NL1042153B1 - Werkwijze en inrichting voor een ultrasone transducer en overdracht van ultrasone energie naar water - Google Patents

Abstract

Onderhavige vinding betreft een werkwijze of inrichting voor het opwekken en overbrengen van ultrasone trillingen van een transducer naar water gekenmerkt door een single ended klasse E versterker, een ultrasone transducer, een lans bestaande uit een holle cilinder die aan beide uiteinden voorzien is van een massief metalen cilinder die dezelfde diameter heeft als de holle cilinder. Aan een van beide uiteinden is een deel van de massief metalen cilinder afgedraaid op zodanige wijze dat een schroefdraad ontstaat die in de ultrasone transducer wordt geschroefd en gelijmd. Het resultaat is een resonator die zich zowel elektrisch als mechanisch optimaal gedraagt voor overbrenging van ultrasone trillingen naar water.

Description

Werkwijze en inrichting voor een ultrasone transducer en overdracht van ultrasone energie naar water

Onderhavige vinding betreft een werkwijze of inrichting voor het opwekken en overbrengen van ultrasone trillingen van een transducer naar water gekenmerkt door een single ended klasse E versterker, een ultrasone transducer, een lans bestaande uit een holle cilinder die aan beide uiteinden voorzien is van een massief metalen cilinder die dezelfde diameter heeft als de holle cilinder. Aan een van beide uiteinden is een deel van de massief metalen cilinder afgedraaid op zodanige wijze dat een schroefdraad ontstaat die in de ultrasone transducer wordt geschroefd en gelijmd. Het resultaat is een resonator die zich zowel elektrisch als mechanisch optimaal gedraagt voor overbrenging van ultrasone trillingen naar water.

Inleiding

Het behandelen van water met ultrasone trillingen is een duurzame manier om water te desinfecteren, om microverontreinigingen in water te ontleden, om aggregaten van deeltjes, waarin zich micro-organismen bevinden, op te breken en om microverontreinigingen, die aan het oppervlak van in de vloeistof gedispergeerde deeltjes zijn geadsorbeerd, te desorberen.

In de praktijk is het een grote uitdaging om ultrasone energie, die met een transducer wordt opgewekt, over te brengen naar het water. Met name het verspreiden van de ultrasone trillingen over een groot watervolume blijkt in de praktijk heel moeilijk.

Onderhavige vinding betreft een werkwijze en inrichting die het mogelijk maakt om op zeer efficiënte wijze ultrasone trillingen op te wekken en over te brengen naar water.

Technische beschrijving van onderhavige vinding

Volgens een eerste aspect bestaat de technologie volgens onderhavige vinding uit een elektronische aansturing voor een ultrasone transducer gekenmerkt door een klasse E versterker die is opgebouwd uit een eerste microcontroller of eerste computer met een eerste PWM (pulsed width modulation) uitgang. De eerste PWM uitgang is werkzaam verbonden met een eerste FET driver IC. Het eerste FET driver IC is bij voorkeur werkzaam verbonden met een eerste N Channel MOSFET waarvan de drain werkzaam is verbonden met een spoel die op zijn beurt werkzaam is verbonden met de voedingsspanning voor aansturing van de transducer. De source van de eerste N Channel MOSFET wordt werkzaam verbonden met de massa (min). De gate van de eerste N Channel MOSFET is werkzaam verbonden met de eerste PWM uitgang. Parallel aan de drain en de source van de eerste N Channel MOSFET is een condensator geplaatst met als functie, bij de resonantiefrequentie van de ultrasone transducer, Ohms elektrisch gedrag van de ultrasone transducer te verkrijgen (noch inductief, noch capacitief). De aldus verkregen Klasse E versterker is uitermate geschikt voor aansturing van de ultrasone transducer volgens de technologie van onderhavige vinding en maakt deel uit van onderhavige vinding. Een zeer praktische implementatie van een eerste computer is een Raspberry Pi als eerste PWM, een Microchip TC4428ACPAals eerste FET driver IC en een eerste N Channel MOSFET van het type 6N80C3. Deze combinatie van onderdelen maakt nadrukkelijk deel uit van onderhavige vinding, die daar niet toe is beperkt.

Volgens een tweede aspect bestaat de technologie volgens onderhavige vinding uit een ultrasone transducer met bijzondere eigenschappen die aan de hand van figuur 1 bij deze aanvrage worden toegelicht. Tenzij anders aangegeven hebben de in de nu volgende tekst genoemde nummers betrekking op de nummering die in figuur 1 is aangegeven. Figuur 1 laat een ultrasone transducer 1 zien. Het betreft een standaard ontwerp van een commercieel verkrijgbare ultrasone transducer met een breed trillingsvlak 5 dat van aluminium is gemaakt en dat is bestemd voor overbrenging van ultrasone trillingen naar een object dat aan dit vlak is bevestigd. In vlak 5 is een gat met schroefdraad aangebracht zodat een object in dit gat kan worden geschroefd en op deze wijze werkzaam kan worden verbonden met de transducer. Een belangrijk onderdeel van de technologie volgens onderhavige vinding is het object dat in vlak 5 van de transducer wordt geschroefd. Het bestaat uit een holle metalen cilinder 3. Aan weerszijden van metalen cilinder 3 zijn massieve cilinders 4 en 7 aangebracht die exact dezelfde diameter hebben als holle metalen cilinder 3. Van massieve cilinder 7 wordt een schroefdraad 2 afgedraaid die net iets korter is dan het gat met schroefdraad dat in transducer 5 is aangebracht. Door schroef en gat met schroefdraad 2 van trillingsbestendige lijm te voorzien en de cilinder vervolgens in transducervlak 5 te schroeven wordt een transducer volgens de technologie van onderhavige vinding verkregen die verderop resonator wordt genoemd. De transducer volgens de technologie van onderhavige vinding blijkt zowel elektrisch als mechanisch een zeer goede resontator te zijn en kan uitermate efficient worden aangestuurd met de klasse E versterker volgens de technologie van onderhavige vinding. De transducer met de lans in figuur 1 volgens de technologie van onderhavige vinding wordt verderop in deze aanvrage resonator genoemd.

Wanneer de lans van de resonator (de cilinder) nagenoeg geheel of grotendeels in water wordt gebracht, terwijl de transducer 1 zich buiten het water bevindt, dan blijkt deze lans over de gehele lengte tot microcavitatie in de vloeistof en het ontstaan van zogenaamde streamers te leiden. Hierdoor is het mogelijk om de lans via een wartel of oliekering in een reaktor te brengen en het transducerlichaam 1 buiten de reaktor te houden zodat deze niet in contact komt met water. Deze uitvoeringsvorm maakt nadrukkelijk deel uit van de technologie volgens onderhavige vinding. Indien aan de onderkant van de lans een pin of scherpe punt 6 wordt aangebracht, blijkt het mogelijk om het overgrote deel van de streamers onder punt 6 te laten ontstaan. Hiermee is het mogelijk om de ultrasone energie in een volume-element te concentreren. Deze constructie maakt nadrukkelijk deel uit van de technologie volgens onderhavige vinding. Enkele karakteristieke afmetingen en eigenschappen van een resonator de in de praktijk goed werkt zijn: bij een transducer met een vermogen van 60 Watt en een resonantiefrequentie van 20 kHz tot 40 kHz hoort een cilinderdiameter van circa 20 mm en een lengte van de lans van circa 20 cm tot 2 meter. Massieve cilinders 4 en 7 hebben elk een lengte van circa 1 cm tot circa 5 cm. Een eerste vuistregel blijkt dat de holle cilinder 3 tenminste een factor twee langer moet zijn dan de som van de lengten van de eerste massieve cilinder en de tweede massieve cilinder. Een tweede vuistregel is dat de lengte van de massieve cilinders 4 en 7 tenminste een centimeter moet zijn. Het materiaal waarvan de resonator is gemaakt is bij voorkeur RVS 316 of RVS 316L of titaan. Opgemerkt wordt dat de hier beschreven uitvoeringsvorm op geen enkele wijze een beperking aanbrengt in de draagwijdte van onderhavige vinding.

Nu de technologie volgens onderhavige vinding is beschreven volgt een werkwijze om de resonator te produceren. Hiertoe wordt een massief blokje of cilinder of prop met een diameter groter dan de diameter van cilinder 3 aan weerszijden van holle cilinder 3 gelast. Vervolgens worden de blokjes afgedraaid tot exact dezelfde diameter als de cilinder. Daarna wordt cilinder 7 afgedraaid waarbij een schroefdraad wordt gemaakt die in het schroefgat van transducer 1 past. Tot slot wordt trillingsbestendige lijm aangebracht op de schroefdraad en in het schroefgat en wordt de massief metalen cilinder 7 strak tegen het aluminium vlak 5 van de transducer 1 aangedraaid. Genoemde produktiemethode is in het geheel niet vanzelfsprekend en blijkt in de praktijk noodzakelijk om een goed werkende resonator te verkrijgen die, na compensatie met een condensator, ook elektrisch kan worden aangestuurd als een Ohmse weerstand (noch inductief noch capacitief). De produktiemethode voor de resonator maakt nadrukkelijk deel uit van de technologie volgens onderhavige vinding.

Zonder dat de uitvinders van onderhavige vinding hiermee enige beperking in de reikwijdte van de vinding aanbrengen hebben ze de volgende mogelijke verklaring voor de uitzonderlijk goede werking van de resonator: Massieve cilinder 7 zorgt voor een geleidelijke mechanische impedantie-overgang van massieve transducer 1 naar holle cilinder 3 (impedantie matching). Door een massieve cilinder 7 met een te grote diameter eerst op de cilinder te lassen en daarna het geheel pas af te draaien, worden imperfecties en vervormingen in het metaal geminimaliseerd. Hierdoor worden ongewenste reflecties voorkomen. Hetzelfde geldt voor het afdraaien van de schroefdraad 2 uit een deel van de massief metalen cilinder 7 in plaats van het lassen van een schroefdraad op de massieve cilinder 7. De holle cilinder zorgt ervoor dat de trillingen efficient over de gehele lengte van de cilinder worden verplaatst zonder veel energie te dissiperen. De massieve cilinder 4 draagt zorg voor reflecties en reguleert de radiale uittreding van de ultrasone trillingen. Scherpe punt 6 is optioneel en zorgt desgewenst voor het lokaal inbrengen van ultrasone energie in de vloeistof. Indien de lans door een andere produktiemethode imperfecties aan cilinder 7 of de schroefdraad bevat, wordt een irritant hoorbaar geluid geproduceerd en zijn de elektrische eigenschappen van de resonator verre van optimaal, hetgeen ertoe leidt dat de elektrische aansturing van de transducer veel energie dissipeert en warm wordt. Dit leidt ertoe dat de lans in de praktijk niet op reproduceerbare wijze kan worden gemaakt en in de praktijk niet inzetbaar is.

Nu de technologie volgens onderhavige vinding is beschreven alsmede de produktiemethode van de resonator, volgt een aantal toepassingen van de aansturing en resonator.

In een eerste toepassing wordt de resonator in een cilindervormige UV-C reaktor aangebracht middels een wartel of oliekering. Hierbij blijft de transducer 1 buiten de reaktor en bevindt zich het overgrote deel van de lans in de vloeistof in de reaktor. De lans is bij voorkeur parallel aan de kwartsbeschermbuizen van de UV-C lampen in de reaktor aangebracht. Aansturing van de resonator leidt tot een homogene verspreiding van ultrasone trillingen in de reaktor met als effect dat de kwartsbeschermbuizen van de UV-C lampen niet vervuilen en dat de effectiviteit van het desinfectieproces of het ontledingsproces van microverontreinigingen in de UVC-reaktor wordt vergroot.

In een tweede toepassing wordt een resonator met een korte lans 3 en een scherpe punt 4 middels een wartel onderin een cilindervormige UVC reaktor met 1 kwartsbeschermbuis en 1 UV-C lamp aangebracht. De transducer 1 bevindt zich hierbij weer buiten de reaktor. Het uiteinde 6 is op een afstand van enkele centimeters tot enkele decimeters van het uiteinde van de kwartsbeschermbuis gepositioneerd. Bij aansturing van de resonator ontstaan streamers die preferent tegen de onderkant van de kwartsbeschermbuis botsen en deze op efficiënte wijze in ultrasone trilling brengen. De kwartsbeschermbuis blijft hierdoor schoon en zowel kwartsbeschermbuis als UV-C lamp blijken prima bestand tegen de ultrasone trillingen.

In een derde toepassing worden meerdere UV-C lampen en resonators in een vat aangebracht waarbij de resonators en de resonators bij voorkeur parallel aan elkaar in het vat gepositioneerd zijn. Op deze wijze ontstaat een zeer efficiencte UV-C reaktor met een kleine footprint en een groot reaktorvolume waarbij de kwartsbeschermbuizen niet vervuilen. De UV-C reaktor wordt bij voorkeur van middelen voorzien om de reaktor te roeren. Bij voorkeur zijn deze middelen een dompelpomp met zuigkorf op de bodem en uitlaat in de reaktor. Een reaktor volgens dit ontwerp is in de meeste gevallen een beter alternatief voor een propstroom UV-C reaktor en maakt nadrukkelijk deel uit van de technologie volgens onderhavige vinding.

In een vierde toepassing worden een of meerdere resonators toegepast in shell and tube warmtewisselaars, waarbij de resonator(s) parallel aan de pijpen van de warmtewisselaar worden aangebracht. Door de ultrasone trillingen blijkt het mogelijk om scaling in de warmtewisselaars te voorkomen.

In een vijfde toepassing worden een of meerdere resonators aangebracht in een bij voorkeur geroerd vat waar ook flocculant aan wordt toegevoegd. De resonators blijken uitermate geschikt om het flocculatieproces te bevorderen door de botsingsfrequentie tussen deeltjes te verhogen en tegelijkertijd (te) poreuze vlokken op te breken.

In een zesde toepassing worden een of meerdere resonators aangebracht in of naast membraanmodules. Met name tubulaire membranen zijn uitermate geschikt om te worden toegepast in combinatie met de technologie volgens onderhavige vinding.

Claims (9)

1. Inrichting voor efficiënte overdracht van ultrasone energie naar water gekenmerkt door • een eerste transducer die middels een schroefdraad en lijmverbinding werkzaam is verbonden met een • eerste massief metalen cilinder met een eerste diameter die werkzaam is verbonden met • een eerste holle cilinder met dezelfde eerste diameter die op zijn beurt werkzaam is verbonden met • een tweede massieve cilinder met wederom dezelfde eerste diameter en het kenmerk dat • de eerste holle cilinder tenminste een factor twee langer is dan de som van de lengten van de eerste massieve cilinder en de tweede massieve cilinder • de eerste en tweede massieve cilinder elk een lengte hebben van tenminste een centimeter

2. Inrichting volgens conclusie 1 vermeerderd met een klasse E versterker die wordt gekenmerkt door een eerste software programmeerbare PWM, een eerste MOSFET driver chip, een eerste N channel MOSFET, een spoel die werkzaam is verbonden met de drain van de eerste N channel MOSFET en de eerste voedingsspanning die de eerste transducer aanstuurt, een condensator die werkzaam is verbonden met de drain en de source van de eerste N Channel MOSFET en een source die werkzaam is verbonden met de massa (min) van de eerste voedingsspanning.

3. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 en 2 werkzaam verbonden met een UV-C reaktor waarbij de lans van de resonator parallel aan de kwartsbeschermbuizen van de UV-C lampen in de UV-C reaktor is aangebracht.

4. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 en 2 werkzaam verbonden met een cilindervormige UV-C reaktor waarbij het uiteinde van de lans is voorzien van een scherpe punt zoals weergegeven in figuur 1 met het kenmerk dat deze punt onder het uiteinde van de kwartsbeschermbuis van de UV-C lamp is aangebracht zodat streamers van de scherpe punt tegen het uiteinde van de kwartsbeschermbuis botsen.

5. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 en 2, voor het bevorderen van een flocculatieproces, aangebracht in en werkzaam verbonden met een flocculatievat waaraan een flocculant wordt gedoseerd.

6. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 en 2 aangebracht in een warmtewisselaar ter voorkomen van scaling.

7. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 en 2 aangebracht in een membraaninstallatie ter voorkoming van scaling.

8. Werkwijze voor de produktie van een resonator gekenmerkt door • het lassen van een eerste massieve cilinder aan uiteinde 1 van een eerste holle cilinder waarbij • de eerste massieve cilinder een grotere diameter heeft dan de eerste holle cilinder • het lassen van een tweede massieve cilinder aan uiteinde 2 van de eerste holle cilinder waarbij • de tweede massieve cilinder een grotere diameter heeft dan de eerste holle cilinder • het afdraaien van de eerste massieve cilinder en de tweede massieve cilinder zodat de diameters van de eerste massieve cilinder en de tweede massieve cilinder gelijk zijn aan die van de eerste holle cilinder • het afdraaien van de eerste massieve cilinder zodat uit een deel van deze eerste massieve cilinder een schroefdraad ontstaat die in een transducer kan worden geschroefd • het aanbrengen van trillingsbestendige lijm op de schroefdraad van de eerste massieve cilinder en het schroefgat in de transducer • het schroeven van de eerste massieve cilinder in het schroefgat van de transducer waarbij het oppervlak van de eerste massieve cilinder strak tegen het oppervlak van de transducer wordt aangedraaid.

9. Werkwijze voor efficiënte overdracht van ultrasone energie naar water gekenmerkt door een inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 7.