가 실시될 수 있다는 것을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 본원에서 사용된 용어는 단지 특별한 실시예를 설명하기 위한 것을 목적으로 하고 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다. 도면에서, 유사한 참조 번호는 몇몇 도면 전반을 통해서 동일한 또는 유사한 기능 또는 특징부를 지칭한다.In the following description, a number of specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the various exemplary embodiments of the present invention. However, one of ordinary skill in the art will clearly understand that embodiments of the present invention may be practiced without some or all of these specific details. It will be understood that the terms used herein are for the purpose of describing particular embodiments only and are not intended to limit the scope of the present invention. In the figures, like reference numbers refer to the same or similar functions or features throughout several figures.

이제, 본 발명을 보다 구체적으로 참조하면, 도 1에는, 나사 체결부(들)에 의해서 단부 질량체들(114, 116a) 사이에서 조여지는, 압전 요소(112)를 포함하는 여기부 섹션(110)을 가지는 "자가-여기형" 초음파 공진기(100)가 도시되어 있다. 압전 요소(112)는 압전 요소(112) 및 전극(118)의 교번적인 층들을 포함하는 적층체로 배열된다. 요소(112)의 극 방향이 인접한 요소(112)의 극 방향과 반대가 되도록, 압전 요소(112)가 배열된다. 조립된 적층체가, 축을 통해서 연장되는 홀을 가지는 원통체가 되도록, 압전 요소(112) 및 전극(118)이 원형 링의 형태를 갖는다. 후방 질량체(114)는 비교적 큰 음향 임피던스(acoustic impedance)를 가지는 재료로 구성되고 음향파의 대부분을 전방 질량체(116a, 116b)를 향해서 지향시키도록 설계된다. 홀은 후방 질량체(114)의 축을 통해서 연장된다. 전방 질량체(116a, 116b)는 후방 질량체(114)에 비해서 비교적 작은 음향 임피던스를 가지는 재료로 구성되고, 그 축을 통해서 연장되는 나사산형 홀을 갖는다. 체결부(미도시)에 의해서, 압전 적층체가 후방 질량체(114)와 전방 질량체(116a, 116b) 사이에서 조여진다. 체결부는 세라믹 재료의 작은 인장 강도로 인해서 항상 압축(예비-응력인가)으로 압전 적층체를 유지하도록 충분히 인장화된다. 후방 질량체(114), (전극을 포함하는) 압전 적층체, 예비-응력인가 체결부(미도시), 및 길이방향 전방 질량체(116a, 116b)는 공진기(100)의 여기부 섹션(110)을 형성한다. 공진기(100)의 복사부 섹션(130)은 본 발명의 목적이고, 복수-오리피스를 가지는 초음파 복사 본체 또는 구조물을 특징으로 한다. 복사부 섹션(130)은 세트-스크류(137)와 같은 체결부에 의해서 길이방향 전방-질량체(116b)에 연결하기 위한 나사산형 스터브(134)를 포함한다.Referring now to the present invention more specifically, in FIG. 1 an excitation section 110 comprising a piezoelectric element 112, which is tightened between the end masses 114 and 116a by means of a screw fastening portion(s). A "self-excitation" ultrasonic resonator 100 is shown. The piezoelectric elements 112 are arranged in a stack comprising alternating layers of piezoelectric elements 112 and electrodes 118. The piezoelectric elements 112 are arranged such that the pole direction of the element 112 is opposite to the pole direction of the adjacent element 112. The piezoelectric element 112 and the electrode 118 have the shape of a circular ring so that the assembled laminate becomes a cylindrical body having a hole extending through an axis. The rear mass body 114 is made of a material having a relatively large acoustic impedance and is designed to direct most of the acoustic waves toward the front mass bodies 116a and 116b. The hole extends through the axis of the rear mass 114. The front mass bodies 116a and 116b are made of a material having a relatively small acoustic impedance compared to the rear mass body 114, and have threaded holes extending through the shaft thereof. The piezoelectric laminate is clamped between the rear mass body 114 and the front mass bodies 116a and 116b by a fastening portion (not shown). The fasteners are sufficiently tensioned to hold the piezoelectric laminate in compression (pre-stress applied) at all times due to the small tensile strength of the ceramic material. The rear mass body 114, the piezoelectric laminate (including the electrode), the pre-stress application fastening portion (not shown), and the longitudinal front mass bodies 116a, 116b form the excitation section 110 of the resonator 100. To form. The radiation section 130 of the resonator 100 is an object of the present invention and features an ultrasonic radiation body or structure having a multi-orifice. The radiating section 130 includes a threaded stub 134 for connection to the longitudinal front-mass 116b by a fastening such as a set-screw 137.

도 2는 도 1의 "자가-여기형" 초음파 공진기(100)의 설계 원리를 도시한다. 여기부 섹션(110)은 복사부 섹션(130)으로부터 격리되어 동작될 때, 오프-공진(off-resonance)으로 동작하도록 설계된다. 설계 주파수에서의 공진 동작은 여기부(110) 및 복사부 섹션(130) 모두가 함께 결합될 때에만 가능하다. 당업자는, 길이방향 모드 장치의 축방향 길이가 설계 주파수의 절반-파장(λ/2)의 배수가 되도록, 길이방향 모드 장치가 설계된다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 기본적인(제1) 길이방향 모드의 주파수가 설계 주파수와 일치되게 하는 λ/2의 길이를 가지도록, 전형적인 길이방향 모드 장치가 설계된다. 따라서, 동작 주파수의 절반 파장(λ/2)의 N-배수인 축방향 길이를 가지는 길이방향 모드 장치는 N번째 차수(Nth order)의 길이방향 모드로 진동할 것이고, 여기에서 N은 정수이다. N-번째 차수 길이방향 모드에 대한 장치 축방향 길이(L), 파장(λ), 및 주파수(fN)와 관련된 표현식이 다음에 의해서 주어지고: FIG. 2 shows the design principle of the "self-excitation" ultrasonic resonator 100 of FIG. 1. The excitation section 110 is designed to operate off-resonance when operated in isolation from the radiating section 130. Resonant operation at the design frequency is possible only when both the excitation section 110 and the radiating section section 130 are coupled together. One skilled in the art will appreciate that the longitudinal mode device is designed such that the axial length of the longitudinal mode device is a multiple of the half-wavelength (λ/2) of the design frequency. A typical longitudinal mode device is designed such that the frequency of the basic (first) longitudinal mode has a length of λ/2 such that it matches the design frequency. Thus, a longitudinal mode device having an axial length that is an N-multiple of the half wavelength (λ/2) of the operating frequency will vibrate in a longitudinal mode of the Nth order, where N is an integer. Expressions relating to the device axial length (L), wavelength (λ), and frequency (f N ) for the N-th order longitudinal mode are given by:

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112017032041541-pat00001
그리고
Figure 112017032041541-pat00001
And

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112017032041541-pat00002
또는
Figure 112017032041541-pat00002
or

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112017032041541-pat00003
Figure 112017032041541-pat00003

여기에서 f1 기본적인 (제1) 길이방향 모드를 나타내고, c=

Figure 112017032041541-pat00004
는 음향 매체의 체적 탄성 계수(E)(Pa) 및 밀도(ρ)(kg/m3)의 항으로 주어진 장치 내의 소리의 속력이다. 여기부 섹션의 제1 길이방향 모드 주파수에 영향을 미치는 그 구조물의 일부가, 본 발명의 특징인, 나사산형 연결 스터드(도 1에서 복사부 섹션 전방-질량체 스터브(134)를 지칭함) 형태의 복사부 섹션(130)의 일부를 형성하는 것을 제외하면, 여기부 섹션(110)은 원칙적으로 길이방향 모드 장치이다. 그에 따라, 여기부 섹션(110)은 (λ/2) 보다 항상 더 짧고, 그 격리된 동작은 (여기부(110) 및 복사부 섹션(130) 모두를 포함하는) "자가-여기형" 공진기(100)의 설계 주파수 보다 더 큰 주파수를 항상 가질 것이다. (예를 들어, 세트-스크류 체결부(137)에 의해서) 여기부(110) 및 복사부 섹션(130) 모두가 타이트하게(tightly) 결합될 때, 완전한 공진기 조립체는 설계 주파수에서 공진 동작된다. 이러한 동작에서, 여기부 섹션(110)은 19 kHz 내지 1 MHz의 범위, 보다 바람직하게 19 kHz 내지 100 kHz의 범위, 그리고 바람직하게 그 제1 길이방향 모드에서 초음파 주파수로 진동되는 한편; 복사부 섹션(130)은 여기부 섹션과 동일한 주파수에서 그 반경방향 모드, 바람직하게 기본적인 반경방향 모드로 동작된다. 설계 요건에 따라서, 복사부 섹션은 또한 다른 반경방향 모드로 동작될 수 있다. 동작 중에, 복사부 섹션의 내부 표면(오리피스(131, 132, 133)의 벽)이 각각의 오리피스의 중심을 향해서 방출되는 초음파 파동을 생성하는 동안, 복사부 외부 표면이 진동하고 그에 의해서 외부로 그리고 복사부 섹션(130)이 내부에 배치되는 유체 내로 방출되는 초음파 파동을 생성한다. 도 2의 화살표는 동작 중의 진동 방향을 도시한다.Where f 1 represents the basic (first) longitudinal mode, c=
Figure 112017032041541-pat00004
Is the speed of sound within the device given in terms of the volume modulus (E) (Pa) and density (ρ) (kg/m 3 ) of the acoustic medium. The part of the structure that affects the first longitudinal mode frequency of the excitation section is radiation in the form of a threaded connection stud (referred to in FIG. 1 as a radiating section front-mass stub 134), which is a feature of the invention. Except for forming part of the sub-section 130, the excitation section 110 is in principle a longitudinal mode device. Accordingly, the excitation section 110 is always shorter than (λ/2) and its isolated operation is a "self-excitation" resonator (including both the excitation section 110 and the radiating section 130). It will always have a frequency greater than the design frequency of (100). When both the excitation section 110 and the radiating section 130 are tightly coupled (eg, by a set-screw fastening section 137), the complete resonator assembly is resonantly operated at the design frequency. In this operation, the excitation section 110 is vibrated at an ultrasonic frequency in the range of 19 kHz to 1 MHz, more preferably in the range of 19 kHz to 100 kHz, and preferably in its first longitudinal mode; The radiation section 130 is operated in its radial mode, preferably in the basic radial mode, at the same frequency as the excitation section. Depending on the design requirements, the radiating section can also be operated in other radial modes. During operation, while the inner surface of the radiation section (the walls of the orifices 131, 132, 133) generates ultrasonic waves that are emitted towards the center of each orifice, the outside surface of the radiation section vibrates and thereby outward and The radiation section 130 generates an ultrasonic wave that is emitted into a fluid disposed therein. The arrow in Fig. 2 shows the direction of vibration during operation.

도 3은, 다시 복사부 섹션(330)에 결합되는 중간 섹션(320)에 결합된, 외부 여기부(310)로 이루어진 본 발명의 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 외부 여기부(310)는 제3 공급자로부터 획득될 수 있고 공진기 조립체를 외부적으로 여기시키는 수단으로서만 역할 하며, 공진기 조립체 자체는 어떠한 자가-여기 수단도 가지지 않는다. 외부 여기부(310)는 길이방향 및/또는 비틀림 모드로 진동하도록 구성된다. 본 실시예의 공진기 조립체는 중간 섹션(320) 및 복사부 섹션(330)을 포함한다. 중간 섹션(320)은 외부 여기부(310)와 복사부 섹션(330) 사이의 정합 구조물로서 일차적으로 기능하면, 이차적으로 외부 여기부 출력 면(중간 섹션에 결합되는 면)의 진동 변위를 증폭하기 위한 부스터로서 기능한다. 외부 여기부(310), 중간 섹션(320), 및 복사부 섹션(330)을 포함하는 완전한 조립체가 설계 주파수에서 공진 동작된다. 3 shows an embodiment of the invention consisting of an external excitation portion 310, which is coupled to an intermediate section 320 which is again coupled to the radiating portion section 330. In this embodiment, the external excitation portion 310 can be obtained from a third party supplier and serves only as a means to excite the resonator assembly externally, and the resonator assembly itself does not have any self-excitation means. The external excitation part 310 is configured to vibrate in a longitudinal direction and/or a torsional mode. The resonator assembly of this embodiment includes an intermediate section 320 and a radiating section 330. When the intermediate section 320 primarily functions as a matching structure between the external excitation section 310 and the radiating section section 330, it is secondary to amplify the vibration displacement of the external excitation section output surface (the surface coupled to the intermediate section). It functions as a booster for The complete assembly comprising external excitation 310, intermediate section 320, and radiating section 330 is resonantly operated at a design frequency.

도 4는 도 3의 "외부-여기형" 초음파 공진기의 설계 원리를 도시한다. 중간 섹션(320)은, 복사부 섹션(330)으로부터 격리되어 동작될 때, 오프-공진으로 동작되도록 설계되고, 복사부 섹션(330)은, 중간 섹션(320)으로부터 격리되어 동작될 때, 오프-공진으로 동작되도록 설계된다. 설계 주파수에서의 공진 동작은 중간 섹션(320) 및 복사부 섹션(330) 모두가 함께 결합될 때에만 가능하다. 당업자는, 길이방향 모드 장치가 동작 주파수의 절반-파장(λ/2)의 배수를 기초로 설계된다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 중간 섹션의 제1 길이방향 모드 주파수에 영향을 미치는 그 구조물의 일부가, 본 발명의 특징인, 나사산형 연결 스터드(도 1에서 복사부 섹션 전방-질량체 스터브(134)를 지칭한다) 형태의 복사부 섹션(330)의 일부를 형성하는 것을 제외하고, 중간 섹션(320)은 길이방향 모드 장치로서, 절반-파장(λ/2)으로 설계된다. 그에 따라, 중간 섹션(320)은 (λ/2) 보다 항상 더 짧고, 그 격리된 동작은 (중간 섹션(320) 및 복사부 섹션(330) 모두를 포함하는) "외부-여기형" 공진기(300)의 설계 주파수 보다 항상 더 클 것이다. (예를 들어, 세트-스크류 체결부(337)에 의해서) 중간 섹션(320) 및 복사부 섹션(330) 모두가 타이트하게 결합될 때, 완전한 공진기 조립체가 외부적으로 여기될 수 있고 설계 주파수에서의 공진을 달성한다. 이러한 동작에서, 중간 섹션(320)은 그 제1 길이방향 모드로 진동되는 한편, 복사부 섹션(330)은 그 반경방향 모드, 바람직하게 기본적인 반경방향 모드로 동작된다. 설계 요건에 따라서, 복사부 섹션(330)은 또한 다른 반경방향 모드로 동작될 수 있다. 동작 중에, 그 내부 표면(오리피스의 벽)이 각각의 오리피스의 중심을 향해서 방출되는 초음파 파동을 생성하는 동안, 복사부 외부 표면이 진동하고 그에 의해서 외부로 그리고 유체 내로 방출되는 초음파 파동을 생성한다. 도 4의 화살표는 동작 중의 진동 방향을 도시한다.4 shows the design principle of the "external-excitation" ultrasonic resonator of FIG. 3. The intermediate section 320 is designed to be operated off-resonance when operated isolated from the radiating section section 330, and the radiating section section 330 is off when operated isolated from the intermediate section 320 -Designed to operate with resonance. Resonant operation at the design frequency is only possible when both the middle section 320 and the radiating section 330 are joined together. One of ordinary skill in the art will appreciate that the longitudinal mode device is designed based on a multiple of the half-wavelength (λ/2) of the operating frequency. Part of the structure that affects the first longitudinal mode frequency of the intermediate section is radiation in the form of a threaded connection stud (referring to the radiant section front-mass stub 134 in FIG. 1 ), which is a feature of the invention. Except for forming part of the sub-section 330, the middle section 320 is a longitudinal mode device and is designed with a half-wavelength (λ/2). Thus, the intermediate section 320 is always shorter than (λ/2) and its isolated operation is a "external-excitation" resonator (which includes both the intermediate section 320 and the radiator section 330). 300) will always be greater than the design frequency. When both the middle section 320 and the radiating section 330 are tightly coupled (e.g., by a set-screw fastener 337), the complete resonator assembly can be externally excited and at the design frequency. To achieve resonance. In this operation, the intermediate section 320 is vibrated in its first longitudinal mode, while the radiating section 330 is operated in its radial mode, preferably in its basic radial mode. Depending on the design requirements, the radiator section 330 can also be operated in other radial modes. During operation, while its inner surface (the wall of the orifice) produces an ultrasonic wave that is emitted towards the center of each orifice, the outer surface of the radiator vibrates and thereby generates an ultrasonic wave that is emitted outward and into the fluid. The arrow in Fig. 4 shows the direction of vibration during operation.

도 5는 본 발명의 실시예로서 사각형 면, 예를 들어 직사각형 면을 가지는 복사부 섹션을 도시한다. 복사부 섹션은 나사산형 연결 스터브(도 1에서 복사부 섹션 전방-질량체 스터브(134)로 지칭됨), 및 복수의 오리피스를 가지는 복사 본체 또는 구조물로 이루어진다. 5 shows as an embodiment of the invention a section of a radiating section having a rectangular side, for example a rectangular side. The radiating section consists of a threaded connection stub (referred to as radiating section front-mass stub 134 in FIG. 1), and a radiating body or structure having a plurality of orifices.

도 6은 본 발명의 실시예로서 오각형 면을 가지는 복사부 섹션을 도시한다. 복사부 섹션은 나사산형 연결 스터브(도 1에서 복사부 섹션 전방-질량체 스터브(134)로 지칭됨), 및 복수의 오리피스를 가지는 복사 본체 또는 구조물로 이루어진다. 6 shows a section of a radiating section having a pentagonal face as an embodiment of the present invention. The radiating section consists of a threaded connection stub (referred to as radiating section front-mass stub 134 in FIG. 1), and a radiating body or structure having a plurality of orifices.

도 7은 본 발명의 실시예로서 원형 면을 가지는 복사부 섹션을 도시한다. 복사부 섹션은 나사산형 연결 스터브(도 1에서 복사부 섹션 전방-질량체 스터브(134)로 지칭됨), 및 복수의 오리피스를 가지는 복사 본체 또는 구조물로 이루어진다. 7 shows a section of a radiating section having a circular face as an embodiment of the invention. The radiating section consists of a threaded connection stub (referred to as radiating section front-mass stub 134 in FIG. 1), and a radiating body or structure having a plurality of orifices.

도 8은 본 발명의 실시예로서 복합/임의 면을 가지는 복사부 섹션을 도시한다. 복사부 섹션은 나사산형 연결 스터브(도 1에서 복사부 섹션 전방-질량체 스터브(134)로 지칭됨), 및 복수의 오리피스를 가지는 복사 본체 또는 구조물로 이루어진다. 8 shows a radiating section section having a composite/arbitrary surface as an embodiment of the present invention. The radiating section consists of a threaded connection stub (referred to as radiating section front-mass stub 134 in FIG. 1), and a radiating body or structure having a plurality of orifices.

본 발명의 복사부 섹션의 설계가 도 5 내지 도 8에 도시된 실시예로 제한되지 않는다는 것을 주목하여야 한다. 그러한 도면은 단지, 복수의 오리피스 및 나사산형 연결 스터브를 가지는 초음파 복사부와 관련된 본 발명의 초음파 공진기의 설계에서의 가능한 융통성(flexibility)의 예로서의 역할을 하고, 나사산형 연결 스터브는 "자가-여기형" 공진기 및 "외부-여기형" 공진기 각각의 여기부 섹션 또는 중간 섹션의 일부를 형성한다.It should be noted that the design of the radiating section section of the present invention is not limited to the embodiments shown in FIGS. 5-8. Such a drawing serves only as an example of the possible flexibility in the design of the ultrasonic resonator of the present invention in connection with an ultrasonic radiator having a plurality of orifices and threaded connection stubs, and the threaded connection stub is "self-excitation. It forms part of an excitation section or intermediate section of each of the “resonator and “external-excitation” resonators.

원형 면 복수-오리피스 복사부 섹션이 도 9a에서 본 발명의 실시예로서 도시되어 있다. 직경(Do) 및 복수 오리피스를 가지는 원형 복사부 섹션은 오리피스의 3개의 준위 즉, 일차적인 오리피스, 이차적인 오리피스, 및 삼차적인 오리피스를 가지는 것으로 설명된다. 오리피스의 준위의 수가 3으로 제한될 필요가 없으나, 본 발명의 복수-오리피스의 정의를 만족시키기 위해서 적어도 2개의 준위를 가져야 한다는 것을 주목하여야 한다. 일차적인 오리피스는 복사부의 중심에 그리고, 본 실시예의 경우에, 원형 면과 동심적으로 배치된다. 이차적인 오리피스는 일차적인 오리피스의 중심으로부터 반경(rS)에 배치된다. 본 실시예에서, 이차적인 오리피스는 원형이고 직경(DS)을 갖는다. 이차적인 오리피스의 위치, 직경, 및 수량은 임의 숫자로 제한되지 않고, 설계 요건 및 기하형태적 제약에 의해서만 제한된다. 삼차적인 오리피스는 일차적인 오리피스의 중심으로부터 반경(rT)에 배치되고, 여기에서 rT는 rS 보다 크다. 본 실시예에서, 삼차적인 오리피스는 원형이고 직경(DT)을 갖는다. 삼차적인 오리피스의 위치, 직경, 및 수량은 임의 숫자로 제한되지 않고, 설계 요건 및 기하형태적 제약에 의해서만 제한된다. 더 높은 오리피스 준위의 오리피스, 예를 들어 이차적인 오리피스 및 삼차적인 오리피스는, 오리피스 준위가 증가될 때, 가장 낮은 오리피스 준위, 즉 일차적인 오리피스로부터 증가되는 반경 거리에 배열된다는 것을 이해하여야 할 것이다.A circular faceted multi-orifice radiating section is shown in FIG. 9A as an embodiment of the invention. A circular radiant section having a diameter D o and multiple orifices is described as having three levels of orifices: a primary orifice, a secondary orifice, and a tertiary orifice. It should be noted that the number of levels of the orifice need not be limited to 3, but should have at least two levels to satisfy the definition of the multi-orifice of the present invention. The primary orifice is arranged in the center of the radiating portion and, in the case of this embodiment, concentrically with the circular face. The secondary orifice is disposed at a radius r S from the center of the primary orifice. In this embodiment, the secondary orifice is circular and has a diameter D S. The location, diameter, and quantity of secondary orifices are not limited to any number, but only by design requirements and geometric constraints. The tertiary orifice is placed at a radius r T from the center of the primary orifice, where r T is greater than r S. In this embodiment, the tertiary orifice is circular and has a diameter D T. The location, diameter, and quantity of the tertiary orifices are not limited to any number, but only by design requirements and geometric constraints. It will be appreciated that higher orifice level orifices, e.g. secondary and tertiary orifices, are arranged at the lowest orifice level, i.e. increasing radial distance from the primary orifice, when the orifice level is increased.

도 9b 및 도 9c는, λ/4 이하의 복사부 섹션 축방향 길이(Laxial)에 대한, 도 9a의 원형 복사부 섹션의 측면도 및 단면 A-A 도면을 도시한다. 당업자는, λ/4 이하의 Laxial 가, 동작 주파수보다 상당히 더 큰 주파수에서, 반경방향 이외의 초음파 에너지의 전파와 관련된 축방향, 굽힘, 비틀림, 휘어짐 및 다른 복합 모드를 위치시켜, 이러한 기생 모드(parasitic mode)의 여기를 방지한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도 9b 및 도 9c가 또한 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 10, 도 11, 도 12, 도 13, 도 14, 도 15, 도 16, 및 도 17의 복사부 섹션 면에 적용 가능하나, 이러한 실시예로 제한되지 않는다는 것을 주목하여야 한다.9B and 9C show a side view and a cross-sectional AA view of the circular radiating section section of FIG. 9A for a radiating section axial length L axial of less than or equal to λ/4. Those skilled in the art will be able to locate the axial, bending, twisting, warping and other complex modes associated with propagation of ultrasonic energy other than the radial direction, at a frequency where L axial of λ/4 or less is significantly greater than the operating frequency. It will be appreciated that it prevents excitation of (parasitic mode). 9B and 9C are also applied to the section planes of the radiation section of FIGS. 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17. It should be noted that although possible, it is not limited to this embodiment.

도 9d 및 도 9e는, λ/4 이상 및 λ/2 이하의 복사부 섹션 축방향 길이(Laxial)에 대한, 도 9a의 원형 복사부 섹션의 측면도 및 단면 A-A 도면을 도시하며, 복사부 섹션의 크기, 형상, 및 위치에서 제한되지 않는 질량 부가(901) 및/또는 차감을 특징으로 한다. (예를 들어, 통과 유체의 초음파 노출을 증가시키기 위해서) λ/4 보다 긴 Laxial 를 가질 필요가 있는 적용 분야에서, 더 긴 Laxial는 균일한 진동 변위를 보장하기 위해서 적절한 위치에서의 질량 부가를 필요로 한다. 당업자는, 축성부(castellation) 또는 슬롯의 부가, 또는 구조물에 대한 질량의 유사한 부가 또는 차감이 두꺼운 구조물의 진동의 억제에 도움을 준다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 블록 혼의 설계 및 최적화를 위한 유사한 접근방식이 두꺼운 복수 오리피스 복사부의 설계 및 최적화를 위해서 구성될 수 있다. 도 9d 및 도 9e가 또한 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 10, 도 11, 도 12, 도 13, 도 14, 도 15, 도 16, 및 도 17의 복사부 섹션 면에 적용 가능하나, 이러한 실시예로 제한되지 않는다는 것을 주목하여야 한다.9D and 9E show a side view and a cross-sectional AA view of the circular radiating section section of FIG. 9A with respect to the radiating section section axial length L axial of λ/4 or more and λ/2 or less, and FIG. It features an unrestricted mass addition 901 and/or subtraction in its size, shape, and location. In applications where it is necessary to have an L axial longer than λ/4 (e.g., to increase the ultrasonic exposure of the fluid passing through), the longer L axial adds mass at the appropriate position to ensure uniform vibrational displacement. Need. Those skilled in the art will appreciate that the addition of a castellation or slot, or a similar addition or subtraction of mass to the structure, aids in the suppression of vibrations of the thick structure. A similar approach for the design and optimization of block horns can be configured for the design and optimization of thick multi-orifice radiators. 9D and 9E are also applied to the section surfaces of the radiating section of FIGS. 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17. It should be noted that although possible, it is not limited to this embodiment.

본 발명의 복수-오리피스 복사부 설계에 대한 다기능성(versatility), 구체적으로 그러나 비제한적으로 도 9a에서 설명된 원형 면 복사부 섹션 설계가 이하의 설명에서 예시된다:The versatility of the multi-orifice radiant design of the present invention, specifically, but not limited to, the circular face radiating section design illustrated in FIG. 9A is illustrated in the following description:

도 10은, 본 발명의 실시예로서, 원형 면의 중심에 위치되는 1개(한개)의 일차적인 오리피스, 일차적인 오리피스 주위의 4개(네개)의 이차적인 오리피스, 및 이차적인 오리피스 주위의 8개(여덟개)의 삼차적인 오리피스로 이루어진 3개(세개)의 오리피스 준위를 가지는 원형 면 복사부 섹션을 도시한다. 또한, 이러한 예에서, 상이한 오리피스 준위에 대한 상이한 오리피스 크기의 이용이 도시되어 있다.Figure 10 is an embodiment of the present invention, one (one) primary orifice positioned at the center of the circular face, four (four) secondary orifices around the primary orifice, and 8 around the secondary orifice. A circular face radiating section is shown with three (three) orifice levels consisting of three (eight) tertiary orifices. Also in this example, the use of different orifice sizes for different orifice levels is shown.

도 11은, 본 발명의 실시예로서, 원형 면의 중심에 위치되는 1개(한개)의 일차적인 오리피스, 일차적인 오리피스 주위의 8개(여덟개)의 이차적인 오리피스, 및 이차적인 오리피스 주위의 16개(열여섯개)의 삼차적인 오리피스로 이루어진 3개(세개)의 오리피스 준위를 가지는 원형 면 복사부 섹션을 도시한다. 또한, 이러한 예에서, 이차적인 오리피스 및 삼차적인 오리피스 준위에 대한 동일한 오리피스 크기의 이용이 도시되어 있다.Figure 11 is an embodiment of the present invention, one (one) primary orifice located in the center of the circular face, eight (eight) secondary orifices around the primary orifice, and 16 around the secondary orifices. A circular surface radiating section is shown with three (three) orifice levels consisting of six (sixteen) tertiary orifices. Also in this example, the use of the same orifice size for the secondary orifice and tertiary orifice levels is shown.

도 10 및 도 11 모두는 복수-오리피스 복사부 설계의 다기능성을 도시하고, 본 발명의 특징 중 하나로서, 복사부 면의 기하형태적 중심 내에 항상 있어야 하고 항상 단수이어야 하는 일차적인 오리피스를 제외하고, 오리피스의 크기 및 위치에 대한 제한은 없다. 오리피스의 정확한 크기 및 위치는, 적용 분야에서 요구되는 바에 따라, 복사부 섹션의 동작 모드 형상(들), 모드 주파수(modal frequency), 및 크기의 요건에 의해서 규정된다. 당업자는, 오리피스 크기, 위치, 및 수량의 미세 조정이 임의의 초음파 복사 장치를 위한 주파수 튜닝 프로세스의 일부라는 것을 이해할 수 있을 것이다.Both FIGS. 10 and 11 show the versatility of the multi-orifice radiating part design, as one of the features of the present invention, except for the primary orifice which must always be within the geometric center of the radiating part face and always be singular. , There are no restrictions on the size and position of the orifice. The exact size and location of the orifice is defined by the requirements of the operating mode shape(s), modal frequency, and size of the radiating section section, as required by the application. Those skilled in the art will appreciate that fine tuning of orifice size, location, and quantity is part of the frequency tuning process for any ultrasonic radiation device.

또한, 장치의 튜닝 수단으로서, 복사 표면적을 증가시키는 수단으로서, 그리고 복사부의 질량 감소 수단으로서, '오리피스-링크'를 도입할 수 있고, 이는 본 발명의 특징 중 하나이다. 오리피스-링크는 하나의 오리피스를 다른 오리피스에 연결하고, 또한 오리피스-링크는 이하의 비제한적인 방식 중 임의의 하나로 구성될 수 있다: (1) 오리피스 준위로부터의 하나의 오리피스 대 다른 또는 인접한 오리피스 준위로부터의 하나의 오리피스; (2) 오리피스 준위로부터의 하나의 오리피스 대 동일한 오리피스 준위로부터의 하나의 오리피스; (3) 오리피스 준위로부터의 하나의 오리피스 대 다른 또는 인접한 오리피스 준위로부터의 둘 이상의 오리피스; (4) 오리피스 준위로부터의 하나의 오리피스 대 동일한 오리피스 준위로부터의 2개의 오리피스; (5) 오리피스 준위로부터의 하나의 오리피스 대 다른 또는 인접한 오리피스 준위로부터의 하나 이상의 오리피스 및 또 다른 인접한 오리피스 준위로부터의 하나 이상의 오리피스. 이하의 도면은 복수-오리피스 복사부 섹션 설계에서의 오리피스-링크의 이용을 예시한다:In addition, it is possible to introduce a'orifice-link' as a means for tuning the device, as a means for increasing the radiant surface area, and as a means for reducing the mass of the radiant part, which is one of the features of the present invention. The orifice-link connects one orifice to another, and the orifice-link may be configured in any of the following non-limiting ways: (1) one orifice from orifice level to another or adjacent orifice level. One orifice from; (2) one orifice from the orifice level versus one orifice from the same orifice level; (3) one orifice from an orifice level versus two or more orifices from another or adjacent orifice level; (4) one orifice from the orifice level versus two orifices from the same orifice level; (5) One orifice from an orifice level versus one or more orifices from another or adjacent orifice level and one or more orifices from another adjacent orifice level. The following figure illustrates the use of orifice-links in a multi-orifice radiant section design:

도 12는 8개(여덟개)의 이차적인 오리피스(1202) 중 4개(네개)를 일차적인 오리피스(1201)에 연결하는 4개(네개)의 오리피스-링크(1210)를 가지는 원형 면 복수-오리피스 복사부 섹션을 실시예로서 도시한다.Figure 12 is a circular surface multi-orifice having four (four) orifice-links 1210 connecting four (four) of eight (eight) secondary orifices 1202 to a primary orifice 1201 The copy section section is shown as an example.

도 13은 8개(여덟개)의 이차적인 오리피스(1302) 중 8개(여덟개)를 일차적인 오리피스(1301)에 연결하는 8개(여덟개)의 오리피스-링크(1310)를 가지는 원형 면 복수-오리피스 복사부 섹션을 실시예로서 도시한다.FIG. 13 is a circular multi-orifice having eight (eight) orifices-links 1310 connecting eight (eight) of eight (eight) secondary orifices 1302 to a primary orifice 1301 The copy section section is shown as an example.

도 14는 16개(열여섯개)의 삼차적인 오리피스(1403) 중 8개(여덟개)를 8개(8)의 이차적인 오리피스(1402) 중 8개(여덟개)에 연결하는 8개(여덟개)의 오리피스-링크(1410)를 가지는 원형 면 복수-오리피스 복사부 섹션, 그리고 일차적인 오리피스(1401)에 대한 오리피스 연결이 없는 것을 실시예로서 도시한다.Figure 14 shows eight (eight) connecting eight (eight) out of 16 (sixteen) tertiary orifices 1403 to eight (eight) of eight (8) secondary orifices 1402 A circular faced multi-orifice radiation section with an orifice-link 1410 of, and no orifice connection to the primary orifice 1401 is shown as an embodiment.

도 15는 16개(열여섯개)의 삼차적인 오리피스(1503) 중 8개(여덟개)를 이차적인 오리피스(1502) 중 8개(여덟개)에 연결하는 8개(여덟개)의 오리피스-링크(1510), 그리고 또한 8개(여덟개)의 이차적인 오리피스(1502) 중 8개(여덟개)를 일차적인 오리피스(1501)에 연결하는 8개(여덟개)의 오리피스-링크를 구비한 원형 면 복수-오리피스 복사부 섹션을 실시예로서 도시한다.FIG. 15 shows eight (eight) orifice-links 1510 connecting eight (eight) out of 16 (sixteen) tertiary orifices 1503 to eight (eight) of secondary orifices 1502. ), and also a circular face multi-orifice copy with eight (eight) orifice-links connecting eight (eight) of the eight (eight) secondary orifices 1502 to the primary orifice 1501. The sub-section is shown as an example.

도 16은, 실시예로서, 16개(열여섯개)의 삼차적인 오리피스(1603) 중 16개(열여섯개)를 8개(여덟개)의 이차적인 오리피스(1602) 중 8개(여덟개)에 연결하는 16개(열여섯개)의 오리피스-링크(1610)를 가지는 원형 면 복수-오리피스 복사부 섹션을 도시하며, 4개(네개)의 삼차적인 오리피스(1603)가 각각 1개(한개)의 이차적인 오리피스(1602)에 연결되고, 12개(열두개)의 나머지 삼차적인 오리피스(1603)는 나머지 4개(네개)의 이차적인 오리피스(1602)에 연결되고, 그에 따라 3개(세개)의 삼차적인 오리피스(1603)의 그룹이 1개(한개)의 이차적인 오리피스(1602)에 연결되며, 일차적인 오리피스(1601)에는 오리피스가 연결되지 않는다.16, as an embodiment, 16 (sixteen) out of 16 (sixteen) tertiary orifices 1603 to 8 (8) out of 8 (eight) secondary orifices 1602 It shows a circular surface multi-orifice copy section section having 16 (sixteen) orifice-links 1610 connecting, and four (four) tertiary orifices 1603 are each one (one). It is connected to the secondary orifices 1602, 12 (twelve) of the remaining tertiary orifices 1603 are connected to the remaining four (four) secondary orifices 1602, and accordingly, three (three) A group of tertiary orifices 1603 is connected to one (one) secondary orifice 1602, and the orifice is not connected to the primary orifice 1601.

도 17은, 실시예로서, 16개(열여섯개)의 삼차적인 오리피스(1703) 중 16개(열여섯개)를 8개(여덟개)의 이차적인 오리피스(1702) 중 8개(여덟개)에 연결하는 16개(열여섯개)의 오리피스-링크(1710)를 가지는 원형 면 복수-오리피스 복사부 섹션을 도시하며, 4개(네개)의 삼차적인 오리피스(1703)가 각각 1개(한개)의 이차적인 오리피스(1702)에 연결되고, 12개(열두개)의 나머지 삼차적인 오리피스(1703)는 나머지 4개(네개)의 이차적인 오리피스(1702)에 연결되고, 그에 따라 3개(세개)의 삼차적인 오리피스(1703)의 그룹이 1개(한개)의 이차적인 오리피스(1702)에 연결되며; 추가적인 8개(여덟개)의 오리피스-링크(1710)는 8개(여덟개)의 이차적인 오리피스(1702)를 일차적인 오리피스(1701)에 연결한다.17 shows, as an example, 16 (sixteen) out of 16 (sixteen) tertiary orifices 1703 and 8 (eight) out of eight (eight) secondary orifices 1702. A circular surface multi-orifice radiating section section with 16 (sixteen) orifice-links 1710 connecting, four (four) tertiary orifices 1703 each having one (one) It is connected to the secondary orifices 1702, and 12 (twelve) of the remaining tertiary orifices 1703 are connected to the remaining 4 (four) secondary orifices 1702, and accordingly, three (three) A group of tertiary orifices 1703 is connected to one (one) secondary orifice 1702; An additional eight (eight) orifice-links 1710 connect eight (eight) secondary orifices 1702 to the primary orifices 1701.

도 5 내지 도 17은 복수-오리피스 구성의 융통성의 예를 포함하며, 일차적인, 이차적인, 삼차적인, 사차적인, 기타의 오리피스는 크기, 수량, 위치 및 형상에서 제한되지 않는다.5-17 include examples of the flexibility of a multi-orifice configuration, primary, secondary, tertiary, quaternary, and other orifices are not limited in size, quantity, location and shape.

도 18은 오리피스의 어레이를 가지는 4-측면형 복사부 섹션을 도시하고, 실시예로서, 어레이의 각각의 부재(1811)는 일차적인 오리피스, 이차적인 오리피스, 및 삼차적인 오리피스로 이루어진다. 복사부 섹션의 형상은 임의 수의 측면을 가지는 것으로 제한되지 않고, 또한 그러한 3-측면을 가지는 복수-오리피스 복사부를 무한한 수의 측면으로 설계할 수 있다. 각각의 부재(1811)가 일차적인 오리피스, 이차적인 오리피스, 삼차적인 오리피스, 사차적인 오리피스의 집합인, 어레이 내의 부재의 수, 및 오리피스의 준위의 수는 임의 수로 제한되지 않는다. 이러한 도면에서, 4개(네개)의 어레이 부재(1811)를 가지는 복사부 섹션이 도시되어 있고, 각각의 어레이 부재(1811)는 1개(한개)의 일차적인 오리피스, 8개(여덟개)의 이차적인 오리피스, 및 16개(열여섯개)의 삼차적인 오리피스를 포함한다.Fig. 18 shows a four-sided radiating section with an array of orifices, and by way of example, each member 1811 of the array consists of a primary orifice, a secondary orifice, and a tertiary orifice. The shape of the radiating section section is not limited to having any number of sides, and it is also possible to design such a three-sided multi-orifice radiating section with an infinite number of sides. The number of members in the array, where each member 1811 is a set of primary orifices, secondary orifices, tertiary orifices, quaternary orifices, and the number of levels of orifices are not limited to any number. In this figure, a radiating section section with four (four) array members 1811 is shown, with each array member 1811 having one (one) primary orifice and eight (eight) secondary. Phosphorus orifices, and 16 (sixteen) tertiary orifices.

도 19는 오리피스의 어레이를 가지는 무한-측면형 복사부 섹션을 도시하고, 실시예로서, 어레이의 각각의 부재(1911)는 일차적인 오리피스, 이차적인 오리피스, 및 삼차적인 오리피스로 이루어진다. 복사부 섹션의 형상은 임의 수의 측면을 가지는 것으로 제한되지 않고, 또한 그러한 3-측면을 가지는 복수-오리피스 복사부를 무한한 수의 측면으로 설계할 수 있다. 각각의 부재(1911)가 일차적인 오리피스, 이차적인 오리피스, 삼차적인 오리피스, 사차적인 오리피스의 집합인, 어레이 내의 부재의 수, 및 오리피스의 준위의 수는 임의 수로 제한되지 않는다. 이러한 도면에서, 5개(다섯개)의 어레이 부재(1911)를 가지는 복사부 섹션이 도시되어 있고, 각각의 어레이 부재(1911)는 1개(한개)의 일차적인 오리피스, 6개(여섯개)의 이차적인 오리피스, 및 12개(열두개)의 삼차적인 오리피스를 포함한다.19 shows an endless-sided radiating section with an array of orifices, by way of example, each member 1911 of the array consisting of a primary orifice, a secondary orifice, and a tertiary orifice. The shape of the radiating section section is not limited to having any number of sides, and it is also possible to design such a three-sided multi-orifice radiating section with an infinite number of sides. The number of members in the array, and the number of levels of orifices, in which each member 1911 is a set of primary orifices, secondary orifices, tertiary orifices, and quaternary orifices, are not limited to any number. In this figure, a radiating section section with five (five) array members 1911 is shown, and each array member 1911 has one (one) primary orifice, six (six). Secondary orifices, and 12 (twelve) tertiary orifices.

오리피스-링크는 또한, 도 12 내지 도 17에 도시된 것과 유사한 배열로, 도 18 및 도 19의 실시예에 적용될 수 있으나, 이러한 예로 제한되지 않는다.The orifice-link may also be applied to the embodiments of FIGS. 18 and 19 in an arrangement similar to that shown in FIGS. 12 to 17, but is not limited to this example.

도 20a 및 도 20b는, 실시예로서, 후방 질량체(2014), 압전 적층체(2012), 길이방향 전방-질량체(2016a), 예비-응력인가 볼트(조임 체결부), 그리고 일차적인 오리피스(2001), 이차적인 오리피스(2002), 삼차적인 오리피스(2003), 및 사차적인 오리피스(2004)를 가지는 복수-오리피스 복사부 섹션(2035)을 포함하는 완전한 자가-여기형 복수 오리피스 공진기 조립체(2000)의 사시도 및 정면도를 도시한다. 여기부 섹션은, 진동의 마디 영역에 배열되며, 초음파 공진기 조립체(2000)를 파이프 또는 탱크 내로 장착할 때, 여기부 섹션 내에 포함되는 능동 전기기계적 요소의 습윤을 방지하도록 치수가 결정되는, 장착 플랜지(2019)를 포함한다. 전기기계적 요소의 예는 압전 요소(112) 또는 자기-저항 요소를 포함하나, 그러한 것으로 제한되지 않는다. 도 5 내지 도 17에 도시된 임의의 예가 이러한 도면에 도시된 복수-오리피스 복사부 섹션(2035)을 대체하여 본 발명의 복수-오리피스 공진기의 완전한 조립체를 형성할 수 있으나, 이러한 예로 제한되지 않는다는 것을 주목하여야 한다.20A and 20B show, as examples, a rear mass body 2014, a piezoelectric laminate 2012, a longitudinal front-mass body 2016a, a pre-stress applying bolt (fastening part), and a primary orifice 2001. ), a secondary orifice 2002, a tertiary orifice 2003, and a complete self-excitation multiple orifice resonator assembly 2000 comprising a multi-orifice radiating section 2035 having a quaternary orifice 2004. It shows a perspective view and a front view. The excitation section is arranged in the nodal region of vibration, and when mounting the ultrasonic resonator assembly 2000 into a pipe or tank, the mounting flange is dimensioned to prevent wetting of the active electromechanical elements contained within the excitation section. (2019) included. Examples of electromechanical elements include, but are not limited to, piezoelectric elements 112 or magnetoresistive elements. It is noted that any example shown in FIGS. 5 to 17 may replace the multi-orifice radiating section 2035 shown in this figure to form a complete assembly of the multi-orifice resonator of the present invention, but is not limited to this example. It should be noted.

본 발명의 장점은, 비제한적으로, 이하를 포함한다:Advantages of the present invention include, but are not limited to:

(a) 적어도 2개의 오리피스 준위로서 배열된 초음파 복사부 섹션 상의 복수의 오리피스의 제공은, 초음파 공진기 섹션의 구조적 질량을 증가시키지 않으면서 그리고 전기 소모 요건을 증가시키지 않으면서, 복사 표면적을 증가시킨다.(a) The provision of a plurality of orifices on the ultrasonic radiating section section arranged as at least two orifice levels increases the radiant surface area without increasing the structural mass of the ultrasonic resonator section and without increasing the electrical consumption requirements.

(b) 유량 증가를 제공하기 위한 파워 소비 요건이 증가하지 않기 때문에, 초음파 변환기 및 발생기의 이용 감소를 초래하는 초음파 복사부.(b) An ultrasonic radiating unit resulting in a reduced use of ultrasonic transducers and generators, since the power consumption requirement to provide an increase in flow rate does not increase.

(c) 음향 에너지를 진동 표면으로 분배할 수 있고 기포-차폐의 개시를 지연시켜 더 작은 복사 표면적을 가지는 유사한 장치 보다 상당히 더 큰 파워로 복사부를 구동할 수 있는 능력을 초래하는 초음파 복사부.(c) Ultrasonic radiation capable of distributing acoustic energy to the vibrating surface and delaying the onset of bubble-shielding resulting in the ability to drive the radiation with significantly greater power than similar devices with a smaller radiation surface area.

(d) 오리피스 내에서 큰 음향 압력을 생성하여 더 집중적인 공동화 효과(cavitation effect)를 생성할 수 있는 초음파 복사부.(d) An ultrasonic radiation unit capable of creating a greater acoustic pressure within the orifice to create a more intensive cavitation effect.

(e) 큰 복사 표면적 대 질량 비율로 인해서 음향파 및 공동화 에너지를 보다 효율적으로 생성하는 초음파 복사부.(e) An ultrasonic radiator that more efficiently generates acoustic waves and cavitation energy due to the large radiant surface area to mass ratio.

(f) 오리피스를 동일한 및/또는 상이한 오리피스 준위로부터의 하나 이상의 오리피스에 연결하기 위한 오리피스-링크가 제공될 수 있다. 이는 튜닝, 질량 감소, 및 내부 복사 표면적 증가의 대안적인 방법을 제공한다.(f) Orifice-links may be provided for connecting orifices to one or more orifices from the same and/or different orifice levels. This provides an alternative method of tuning, mass reduction, and internal radiant surface area increase.

(g) 여기부 섹션은, 절반 파장 미만의 축방향 길이를 가지며, 완전한 절반-파장을 구성하는 나머지 축방향 길이는 복사부 섹션의 일부를 형성한다. 비제한적으로 이하의 장점을 포함하는, 이러한 2-부분 설계로부터 초래되는 몇 가지 장점이 있다:(g) The excitation section has an axial length of less than half the wavelength, and the remaining axial length constituting the full half-wave forms part of the radiant section. There are several advantages resulting from this two-part design, including but not limited to the following advantages:

(i) 2-부분 설계는, 파이프의 더 작은 삽입 포트를 통해서, 공진기가 파이프 내로 용이하게 설치될 수 있게 한다. 만약 공진기가 하나의 단편의 설계라면, 삽입 포트는 복사부의 측방향 치수 보다 더 커야 할 것이다. 2-부분 설계에서는, 여기부 섹션이 장착될 수 있을 정도로 삽입 포트가 충분히 넓기만 하면 된다.(i) The two-part design allows the resonator to be easily installed into the pipe, through a smaller insertion port of the pipe. If the resonator is of a single piece design, the insertion port will have to be larger than the lateral dimension of the radiator. In a two-part design, the insertion port only needs to be wide enough to accommodate the excitation section.

(ii) 대부분이 연마성 해수와 접촉되고 또한 공동화 기포의 파괴적인 효과에 노출되는 복사부 섹션은 여기부 섹션 보다 더 빨리 마모된다. 2-부분 설계는, 필요할 때 복사부 섹션만을 교체할 수 있게 하고, 그에 의해서 유지보수 비용을 절감한다.(ii) Radiant sections, mostly in contact with abrasive seawater and exposed to the destructive effects of cavitation bubbles, wear out faster than excitation sections. The two-part design allows only the copy section section to be replaced when needed, thereby reducing maintenance costs.

전술한 실시예 및 특징이 예시적인 것이고 비제한적인 것으로 간주되어야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 전술한 실시예들이 서로 조합되어 이용될 수 있다. 당업자는, 본 발명에 관한 명세서의 고려 및 실시로부터 많은 다른 실시예를 용이하게 안출할 수 있을 것이다. 그에 따라, 본 발명의 범위는, 청구범위에 의해서 부여되는 전체 균등 범위와 함께, 첨부된 청구항을 참조하여 결정되어야 할 것이다. 또한, 특정 용어가 명료한 설명을 목적으로 사용되었고, 본 발명의 개시된 실시예를 제한하지 않는다.It will be appreciated that the above-described embodiments and features are illustrative and should be regarded as non-limiting. For example, the above-described embodiments may be used in combination with each other. Those skilled in the art will be able to readily devise many other embodiments from consideration and implementation of the specification of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined with reference to the appended claims, along with the full range of equivalents given by the claims. In addition, certain terms have been used for clarity purposes and do not limit the disclosed embodiments of the present invention.

Claims (19)

초음파 공진기이며:
길이방향 축을 갖는 여기부 섹션으로서, 여기부 섹션이 고주파수 진동으로 에너지화될 때, 길이방향 축을 따른 방향으로 공진되도록 치수가 결정되는, 여기부 섹션; 그리고
연결 스터브를 구비하며 연결 스터브를 통해서 여기부 섹션에 결합되는 복사부 섹션으로서, 여기부 섹션으로부터 진동을 수신하고 그러한 진동을 음향파로서 전달하도록 구성된, 복사부 섹션을 포함하고,
상기 여기부 섹션의 축방향 길이는 절반-파장 보다 짧고,
상기 연결 스터브는 상기 초음파 공진기가 설계 주파수에서 공진 동작되도록 상기 여기부 섹션에 결합될 때, 절반-파장을 완성하고,
상기 복사부 섹션은 복수의 오리피스를 갖는 복사부 본체를 포함하고,
상기 오리피스는 복수의 오리피스 준위로 배열되고, 단일 오리피스를 갖는 일차적인 오리피스 준위 이외의, 각각의 오리피스 준위의 오리피스들은, 상기 단일 오리피스 주위로 센터링되고 상기 오리피스 준위의 증가에 따라 상기 단일 오리피스로부터 증가되는 반경방향 거리로 배열되는, 초음파 공진기.
It is an ultrasonic resonator:
An excitation section having a longitudinal axis, the excitation section dimensioned to resonate in a direction along the longitudinal axis when the excitation section is energized with high frequency vibration; And
A radiating section section having a connecting stub and coupled to the excitation section through the connecting stub, the radiating section section configured to receive vibrations from the excitation section and transmit such vibrations as acoustic waves,
The axial length of the excitation section is shorter than the half-wavelength,
The connection stub completes a half-wavelength when the ultrasonic resonator is coupled to the excitation section so as to operate resonantly at a design frequency,
The radiating section section includes a radiating section body having a plurality of orifices,
The orifice is arranged in a plurality of orifice levels, and the orifices of each orifice level, other than the primary orifice level having a single orifice, are centered around the single orifice and are increased from the single orifice with increasing orifice level. Ultrasonic resonators arranged at radial distances.
제1항에 있어서,
상기 복사부 본체는 복수의 외부 복사 표면을 제공하기 위한 적어도 3개의 측면, 및 상기 복수의 오리피스가 내부에 형성된 2개의 대향 면들을 포함하고, 상기 오리피스의 벽은 복수의 내부 복사 표면을 제공하도록 구성되며, 그리고
상기 내부 및 외부 표면은 진동을 음향파로서 전달하도록 구성되는, 초음파 공진기.
The method of claim 1,
The radiating part body comprises at least three side surfaces for providing a plurality of outer radiating surfaces, and two opposite sides having the plurality of orifices formed therein, and the wall of the orifice is configured to provide a plurality of inner radiating surfaces. And
The inner and outer surfaces are configured to transmit vibrations as acoustic waves.
삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복사부 본체에는 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크가 구비되는, 초음파 공진기.
The method according to claim 1 or 2,
The radiation unit body is provided with a plurality of orifice-links connecting at least some of orifices of adjacent orifice level, the ultrasonic resonator.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복사부 본체에는, 상기 일차적인 오리피스 준위의 단일 오리피스 이외의, 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크가 구비되는, 초음파 공진기.
The method according to claim 1 or 2,
In the radiation unit body, a plurality of orifice-links connecting at least some of orifices of adjacent orifice levels other than the single orifice of the primary orifice level are provided.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 오리피스의 적어도 일부가, 상기 복사부 본체의 두께를 통해서 부분적으로 연장되는 깊이를 갖는, 초음파 공진기.
The method according to claim 1 or 2,
At least a portion of the orifice has a depth partially extending through a thickness of the body of the radiating unit.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 오리피스의 적어도 일부가, 상기 복사부 본체의 두께를 통해서 완전히 연장되는 깊이를 갖는, 초음파 공진기.
The method according to claim 1 or 2,
At least a portion of the orifice has a depth extending completely through the thickness of the body of the radiation unit, the ultrasonic resonator.
제1항에 있어서,
상기 여기부 섹션은 진동을 생성하도록 구성된 전기기계적 에너지 변환 장치를 포함하는, 초음파 공진기.
The method of claim 1,
Wherein the excitation section includes an electromechanical energy conversion device configured to generate vibrations.
제1항에 있어서,
상기 여기부 섹션은 가변적인 직경을 갖는 원형 횡단면을 구비하는 원통형인, 초음파 공진기.
The method of claim 1,
The excitation section is cylindrical in shape with a circular cross-section with variable diameter.
제1항에 있어서,
상기 여기부 섹션은, 진동의 마디 영역에 배열되며, 상기 초음파 공진기를 파이프 또는 탱크 내로 장착할 때, 상기 여기부 섹션의 능동 전기기계적 요소의 습윤을 방지하도록 치수가 결정되는, 장착 플랜지를 포함하는, 초음파 공진기.
The method of claim 1,
The excitation section comprises a mounting flange arranged in the nodal region of vibration and dimensioned to prevent wetting of the active electromechanical elements of the excitation section when mounting the ultrasonic resonator into a pipe or tank. , Ultrasonic resonator.
초음파 복사부 섹션이며:
오리피스의 어레이를 갖는 복사부 본체를 포함하고, 상기 어레이의 각각의 부재는 복수의 오리피스 준위로 배열된 복수의 오리피스를 포함하고, 단일 오리피스를 갖는 일차적인 오리피스 준위 이외의, 각각의 오리피스 준위의 오리피스들은, 상기 단일 오리피스 주위로 센터링되고 오리피스 준위의 증가에 따라 상기 단일 오리피스로부터 증가되는 반경방향 거리에 배열되는, 초음파 복사부 섹션.
The ultrasonic radiator section is:
A radiation body having an array of orifices, each member of the array comprising a plurality of orifices arranged in a plurality of orifice levels, and an orifice of each orifice level other than the primary orifice level having a single orifice Are centered around the single orifice and arranged at an increasing radial distance from the single orifice with increasing orifice level.
제11항에 있어서,
상기 일차적인 오리피스 준위 내의 오리피스의 수가 어레이 부재의 수와 동일한, 초음파 복사부 섹션.
The method of claim 11,
The number of orifices in the primary orifice level equal to the number of array members.
제12항에 있어서,
상기 복사부 본체에는 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크가 구비되는, 초음파 복사부 섹션.
The method of claim 12,
A plurality of orifice-links connecting at least some of orifices of adjacent orifice levels are provided on the body of the radiating unit.
제12항에 있어서,
상기 복사부 본체에는, 상기 일차적인 오리피스 준위의 단일 오리피스 이외의, 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크가 구비되는, 초음파 복사부 섹션.
The method of claim 12,
In the radiation unit body, a plurality of orifice-links connecting at least some of orifices of adjacent orifice levels other than a single orifice of the primary orifice level are provided.
초음파 공진기이며:
외부 여기부에 연결되도록 구성되며 길이방향 축을 갖는 중간 섹션으로서, 상기 중간 섹션이 외부 여기부로부터의 고주파수 진동으로 에너지화될 때, 길이방향 축을 따른 방향으로 공진되도록 치수가 결정되는, 중간 섹션;
연결 스터브를 구비하며 연결 스터브를 통해서 중간 섹션에 결합되는 복사부 섹션으로서, 상기 중간 섹션으로부터 진동을 수신하고 그러한 진동을 음향파로서 전달하도록 구성된, 복사부 섹션을 포함하고,
상기 중간 섹션의 축방향 길이는 절반-파장 보다 짧고,
상기 연결 스터브는, 상기 초음파 공진기가 설계 주파수에서 공진 동작되도록 상기 중간 섹션에 결합될 때, 절반-파장을 완성하는, 초음파 공진기.
It is an ultrasonic resonator:
An intermediate section configured to be connected to an external excitation and having a longitudinal axis, the intermediate section dimensioned to resonate in a direction along the longitudinal axis when the intermediate section is energized by high frequency vibrations from the external excitation;
A radiating section section having a connecting stub and coupled to the intermediate section through the connecting stub, the radiating section section configured to receive vibrations from the intermediate section and transmit such vibrations as acoustic waves,
The axial length of the intermediate section is shorter than the half-wavelength,
The connecting stub completes a half-wavelength when the ultrasonic resonator is coupled to the intermediate section such that it is resonantly operated at a design frequency.
제15항에 있어서,
상기 복사부 섹션은, 복수의 외부 복사 표면을 제공하기 위한 적어도 3개의 측면, 및 복수의 오리피스가 내부에 형성된 2개의 대향 면들을 갖는, 복사부 본체를 포함하고, 상기 오리피스의 벽은 복수의 내부 복사 표면을 제공하도록 구성되며, 그리고
상기 내부 및 외부 표면은 진동을 음향파로서 전달하도록 구성되는, 초음파 공진기.
The method of claim 15,
The radiating section section comprises a radiating section body having at least three side surfaces for providing a plurality of exterior radiating surfaces, and two opposing sides having a plurality of orifices formed therein, the walls of the orifices having a plurality of interior Is configured to provide a radiating surface, and
The inner and outer surfaces are configured to transmit vibrations as acoustic waves.
제16항에 있어서,
상기 오리피스는 복수의 오리피스 준위로 배열되고, 단일 오리피스를 갖는 일차적인 오리피스 준위 이외의, 각각의 오리피스 준위의 오리피스들은, 상기 단일 오리피스 주위로 센터링되고 상기 오리피스 준위의 증가에 따라 상기 단일 오리피스로부터 증가되는 반경방향 거리로 배열되는, 초음파 공진기.
The method of claim 16,
The orifice is arranged in a plurality of orifice levels, and the orifices of each orifice level, other than the primary orifice level having a single orifice, are centered around the single orifice and are increased from the single orifice with increasing orifice level. Ultrasonic resonators arranged at radial distances.
제17항에 있어서,
상기 복사부 본체에는 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크가 구비되는, 초음파 공진기.
The method of claim 17,
The radiation unit body is provided with a plurality of orifice-links connecting at least some of orifices of adjacent orifice level, the ultrasonic resonator.
제17항에 있어서,
상기 복사부 본체에는, 상기 일차적인 오리피스 준위의 단일 오리피스 이외의, 인접한 오리피스 준위의 오리피스들 중 적어도 일부를 연결하는 복수의 오리피스-링크가 구비되는, 초음파 공진기.
The method of claim 17,
In the radiation unit body, a plurality of orifice-links connecting at least some of orifices of adjacent orifice levels other than the single orifice of the primary orifice level are provided.
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