RU2446894C1 - Ultrasound oscillating system for spraying fluids - Google Patents
Ultrasound oscillating system for spraying fluids Download PDFInfo
- Publication number
- RU2446894C1 RU2446894C1 RU2010137457/05A RU2010137457A RU2446894C1 RU 2446894 C1 RU2446894 C1 RU 2446894C1 RU 2010137457/05 A RU2010137457/05 A RU 2010137457/05A RU 2010137457 A RU2010137457 A RU 2010137457A RU 2446894 C1 RU2446894 C1 RU 2446894C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spraying
- ultrasonic
- frequency
- thickness
- oscillations
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области ультразвуковой техники, а именно к устройствам для мелкодисперсного распыления (диспергирования) жидкостей, и может быть использовано в наноиндустрии, химико-фармацевтической и медицинской промышленности.The invention relates to the field of ultrasonic technology, and in particular to devices for fine dispersion (dispersion) of liquids, and can be used in the nanoindustry, chemical-pharmaceutical and medical industries.
Свойство ультразвуковых колебаний высокой интенсивности распылять (диспергировать) жидкости в газовой среде широко применяется для получения различных аэрозолей, при интенсификации тепло- и массообменных процессов в распылительной сушке, при нанесении тонких слоев лекарственных веществ (микродоз) или защитных слоев на грануляты, спансулы, таблетируемый материал, при получении монодисперсных гранул, распылении расплавов химических веществ, изготовлении мельчайших порошков и т.п. Ультразвуковое распыление жидкостей находит применение в медицине для создания лечебных аэрозолей. Ультразвуковое распыление аэрозолей имеет ряд преимуществ перед химическим (конденсационным) и механическим (дисперсионным) способами, так как позволяет значительно интенсифицировать процесс, улучшить качество продукта, заменить громоздкие устройства более компактными. При этом при высокой концентрации аэрозоля получается монодисперсный и однородный по составу факел распыления с заданным размером формируемых капель.The property of high-intensity ultrasonic vibrations to spray (disperse) liquids in a gaseous medium is widely used to produce various aerosols, to intensify heat and mass transfer processes in spray drying, when applying thin layers of medicinal substances (microdoses) or protective layers on granules, spans, tableted material , when receiving monodisperse granules, spraying melts of chemicals, the manufacture of fine powders, etc. Ultrasonic spraying of liquids is used in medicine to create therapeutic aerosols. Ultrasonic spraying of aerosols has several advantages over chemical (condensation) and mechanical (dispersion) methods, as it allows you to significantly intensify the process, improve product quality, replace bulky devices with more compact ones. At the same time, with a high concentration of aerosol, a spray nozzle with a given size of droplets formed is monodispersed and uniform in composition.
Механизм получения аэрозолей ультразвуком объясняется кавитационной и волновой теориями. На границе жидкость-газ при достаточном количестве зародышей кавитации (включений газа, твердых частичек) происходит захлопывание кавитационных полостей, происходит образование капиллярных стоячих волн, с гребней которых происходит отрыв мелких капель.The mechanism of aerosol production by ultrasound is explained by cavitation and wave theories. At a liquid-gas interface, with a sufficient number of cavitation nuclei (gas inclusions, solid particles), cavitation cavities collapse, capillary standing waves form, from the crests of which small drops are detached.
В современных нанотехнологиях и химико-фармацевтическом производстве используются различные ультразвуковые устройства, позволяющие вести процесс распыления жидкостей и расплавов различного дисперсного состава без газовых потоков и в среде инертных газов. Это весьма важно для лекарственного сырья, химически лабильного, особенно в мелкодисперсном состоянии, к кислороду воздуха.In modern nanotechnology and pharmaceutical industry, various ultrasonic devices are used, which allow the process of atomization of liquids and melts of various disperse composition without gas flows and inert gases. This is very important for medicinal raw materials, chemically labile, especially in the finely dispersed state, to oxygen in the air.
С увеличением частоты ультразвука число поверхностных стоячих волн растет, на них формируются гребни (соответствующие по размерам определенным резонансным условиям), которые после наступления порога интенсивности отрываются от волны. Размеры возникающих волн и гребней, а в связи с этим и размеры капель зависят от физико-химических свойств распыляемых жидкостей (например, величины поверхностного натяжения, инертности массы) и частоты ультразвуковых колебаний.With an increase in the frequency of ultrasound, the number of surface standing waves increases, crests form on them (corresponding in size to certain resonance conditions), which, after the threshold of intensity breaks off from the wave. The dimensions of the arising waves and crests, and in this connection the size of the droplets, depend on the physicochemical properties of the liquids being sprayed (for example, the surface tension, mass inertness) and the frequency of ultrasonic vibrations.
Частота колебаний определяет средний диаметр капель формируемого аэрозоля, который равен:The oscillation frequency determines the average droplet diameter of the formed aerosol, which is equal to:
а - коэффициент пропорциональности (частично зависит от вязкости жидкости); λ - длина капиллярных волн, образующихся на поверхности слоя жидкости, которая равна: a is the coefficient of proportionality (partially depends on the viscosity of the liquid); λ is the length of the capillary waves generated on the surface of the liquid layer, which is equal to:
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; ρ - плотность жидкости; f - частота УЗ колебаний.σ is the coefficient of surface tension of the liquid; ρ is the fluid density; f is the frequency of ultrasonic vibrations.
Таким образом, для выбора резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы необходимо определиться с требуемым средним диаметром капель формируемого аэрозоля, при условии обеспечения необходимой производительности распыления. Выбор среднего диаметра капель аэрозоля осуществлялся для каждой технологии опытным путем по двум критериям. Первым условием являлось то, что диаметр капли должен быть как можно меньшим, при условии, что получающейся массы капли достаточно для того, чтобы не менее 90% формируемых капель достигли поверхности, на которую осуществляется распыление. Так распыление со средним диаметром капель в 80 мкм обеспечивается при частоте колебаний распылителя равной 40 кГц. При частоте 120 кГц формируется аэрозоль со средним размером частиц 18…20 мкм, при частоте 180 кГц - 13…15 мкм, при частоте 250 кГц - 9…10 мкм. Однако с увеличением рабочей частоты и уменьшением среднего размера формируемых капель пропорционально уменьшается производительность распыления.Thus, to select the resonant frequency of the ultrasonic oscillatory system, it is necessary to determine the required average diameter of the droplets of the formed aerosol, provided that the necessary spraying performance is provided. The choice of the average diameter of aerosol droplets was carried out empirically for each technology according to two criteria. The first condition was that the diameter of the droplet should be as small as possible, provided that the resulting mass of the droplet is sufficient so that at least 90% of the droplets formed reach the surface on which the spray is carried out. So spraying with an average droplet diameter of 80 microns is provided at a spray oscillation frequency of 40 kHz. At a frequency of 120 kHz an aerosol is formed with an average particle size of 18 ... 20 microns, at a frequency of 180 kHz - 13 ... 15 microns, at a frequency of 250 kHz - 9 ... 10 microns. However, with an increase in the operating frequency and a decrease in the average size of the droplets formed, the spraying performance is proportionally reduced.
Поэтому всегда стремятся обеспечить формирование меньших по размеру частиц с максимальной производительностью.Therefore, they always strive to ensure the formation of smaller particles with maximum performance.
Основными достоинствами ультразвукового распыления являются малая энергоемкость процесса, отсутствие дополнительных расходных материалов (газ, растворители и т.д.), возможность получения факела распыления произвольной формы (например, прямоугольной или треугольной), высокое качество и равномерность получаемых покрытий.The main advantages of ultrasonic spraying are the low energy consumption of the process, the absence of additional consumables (gas, solvents, etc.), the possibility of obtaining a spray torch of any shape (for example, rectangular or triangular), high quality and uniformity of the resulting coatings.
Для создания УЗ колебаний, необходимых и достаточных для распыления жидкостей, используются как пьезоэлектрические, так и магнитострикционные колебательные системы. Ультразвуковые колебательные системы на основе пьезоэлектрических преобразователей обладают рядом неоспоримых преимуществ (меньшие габаритные размеры, более высокий КПД, во многих случаях не требуют применения принудительного охлаждения) по сравнению с магнитострикционными. Поэтому для ультразвукового распыления наибольшее распространение получили различные ультразвуковые колебательные системы, например выполненные по патентам США №№4153201, 4301968, 4337896, 4352459 4541564, 4642581, 4655393, 4659014, 4723708, 4978067, 4996080, 5219120, 5632445, 6663554, 7347889, или по патентам РФ №№2393881, 2388500, 2305621, на основе пьезоэлектрического преобразователя, конструктивно выполненные в виде последовательно установленных и акустически связанных между собой пьезоэлектрических элементов и частотно-понижающих металлических накладок. Для увеличения амплитуды механических колебаний используются различные по форме концентраторы. Рабочая частота всех известных ультразвуковых колебательных систем ограничивается частотой в 120 кГц и малой распылительной поверхностью (торцевая поверхность конечного участка концентратора выполняется диаметром 1…3 мм), что не позволяет осуществлять формирование аэрозоля со средним размером менее 18…20 мкм и производительностью более 0,35 мл/с.To create ultrasonic vibrations necessary and sufficient for spraying liquids, both piezoelectric and magnetostrictive oscillatory systems are used. Ultrasonic oscillatory systems based on piezoelectric transducers have a number of undeniable advantages (smaller overall dimensions, higher efficiency, in many cases do not require the use of forced cooling) compared to magnetostrictive ones. Therefore, for ultrasonic sputtering, the most widely used are various ultrasonic oscillatory systems, for example, those made according to US Pat. patents of the Russian Federation No. 2393881, 2388500, 2305621, based on a piezoelectric transducer, structurally made in the form of sequentially installed and acoustically connected piezoelectric elements and frequency-lowering metal plates. To increase the amplitude of mechanical vibrations, different concentrators are used. The operating frequency of all known ultrasonic vibrational systems is limited by a frequency of 120 kHz and a small spray surface (the end surface of the final section of the concentrator is 1 ... 3 mm in diameter), which does not allow aerosol formation with an average size of less than 18 ... 20 microns and a productivity of more than 0.35 ml / s.
Наиболее близкой по технической сущности и функциональному назначению к предлагаемому техническому решению является ультразвуковая колебательная система для распыления жидкостей по патенту США №7712680 [1], май 2010 г., принятая за прототип.The closest in technical essence and functionality to the proposed technical solution is an ultrasonic oscillatory system for spraying liquids according to US patent No. 7712680 [1], May 2010, adopted as a prototype.
Ультразвуковая колебательная система для распыления жидкостей, принятая за прототип, содержит последовательно установленные и акустически связанные между собой торцевую стягивающую накладку, два пьезоэлектрических кольцевых элемента, рабочую накладку в виде стержня переменного сечения, заканчивающегося торцевой распылительной поверхностью.The ultrasonic oscillatory system for spraying liquids, adopted as a prototype, contains sequentially installed and acoustically connected to one another face pulling plate, two piezoelectric ring elements, a working plate in the form of a rod of variable cross section, ending with an end spray surface.
Известная ультразвуковая колебательная система выполнена по традиционной схеме преобразователя Ланжевена [2], в которой суммарная волновая длина (учитывающая различия в скоростях распространения УЗ колебаний в материалах накладок и пьезоматериала) торцевой стягивающей накладки, двух пьезоэлектрических элементов и рабочей накладки соответствует половине длины волны формируемых колебаний. Рабочая накладка выполнена в виде стержня ступенчато переменного диаметра. Такая полуволновая конструктивная схема позволяет объединить четвертьволновой пьезоэлектрический резонансный преобразователь и четвертьволновой концентратор (усилитель) механических ультразвуковых колебаний и таким образом обеспечить не только формирование ультразвуковых колебаний, но и их усиление до величины амплитуды, достаточной для обеспечения процесса распыления частиц с определенным распределением формируемых частиц по размерам.The well-known ultrasonic oscillatory system is made according to the traditional Langevin transducer scheme [2], in which the total wavelength (taking into account differences in the propagation velocities of ultrasonic vibrations in the materials of the plates and piezomaterial) of the end tightening plate, two piezoelectric elements and the working plate corresponds to half the wavelength of the generated oscillations. The working pad is made in the form of a rod of stepwise variable diameter. Such a half-wave design scheme allows one to combine a quarter-wave piezoelectric resonant transducer and a quarter-wave concentrator (amplifier) of mechanical ultrasonic vibrations and thus ensure not only the formation of ultrasonic vibrations, but also their amplification to an amplitude sufficient to ensure the process of atomization of particles with a certain distribution of formed particles in size .
Для увеличения амплитуды колебаний возможно конструктивное выполнение рабочей накладки в виде трехчетвертьволновой конструкции, и тогда вся колебательная система имеет размер, равный двум половинам длины волны (т.е. колебательная система включает полуволновой преобразователь и полуволновой концентратор).To increase the amplitude of the oscillations, it is possible to constructively work the lining in the form of a three-quarter-wave structure, and then the entire oscillatory system has a size equal to two half the wavelength (i.e., the oscillatory system includes a half-wave converter and a half-wave concentrator).
В известной конструкции суммарная толщина пьезоэлектрических элементов много меньше четверти длины волны формируемых ультразвуковых колебаний. Для колебательной системы, принятой за прототип и предназначенной для формирования УЗ колебаний с частотой от 120 до 250 кГц, толщина пьезоэлектрических элементов не превышает 1 мм, а вся резонансная длина колебательной системы из титанового сплава при полуволновом исполнении не превышает на частотах 120 кГц и 250 кГц 21 мм или 10 мм (при скорости распространения УЗ колебаний в титановом сплаве 5100 м/с), соответственно, а при волновом исполнении (полуволновой преобразователь и полуволновой концентратор) на частотах 120 кГц и 250 кГц 42 мм или 20 мм, соответственно.In the known construction, the total thickness of the piezoelectric elements is much less than a quarter of the wavelength of the generated ultrasonic vibrations. For an oscillatory system adopted as a prototype and intended for the formation of ultrasonic vibrations with a frequency of 120 to 250 kHz, the thickness of the piezoelectric elements does not exceed 1 mm, and the entire resonant length of the oscillatory system of titanium alloy with a half-wave design does not exceed at frequencies of 120 kHz and 250 kHz 21 mm or 10 mm (at a propagation speed of ultrasonic vibrations in a titanium alloy 5100 m / s), respectively, and with a wave design (half-wave converter and half-wave concentrator) at frequencies of 120 kHz and 250 kHz 42 mm or 20 mm, respectively of course.
При этом диаметр колебательной системы не должен превышать половины длины волны формируемых колебаний в материале накладок, т.е. 20 мм (на частоте 120 кГц при скорости распространения УЗ колебаний в титановом сплаве 5100 м/с) или 10 мм на частоте 250 кГц. В противном случае, при диаметре колебательной системы много больше половины длины волны УЗ колебаний в системе будут возникать диаметральные колебания на более низких частотах, снижающие эффективность полезных толщинных колебаний, и практически, исключающих возможность распыления.Moreover, the diameter of the oscillatory system should not exceed half the wavelength of the generated vibrations in the material of the plates, i.e. 20 mm (at a frequency of 120 kHz at a speed of propagation of ultrasonic vibrations in a titanium alloy 5100 m / s) or 10 mm at a frequency of 250 kHz. Otherwise, when the diameter of the vibrational system is much greater than half the wavelength of ultrasonic vibrations, diametrical vibrations will occur in the system at lower frequencies, which reduce the effectiveness of useful thickness vibrations and practically exclude the possibility of sputtering.
Для эффективного распыления жидких сред амплитуда колебаний торцевой распылительной поверхности должна быть более 10…15 мкм [3]. Для обеспечения такой амплитуды необходимо прикладывать к электродам пьезоэлектрических элементов электрическое напряжение, близкое к 1000 В.For effective spraying of liquid media, the amplitude of oscillations of the end spray surface should be more than 10 ... 15 microns [3]. To ensure such an amplitude, it is necessary to apply an electric voltage close to 1000 V. to the electrodes of the piezoelectric elements.
При этом обеспечивается амплитуда колебаний пьезоэлектрических элементов не более 1 мкм. Для обеспечения необходимой амплитуды колебаний торцевой поверхности в 15 мкм необходимо в конструкции колебательной системы использовать концентратор с коэффициентом усиления не менее 15. Столь высокое усиление можно обеспечить только при помощи ступенчатого концентратора, и поэтому рабочая накладка выполнена в виде стержня ступенчато переменного диаметра. При диаметре колебательной системы в 21 мм (на частоте 120 кГц) или 10 мм на частоте 250 кГц и коэффициенте усиления ступенчатого концентратора в 15 диаметр торцевой распылительной поверхности не может превышать 5 мм на частоте 120 кГц или 2,5 мм на частоте 250 кГц.This ensures the amplitude of the oscillations of the piezoelectric elements is not more than 1 μm. To ensure the necessary amplitude of oscillations of the end surface of 15 μm, it is necessary to use a concentrator with a gain of at least 15 in the design of the oscillatory system. Such a high gain can only be achieved with a step concentrator, and therefore the working plate is made in the form of a rod of stepwise variable diameter. With an oscillation system diameter of 21 mm (at a frequency of 120 kHz) or 10 mm at a frequency of 250 kHz and a gain of a step concentrator of 15, the diameter of the end spray surface cannot exceed 5 mm at a frequency of 120 kHz or 2.5 mm at a frequency of 250 kHz.
По этой причине происходит существенное снижение производительности при распылении на высоких частотах. Так, если при распылении на частоте 120 кГц обеспечивается производительность (по воде) до 0,35 мл/с [4], то на частоте в 250 кГц обеспечить производительность более 0,1 мл/с невозможно.For this reason, there is a significant decrease in performance when spraying at high frequencies. So, if when spraying at a frequency of 120 kHz a productivity (by water) of up to 0.35 ml / s is ensured [4], then at a frequency of 250 kHz it is impossible to ensure a productivity of more than 0.1 ml / s.
Обусловлено это тем, что распыление осуществляется при оптимальной толщине слоя растекающейся по поверхности распыления жидкости (0.8 мм для воды и до 1,5 мм для вязких жидкостей), и при соответствующем уменьшении площади распылительной поверхности в 4 раза происходит снижение производительности не менее чем в 4 раза.This is due to the fact that the spraying is carried out at the optimum thickness of the layer spreading over the spraying surface of the liquid (0.8 mm for water and up to 1.5 mm for viscous liquids), and with a corresponding decrease in the spray surface area by 4 times, the productivity decreases by at least 4 times.
Анализ конструкции и функциональных возможностей прототипа позволяет выделить его следующие существенные недостатки.Analysis of the design and functionality of the prototype allows you to highlight its following significant disadvantages.
1. Низкая эксплуатационная надежность колебательной системы, обусловленная возможностью электрического пробоя и чрезмерного нагрева (до располяризации пьезоматериала). Этот недостаток обусловлен необходимостью подачи на пьезоэлемент толщиной в 1 мм напряжения в 1000 В и снижением добротности пьезоматериала при столь высоких напряжениях.1. Low operational reliability of the oscillatory system, due to the possibility of electrical breakdown and excessive heating (before the polarization of the piezoelectric material). This drawback is due to the need to supply a voltage of 1000 V to the piezoelectric element with a thickness of 1 mm and a decrease in the quality factor of the piezoelectric material at such high voltages.
Кроме того, выполнение концентратора УЗ колебаний в виде ступенчато переменного стержня с коэффициентом усиления 15 приводит к недопустимым механическим напряжениям в зоне перехода и быстрому механическому разрушению этого перехода.In addition, the execution of the ultrasonic vibrations concentrator in the form of a stepwise variable rod with a gain of 15 leads to unacceptable mechanical stresses in the transition zone and rapid mechanical destruction of this transition.
2. Низкая эффективность колебательной системы, обусловленная сильной зависимостью резонансной рабочей частоты колебательной системы от нагрузки (т.е. от количества жидкости на распылительной поверхности, на конечном участке концентратора и от свойств этой жидкости) в процессе распыления из-за наличия ступенчато переменного стержня - концентратора УЗ колебаний с коэффициентом усиления до 15. В этом случае, поддержание рабочей частоты электронного генератора, соответствующей рабочей резонансной частоте колебательной системы, становится невозможным, что обуславливает снижение производительности и частые срывы распыления.2. The low efficiency of the oscillatory system, due to the strong dependence of the resonant operating frequency of the oscillatory system on the load (ie, on the amount of liquid on the spray surface, on the final section of the concentrator and on the properties of this liquid) during the spraying process due to the presence of a stepwise variable rod - ultrasonic vibrations concentrator with a gain of up to 15. In this case, maintaining the working frequency of the electronic generator corresponding to the working resonant frequency of the oscillating system becomes impossible, which leads to a decrease in productivity and frequent spray breakdowns.
3. Низкая производительность процесса распыления, обусловленная малой поверхностью распыления и невозможностью дальнейшего ее увеличения и невозможностью увеличения амплитуды колебаний этой поверхности.3. Low productivity of the spraying process, due to the small spraying surface and the impossibility of its further increase and the impossibility of increasing the amplitude of oscillations of this surface.
Таким образом, выявленные недостатки ограничивают функциональные возможности (эффективность и производительность) известной колебательной системы, обуславливают низкую эксплуатационную надежность системы и сложность обеспечения ее оптимальной работы при изменениях нагрузки.Thus, the identified shortcomings limit the functionality (efficiency and productivity) of the known oscillatory system, determine the low operational reliability of the system and the difficulty of ensuring its optimal operation in case of load changes.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков прототипа и создание новой колебательной системы для распыления жидкостей, способной повысить эффективность и производительность известной колебательной системы, увеличить эксплуатационную надежность системы и создать условия обеспечения ее оптимальной работы при изменениях нагрузки, обеспечив тем самым возможность распыления вязких жидкостей.The proposed technical solution is aimed at eliminating the disadvantages of the prototype and creating a new oscillatory system for spraying liquids, which can increase the efficiency and productivity of the known oscillatory system, increase the operational reliability of the system and create conditions for ensuring its optimal operation when the load changes, thereby ensuring the possibility of spraying viscous liquids.
Предлагаемая ультразвуковая колебательная система для распыления жидкостей содержит последовательно установленные и акустически связанные между собой торцевую стягивающую накладку, два пьезоэлектрических кольцевых элемента, рабочую накладку в виде стержня переменного сечения, заканчивающегося торцевой распылительной поверхностью. При этом толщина каждого пьезоэлектрического элемента выбрана равной четверти длины волны формируемых колебаний в пьезоматериале, толщина торцевой стягивающей накладки соответствует половине длины волны формируемых колебаний в материале накладки, рабочая накладка выполнена равной одной или двум полуволнам формируемых колебаний в материале накладки, причем рабочая накладка имеет плавные радиальные или экспоненциальные переходы в середине каждого полуволнового участка.The proposed ultrasonic oscillatory system for spraying liquids contains sequentially installed and acoustically interconnected end tightening plate, two piezoelectric ring elements, a working plate in the form of a rod of variable cross section, ending with an end spray surface. In this case, the thickness of each piezoelectric element is chosen equal to a quarter of the wavelength of the generated vibrations in the piezoelectric material, the thickness of the end tightening lining corresponds to half the wavelength of the generated vibrations in the lining material, the working lining is made equal to one or two half-waves of the generated oscillations in the lining material, and the working lining has smooth radial or exponential transitions in the middle of each half-wave section.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг.1 и фиг. 2, на которых изображены известная (Фиг.1) и предлагаемая (фиг.2) ультразвуковые колебательные системы для распыления жидкостей. Обозначение позиций на фиг.1 и фиг.2 идентичны.The essence of the proposed technical solution is illustrated in Fig.1 and Fig. 2, which depicts the known (Fig. 1) and proposed (Fig. 2) ultrasonic oscillatory systems for spraying liquids. The designation of the positions in figure 1 and figure 2 are identical.
Предлагаемая ультразвуковая колебательная система для распыления жидкостей, так же, как и известная, содержит последовательно установленные и акустически связанные между собой торцевую стягивающую накладку 1, два пьезоэлектрических кольцевых элемента 2, рабочую накладку 3 в виде стержня переменного сечения, заканчивающегося торцевой распылительной поверхностью. При этом толщина каждого пьезоэлектрического элемента выбрана равной четверти длины волны формируемых колебаний в пьезоматериале, т.е. суммарная длина двух пьезоэлектрических элементов 2 соответствует половине длины волны, и два этих пьезоэлемента представляют собой самостоятельный ультразвуковой электроакустический преобразователь, обеспечивающий формирование ультразвуковых колебаний с необходимой (заданной) рабочей частотой. Так, например, для обеспечения работы на резонансной частоте 120 кГц (при скорости распространения УЗ колебаний в пьезоматериале, равной 3600 м/с) суммарная толщина двух пьезоэлементов должна быть равной 15 мм (с учетом толщины медных контактных электродов необходимы два пьезоэлемента толщиной по 7 мм каждый). Для создания ультразвуковых колебаний с резонансной частотой в 250 кГц суммарная толщина двух пьезоэлементов должна быть равной 7,2 мм (два пьезоэлемента толщиной по 3,5 мм каждый).The proposed ultrasonic oscillatory system for spraying liquids, as well as the known one, contains sequentially installed and acoustically interconnected
Использование пьезоэлектрических элементов большей толщины, в сравнении с прототипом, позволяет при одинаковых прикладываемых напряжениях (до 1000 В/мм) получить большее расширение, т.е. обеспечить на преобразователе большую амплитуду колебаний (от 7 мкм на частоте 120 кГц до 3,5 мкм на частоте 250 кГц). Это позволит при использовании концентратора, для дальнейшего усиления, либо уменьшить коэффициент его усиления, исключив проблемы, связанные с применением ступенчатых переходов, либо получить те же амплитуды, что и в прототипе, но на большей поверхности излучения (большем по диаметру распылительном торце), либо получить на поверхности излучения, соответствующей прототипу, большие амплитуды, обеспечив распыление вязких жидкостей.The use of piezoelectric elements of greater thickness, in comparison with the prototype, allows for the same applied voltages (up to 1000 V / mm) to obtain greater expansion, i.e. provide a large amplitude of oscillations on the converter (from 7 μm at a frequency of 120 kHz to 3.5 μm at a frequency of 250 kHz). This will allow, when using a concentrator, for further amplification, either to reduce its amplification coefficient, eliminating the problems associated with the use of step transitions, or to obtain the same amplitudes as in the prototype, but on a larger radiation surface (larger diameter spray end), or to obtain large amplitudes on the radiation surface corresponding to the prototype, ensuring spraying of viscous liquids.
Использование концентратора с достаточным усилением (например, 10 вместо 15 у прототипа) позволит уменьшить амплитуду колебаний пьезоэлементов до 2 мкм, снизив питающее напряжение.Using a hub with sufficient amplification (for example, 10 instead of 15 for the prototype) will reduce the amplitude of the oscillations of the piezoelectric elements to 2 microns, reducing the supply voltage.
Для того чтобы обеспечить необходимое сжатие двух пьезоэлектрических элементов в виде дисков с центральным отверстием, используется металлическая шпилька и торцевая стягивающая накладка.In order to provide the necessary compression of two piezoelectric elements in the form of disks with a central hole, a metal stud and an end tightening pad are used.
Для обеспечения работы всей колебательной системы на резонансной частоте двух последовательно установленных пьезоэлементов резонансная частота торцевой стягивающей накладки должна соответствовать частоте двух последовательно установленных пьезоэлементов. Это обеспечено тем, что толщина торцевой стягивающей накладки соответствует половине длины волны колебаний в материале накладки, т.е. ее резонансная частота соответствует частоте двух последовательно установленных пьезоэлементов.To ensure the operation of the entire oscillatory system at the resonant frequency of two sequentially installed piezoelectric elements, the resonant frequency of the end tightening lining should correspond to the frequency of two sequentially installed piezoelectric elements. This is ensured by the fact that the thickness of the end tightening lining corresponds to half the wavelength of the vibrations in the lining material, i.e. its resonant frequency corresponds to the frequency of two sequentially installed piezoelectric elements.
Размер рабочей накладки также выбран соответствующим резонансной частоте двух последовательно установленных пьезоэлементов, т.е. рабочая накладка выполнена равной одной или двум полуволнам формируемых колебаний в материале накладки.The size of the working pad is also selected corresponding to the resonant frequency of two sequentially installed piezoelectric elements, i.e. the working pad is made equal to one or two half-waves of generated vibrations in the pad material.
Для уменьшения механических напряжений, возникающих в местах переходов при выполнении концентраторов, рабочая накладка имеет плавные радиальные или экспоненциальные переходы в середине каждого полуволнового участка. Плавные переходы снижают зависимость резонансной частоты от нагрузки, что позволяет обеспечить работу колебательной системы в оптимальном режиме, т.е. всегда на резонансной частоте.To reduce the mechanical stresses arising at the transition points during the execution of concentrators, the working plate has smooth radial or exponential transitions in the middle of each half-wave section. Smooth transitions reduce the dependence of the resonant frequency on the load, which allows for the operation of the oscillatory system in the optimal mode, i.e. always at the resonant frequency.
Незначительное уменьшение коэффициента усиления концентратора компенсируется большей амплитудой колебаний пьезоэлементов. Так, например, при обеспечении амплитуды колебаний пьезопреобразователя на частоте в 120 кГц в 5 мкм и использовании концентратора с коэффициентом усиления 10 можно обеспечить амплитуду колебаний торцевой поверхности диаметром в 5 мм равной 50 мкм или обеспечить амплитуду колебаний в 15 мкм на излучающей поверхности диаметром более 10 мм (площадь поверхности распыления увеличивается в 4 раза).A slight decrease in the gain of the concentrator is compensated by the larger amplitude of the oscillations of the piezoelectric elements. So, for example, by ensuring the amplitude of the oscillations of the piezoelectric transducer at a frequency of 120 kHz at 5 μm and using a concentrator with a gain of 10, it is possible to provide the amplitude of oscillations of the end surface of 5 mm in diameter equal to 50 μm or to provide the amplitude of oscillations of 15 μm on the radiating surface with a diameter of more than 10 mm (spraying surface area increases 4 times).
Таким образом, увеличение площади излучающей поверхности позволяет повысить производительность распыления, по сравнению с прототипом, увеличить эксплуатационную надежность системы, обеспечить ее оптимальную работу при изменениях нагрузки и обеспечить возможность распыления вязких жидкостей.Thus, the increase in the area of the radiating surface allows to increase the spraying performance, in comparison with the prototype, to increase the operational reliability of the system, to ensure its optimal operation under load changes and to provide the possibility of spraying viscous liquids.
Технический результат - увеличение производительности процесса на повышенных частотах распыления и возможность обеспечить распыление вязких жидкостей.The technical result is an increase in the productivity of the process at higher spray frequencies and the ability to ensure the spraying of viscous liquids.
Предложенная ультразвуковая колебательная система для распыления жидкости практически реализована в разработанном ООО «Центр ультразвуковых технологий» аппарате для распыления жидких сред. Аппарат обеспечил распыление жидкости (воды) на рабочей частоте колебательной системы в 180 кГц с производительностью не менее 0,4 мл/с.The proposed ultrasonic oscillatory system for spraying liquids is practically implemented in the apparatus for spraying liquid media developed by Center for Ultrasonic Technologies LLC. The device provided a spray of liquid (water) at the operating frequency of the oscillatory system of 180 kHz with a capacity of at least 0.4 ml / s.
Мелкосерийное производство аппаратов для ультразвукового распыления жидкостей, в состав которых включена предложенная ультразвуковая колебательная система на рабочую частоту 180 кГц, планируется начать в 2011 году.Small-scale production of apparatus for ultrasonic atomization of liquids, which includes the proposed ultrasonic oscillatory system at an operating frequency of 180 kHz, is scheduled to begin in 2011.
Список литературы, используемой при составлении заявкиList of literature used in the preparation of the application
1. Патент США №7712680 - прототип.1. US patent No. 7712680 - prototype.
2. Хмелев В.Н. Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в промышленности [Текст] / В.Н.Хмелев, Р.В.Барсуков, А.Н.Сливин, С.Н.Цыганок, А.В.Шалунов. - Барнаул: АлтГТУ, 2010. - 196 с.2. Khmelev V.N. The use of high-intensity ultrasonic vibrations in industry [Text] / V.N. Khmelev, R.V. Barsukov, A.N. Slivin, S.N. Tsyganok, A.V. Shalunov. - Barnaul: AltSTU, 2010 .-- 196 p.
3. Хмелев В.Н. Ультразвуковое распыление жидкостей [Текст] / В.Н.Хмелев, А.В.Шалунов, К.В.Шалунова, С.Н.Цыганок, Р.В.Барсуков, А.Н.Сливин. - Барнаул: АлтГТУ, 2010. - 228 с.3. Khmelev V.N. Ultrasonic atomization of liquids [Text] / V.N. Khmelev, A.V. Shalunov, K.V. Shalunova, S.N. Tsyganok, R.V. Barsukov, A.N. Slivin. - Barnaul: AltSTU, 2010 .-- 228 p.
4. Ultrasound Company [Electronic resource]. - Sono-Tek Corporation. - Режим доступа: http://www.sono-tek.com/.4. Ultrasound Company [Electronic resource]. - Sono-Tek Corporation. - Access mode: http://www.sono-tek.com/.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010137457/05A RU2446894C1 (en) | 2010-09-08 | 2010-09-08 | Ultrasound oscillating system for spraying fluids |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010137457/05A RU2446894C1 (en) | 2010-09-08 | 2010-09-08 | Ultrasound oscillating system for spraying fluids |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2446894C1 true RU2446894C1 (en) | 2012-04-10 |
Family
ID=46031583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010137457/05A RU2446894C1 (en) | 2010-09-08 | 2010-09-08 | Ultrasound oscillating system for spraying fluids |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2446894C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2627886C1 (en) * | 2013-10-17 | 2017-08-14 | Пептрон Инк. | Ultrasonic dispersive device for sterilisation process |
| RU2806072C1 (en) * | 2023-04-11 | 2023-10-25 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | Device for ultrasonic fine atomization of liquids |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5632445A (en) * | 1990-11-22 | 1997-05-27 | Dubruque; Dominique | Ultrasonic fluid spraying device |
| FR2857881A1 (en) * | 2003-07-25 | 2005-01-28 | Ultrasound Brewery | Ultrasonic solution separator has a vapor heater which warms the carrier gas before it enters the atomizing chamber and a solution heater which warms the solution in the atomizing chamber |
| RU2264868C2 (en) * | 2004-03-25 | 2005-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский Государственный Университет" (РГУ) | Liquid spraying method and device |
| RU2388500C1 (en) * | 2008-10-27 | 2010-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Ultrasound aerosol therapy apparatus |
-
2010
- 2010-09-08 RU RU2010137457/05A patent/RU2446894C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5632445A (en) * | 1990-11-22 | 1997-05-27 | Dubruque; Dominique | Ultrasonic fluid spraying device |
| FR2857881A1 (en) * | 2003-07-25 | 2005-01-28 | Ultrasound Brewery | Ultrasonic solution separator has a vapor heater which warms the carrier gas before it enters the atomizing chamber and a solution heater which warms the solution in the atomizing chamber |
| RU2264868C2 (en) * | 2004-03-25 | 2005-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский Государственный Университет" (РГУ) | Liquid spraying method and device |
| RU2388500C1 (en) * | 2008-10-27 | 2010-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Ultrasound aerosol therapy apparatus |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2627886C1 (en) * | 2013-10-17 | 2017-08-14 | Пептрон Инк. | Ultrasonic dispersive device for sterilisation process |
| US9776201B2 (en) | 2013-10-17 | 2017-10-03 | Peptron, Inc. | Ultrasonic atomizer for aseptic process |
| RU2806072C1 (en) * | 2023-04-11 | 2023-10-25 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | Device for ultrasonic fine atomization of liquids |
| RU2814733C1 (en) * | 2023-08-24 | 2024-03-04 | Общество с ограниченной ответственностью Завод "Газпроммаш" | Ultrasonic odorant spraying device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qi et al. | Interfacial destabilization and atomization driven by surface acoustic waves | |
| Xie et al. | Optoacoustic tweezers: a programmable, localized cell concentrator based on opto-thermally generated, acoustically activated, surface bubbles | |
| Yeo et al. | Surface acoustic wave microfluidics | |
| Kuhn et al. | A Teflon microreactor with integrated piezoelectric actuator to handle solid forming reactions | |
| US8651230B2 (en) | High capacity ultrasonic reactor system | |
| US6244738B1 (en) | Stirrer having ultrasonic vibrators for mixing a sample solution | |
| TWI413553B (en) | Device for producing ultrasonic vibrations | |
| Blamey et al. | Microscale capillary wave turbulence excited by high frequency vibration | |
| CN203494705U (en) | Ultrasonic spraying device for atomizing viscous liquid and suspension | |
| Khmelev et al. | Study of the process of liquid atomization from the ultrasonic disk radiator | |
| KR20110053775A (en) | A dispersing apparatus for nano powders using intensity focused ultrasonics wave and a dispersing method using thereof | |
| Al-Jumaily et al. | On the development of focused ultrasound liquid atomizers | |
| WO2011058881A1 (en) | Apparatus for producing ultrafine liquid droplets | |
| Wong et al. | Lamb to Rayleigh wave conversion on superstrates as a means to facilitate disposable acoustomicrofluidic applications | |
| RU2446894C1 (en) | Ultrasound oscillating system for spraying fluids | |
| US10306742B2 (en) | Droplet dispensing device, method for providing droplets, and light source for providing UV or X-ray light | |
| Mc Carogher et al. | Acoustic resonance and atomization for gas-liquid systems in microreactors | |
| CN103599867A (en) | Ultrasonic spraying device for atomizing viscous liquid and suspension liquid | |
| EP2195122B1 (en) | High capacity ultrasonic reactor system | |
| JP2005111471A (en) | Heating device utilizing surface acoustic wave | |
| Li et al. | Design of acoustofluidic device for localized trapping | |
| US11872504B2 (en) | Atomizing device for use in a spray dryer | |
| RU2806072C1 (en) | Device for ultrasonic fine atomization of liquids | |
| Khmelev et al. | Features of designing of a specialized high-frequency ultrasonic sprayer | |
| Khmelev et al. | High-frequency vibration system for liquid atomization |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200909 |