PL234331B1 - Układ ultradźwiękowy do pracy w podwyższonej temperaturze - Google Patents

Abstract

Układ ultradźwiękowy składający się z przetwornika piezoelektrycznego, falowodu, sonotrody, komory chłodzenia i uszczelnień, w którym sonotroda (1) wykonana z materiału o dużej przewodności cieplnej, korzystnie stopu miedzi CuCrZr, CuBe lub spieków wolframu, umieszczona jest w komorze chłodzenia (4). Wlot (5) czynnika chłodzącego (9) znajduje się od strony sonotrody (1), a wylot (6) czynnika chłodzącego (9) umieszczony jest przy falowodzie (2). Sonotroda (1) połączona jest z falowodem (2) i przetwornikiem piezoelektrycznym (3) tak, aby uszczelnienie (8) układu chłodzącego (4) oraz uszczelnienie (7) falowodu (2) znajdowały się w węzłach fali stojącej sonotrody (1) i falowodu (2).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest chłodzony układ ultradźwiękowy przewidziany do zastosowania w urządzeniu do wytwarzania sferycznych proszków metali metodą atomizacji ultradźwiękowej.

Stan techniki

Zachowanie stabilności termicznej układu jest krytyczne dla każdej aplikacji wykorzystującej ultradźwięki w podwyższonej temperaturze. Typowo, układy służące do generacji ultradźwięków składają się z przetwornika, falowodu oraz sonotrody. Nieodłącznym problemem związanym z prowadzeniem procesów technologicznych wykorzystujących ultradźwięki w warunkach podwyższonych temperatur jest negatywny wpływ na elementy układu, skutkujący typowo ich szybkim zniszczeniem ze względu na zmiany fizykochemiczne w materiale, naprężenia cieplne oraz obniżenie wytrzymałości elementów. Z tego powodu, większość komercyjnie stosowanych układów wyposażona jest w układ chłodzenia wodnego lub gazowego. Elementem układu ultradźwiękowego najbardziej narażonym na negatywne oddziaływanie podwyższonych temperatur jest przetwornik piezoelektryczny.

Rozwiązaniem zbliżonym do wynalazku jest zastosowanie jako radiatora z materiału wysokoprzewodzącego jako elementu przetwornika - takie rozwiązanie zostało opisane w pat. US2004124745, gdzie wykorzystano wzmacniającą obudowę metaliczną jako element przenoszący obciążenia mechaniczne oraz element wykonany z materiału o wysokiej przewodności cieplnej jako radiator oraz transmiter energii drgań ultradźwiękowych. W przeciwieństwie do rozwiązania wg patentu układ ten podlega tylko nagrzewaniu od pracy przetwornika i nie może pracować w temperaturze powyżej temperatury zniszczenia kryształów piezoelektrycznych.

Rozwiązania opierające się na chłodzeniu wyłącznie przetwornika wykazują skuteczność jedynie w przypadkach, gdy oddziaływanie cieplne pozostałych części układu nie prowadzi do zmiany jego częstotliwości rezonansowej lub poluźnienia łączników śrubowych. W zastosowaniach, w których tem peratury robocze przekraczają ok. 100°C, powszechne jest stosowanie dodatkowego chłodzenia falowodu lub sonotrody.

Z literatury patentowej znane są przykłady rozwiązań, w których sonotroda wykonana z tytanu bądź stopu aluminium wyposażona jest w wewnętrzny zbiornik cieczy, ulegający przemianie fazowej lub trzpień z miedzi lub aluminium, lub ich stopów. Zastosowanie trzpienia z miedzi powoduje dodatkowe straty na tarcie wewnętrzne między miedzianym trzpieniem a stalowym lub tytanowym elementem sonotrody przenoszącym drgania. Skutkuje to wysokimi stratami energii mechanicznej i wysoką zawodnością elementu. Przykładem takiego rozwiązania jest zgłoszenie pat. EP2832456 A2.

Innym proponowanym rozwiązaniem problemu, wchodzącym w skład obecnego stanu techniki, jest zastosowanie wewnętrznych kanałów chłodzących wewnątrz wibrującej sonotrody. Wady tego rozwiązania to przede wszystkim wysoki poziom trudności oraz koszt wykonania takiego elementu, jak również jego niska żywotność, powodowana zachodzeniem wewnątrz kanałów zjawiska kawitacji, prowadzącego do szybkiego zniszczenia elementu na drodze mechanicznej erozji. Przykładem tego podejścia są zgłoszenia pat. GB952042 i DE102008029769.

Kolejnym proponowanym w literaturze rozwiązaniem jest zastosowanie płaszcza wodnego jako układu chłodzącego. Jest to rozwiązanie nieadekwatne do zastosowań układu ultradźwiękowego w podwyższonych temperaturach z sonotrodą wykonaną z tradycyjnie stosowanych materiałów (stal i tytan). Podłączenie płaszcza wodnego jest możliwe tylko w znacznej odległości od czoła sonotrody, co skutkuje istotnym obniżeniem wydajności chłodzenia. Przykładem tego podejścia jest pat. zgłoszenie EP 0689774.

Podsumowując, rozwiązania oparte na chłodzeniu wyłącznie przetwornika mają istotnie ograniczone zastosowanie w technice. Alternatywne rozwiązania, wykorzystujące chłodzenie wodą przepływającą przez wnętrze sonotrody są nadmiernie skomplikowane i kosztowne w wykonaniu oraz implementacji, przede wszystkim ze względu na złożoność zarówno procesu produkcji, jak i kalibracji częstotliwości rezonansowej. Wykorzystanie płaszcza wodnego to rozwiązanie odpowiednie dla zastosowań, w których nie występuje zasadnicza różnica temperatur między końcówką sonotrody a obszarem oddziaływania medium chłodzącego, narzucające ponadto istotne ograniczenie powierzchni użytecznej sonotrody.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala korzystnie wobec obecnego stanu techniki przeprowadzać procesy technologiczne wymagające zastosowania ultradźwięków o wysokiej intensywności w podwyższonych temperaturach. Składa się z sonotrody wykonanej z materiału o wysokiej przewodności cieplnej korzystnie pokrytej barierą termiczną, umieszczoną w komorze roboczej o podwyższonej temperaturze oraz zewnętrznego układu chłodzącego na pozostałej długości sonotrody.

PL 234 331 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ ultradźwiękowy składający się z sonotrody, falowodu i przetwornika oraz komory chłodzącej, w którym sonotroda przez dłuższy czas znajduje się w obszarze oddziaływania podwyższonej temperatury (powyżej 100°C). Temperatura pracy ciągłej sonotrody stanowiącej część poniższego rozwiązania wynosi powyżej 100°C. Układ według rozwiązania został zaprojektowany tak, by obniżyć temperaturę przetwornika piezoelektrycznego do poziomu poniżej temperatury Curie. Sonotroda jest wykonana z materiału o wysokiej przewodności cieplnej, tj. powyżej 100 W/mK i chłodzona jest razem z falowodem poza obszarem działania wysokiej lub podwyższonej temperatury. Układ pracuje w warunkach ustalonego przepływu ciepła, dzięki czemu temperatura sonotrody jest niższa niż temperatura otoczenia. Pozwala to zachować właściwości mechaniczne konieczne do przeniesienia fali mechanicznej do medium o wysokiej temperaturze.

Urządzenie według patentu składa się z przetwornika piezoelektrycznego, połączonego przez falowód z chłodzoną sonotrodą, wykonaną z materiału o przewodności cieplnej powyżej 100 W/mK. Przetwornik piezoelektryczny pełni funkcję konwertera energii elektrycznej na mechaniczną, typowo wykonywany jest z warstwowo ułożonej ceramiki piezoelektrycznej, ułożonej naprzemiennie z okładzinami metalowymi.

Falowód jest elementem układu akustycznego, służącym do prowadzenia w przestrzeni fal mechanicznych, przekazywania ich energii od czoła przetwornika do sonotrody oraz zwiększania amplitudy drgań. Konsekwencją tych wymagań jest konieczność zastosowania do wytworzenia falowodu materiałów o wysokich właściwościach akustycznych - o wysokim stosunku modułu sprężystości wzdłużnej do gęstości oraz wysokiej wytrzymałości na zmęczenie. Materiały typowo stosowane na falowody to tytan, niektóre stopu aluminium (np. PA7N) i niektóre stale (np. 35HGSA). W rozwiązaniu wg patentu falowód jest półfalowy.

Podstawową funkcją sonotrody jest przekazywanie energii mechanicznej do medium, w którym zachodzi sonikacja. Jest to element wysoko obciążony mechanicznie, a w przypadkach, których dotyczy rozwiązanie według wynalazku - również termicznie. Wymagania stawiane materiałowi na sonotrodę to wysokie właściwości akustyczne i wysoka wytrzymałość mechaniczna. Typowo stosowane materiały to stale stopowe, stopy aluminium oraz stopy tytanu. Sonotrody projektowane są celowo pod konkretne aplikacje, dla określonej częstotliwości i amplitudy drgań. Krytyczny jest równomierny rozkład amplitudy drgań na czole elementu. W opisywanym rozwiązaniu materiałem, z którego sonotroda jest całofalowa i wykonana jest stop miedzi CuCrZr, CuBe bądź spieki wolframu.

Zewnętrzny układ chłodzący, przez który przepływa medium chłodzące jest w rozwiązaniu według wynalazku umieszczony w taki sposób, że uszczelnienia znajdują się w węźle fali stojącej falowodu oraz sonotrody. Ciągłe odprowadzanie ciepła jest korzystne dla żywotności układu i jego skutecznej pracy, ponieważ pozwala korzystnie wobec obecnego stanu techniki zachować temperaturę sonotrody niższą od temperatury jej otoczenia.

P r z y k ł a d wykonania

Układ ultradźwiękowy pracujący z częstotliwością rezonansową 20 kHz, składający się z sonotrody 1, falowodu 2 oraz przetwornika piezoelektrycznego 3, umieszczono w komorze chłodzenia 4. Całofalową sonotrodę 1 o średnicy 40 mm wykonano z materiału Ampcoloy 940 o przewodności cieplnej 204 W/mK. Połączono ją z falowodem 2 o wzmocnieniu amplitudy drgań mechanicznych 2 : 1 oraz przetwornikiem piezoelektrycznym 3. Uszczelnione zamocowanie sonotrody 8 oraz uszczelnione zamocowanie falowodu 7 znajdowało się w węźle fali ultradźwiękowej, a całość znajdowała się w komorze chłodzenia 4 o pojemności 5 litrów, wypełnionej medium chłodzącym 9. Jako medium chłodzące 9 zostało wykorzystane sprężone powietrze pod ciśnieniem 6 bar oraz temperaturze 293 K, które doprowadzone zostało do wlotu medium chłodzącego 5. Ogrzane medium chłodzące 9 odprowadzane zostało z komory chłodzenia 4 za pośrednictwem wylotu medium chłodzącego 6. Obciążenie układu ultradźwiękowego, będące również źródłem ciepła znajdowało się na czole sonotrody 1.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Układ ultradźwiękowy składający się z przetwornika piezoelektrycznego, falowodu, sonotrody, komory chłodzenia i uszczelnień, znamienny tym, że sonotroda (1) wykonana z materiału o dużej przewodności cieplnej, korzystnie stopu miedzi CuCrZr, CuBe lub spieków wolframu,

   PL 234 331 Β1 umieszczona jest w komorze chłodzenia (4), w której wlot (5) czynnika chłodzącego (9) znajduje się od strony sonotrody (1), a wylot (6) czynnika chłodzącego (9) umieszczony jest przy falowodzie (2), natomiast sonotroda (1) połączona jest z falowodem (2) i przetwornikiem piezoelektrycznym (3) tak, aby uszczelnienie (8) układu chłodzącego (4) oraz uszczelnienie (7) falowodu (2) znajdowały się w węzłach fali stojącej sonotrody (1) i falowodu (2).