一種超聲空化裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超聲空化裝置，該裝置包括：振體和反射體，其中振體一端設(shè)置輻射面，輻射面與反射體之間構(gòu)成一個液體薄層；振體生成超聲波，通過輻射面進(jìn)入到液體薄層中，并在液體薄層中形成聲場；反射體反射輻射面輻射的超聲波，經(jīng)過反射體和輻射面對超聲波的多次反射和疊加，使液體薄層內(nèi)的聲場得到強(qiáng)化，從而形成沿液體薄層橫向鋪展的大面積的空化云。本發(fā)明提供的超聲空化裝置，通過在換能器輻射面對側(cè)安置一個反射面，使得在較小的輸入功率下，在液體薄層內(nèi)的聲場強(qiáng)化形成大面積橫向鋪展的空化云。
【專利說明】一種超聲空化裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲空化領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲空化裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]空化是指當(dāng)液體的壓強(qiáng)下降到足夠低時液體中空泡的生成及其后續(xù)的動力學(xué)行為，其主要表現(xiàn)形式是在周期性的聲場壓力作用下，液體中出現(xiàn)大量的不斷漲縮的微小氣泡，這些氣泡按照超聲波的周期瞬間產(chǎn)生又瞬間潰滅(在數(shù)微秒至數(shù)十微秒之間)，形成氣泡的云霧。這些氣泡潰滅的時候會在氣泡內(nèi)部產(chǎn)生高溫高壓，在周圍的液體中產(chǎn)生沖擊波，在貼近壁面的時候會朝壁面運(yùn)動并形成打向壁面的微射流。目前對空化的應(yīng)用比如超聲清洗和聲化學(xué)都是在較大水體中進(jìn)行，這樣一方面造成水資源的浪費(fèi)，同時也因?yàn)槁暷芊稚⒍斐煽栈式档?。我們研究發(fā)現(xiàn)在液體薄層中出現(xiàn)了新的空化形式，這種空化需水很少，具有很高的空化云體積百分比和能量利用率，還有較低的輸入功率和較高的空化強(qiáng)度，在超聲清洗、表面處理、聲化學(xué)和超聲醫(yī)療等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)超聲空化裝置效率低下的問題，提供一種高效的超聲空化裝置。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種超聲空化裝置，該裝置包括:振體和反射體，其中，振體一端具有輻射面,輻射面與反射體之間構(gòu)成一個液體薄層；振體生成超聲波,通過輻射面進(jìn)入到液體薄層中，并在液體薄層中形成聲場；
[0005]反射體反射輻射面輻射的超聲波,經(jīng)過反射體和輻射面對超聲波的多次反射和疊力口，使液體薄層內(nèi)的聲場得到強(qiáng)化，從而形成沿液體薄層橫向鋪展的大面積的空化云。
[0006]優(yōu)選地，液體薄層的厚度小于10毫米。
[0007]優(yōu)選地，輻射面和反射體是兩個相對布置的直板或彎曲板。
[0008]優(yōu)選地，超聲空化裝置還包括:固定和調(diào)節(jié)組件，固定和調(diào)節(jié)組件用于將振體固定在支架上，通過支架的可調(diào)節(jié)支腿來調(diào)節(jié)液體薄層厚度。
[0009]優(yōu)選地，超聲空化裝置還包括:防空載組件，用于當(dāng)液體薄層中的液體少于預(yù)設(shè)液體量時斷開振體電源。
[0010]優(yōu)選地，超聲空化裝置中的振體是換能器。
[0011]本發(fā)明提供的超聲空化裝置，通過在換能器輻射面對側(cè)安置一個反射面，使得在較小的輸入功率下，在液體薄層內(nèi)的聲場強(qiáng)化形成大面積橫向鋪展的空化云，該空化云具有極高的空間體積比和很高的空化強(qiáng)度，可用于教學(xué)、科研、工業(yè)分析中處理少量液體的動植物組織、細(xì)胞、細(xì)菌、芽胞菌種的破碎，也可用于平整表面的定位清洗，以及平整表面的表面硬化、去除氧化膜等表面處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種超聲空化裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種超聲空化裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3a為本發(fā)明實(shí)施例中液體薄層超聲空化的高速攝影照片；
[0015]圖3b為本發(fā)明實(shí)施例中液體薄層厚度為2.02mm時的高速攝影照片；
[0016]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中液體薄層不同厚度的高速攝影照片；
[0017]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中液體薄層超聲空化中空化云所占的體積百分比隨液體薄層厚度的變化示意圖；
[0018]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲空化裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲空化裝置應(yīng)用場景一示意圖；
[0020]圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲空化裝置應(yīng)用場景二示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]通過以下結(jié)合附圖以舉例方式對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特征、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會更加明顯。
[0022]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種超聲空化裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該超聲空化裝置包括:振體I和反射體4，其中振體I 一端具有輻射面2，輻射面2與反射體4之間構(gòu)成一個液體薄層3。振體I用于將電能轉(zhuǎn)換為超聲波，超聲波通過輻射面2進(jìn)入到液體薄層3中，并在液體薄層3中形成聲場。
[0023]反射體4反射輻射面2輻射的超聲波，經(jīng)過反射體4和輻射面2對超聲波的多次反射和疊加，使液體薄層3內(nèi)的聲場得到強(qiáng)化，從而形成沿液體薄層3橫向鋪展的大面積的空化云。
[0024]優(yōu)選地，振體I選用換能器，液體薄層3的厚度小于10毫米，振體I的輻射面2和反射體4相對布置，可以是兩個平行直板相互平等、也可以是兩個曲率相同或相近的彎曲板構(gòu)成的一個彎曲的液體薄層?；蛘咻椛涿?和反射體4保持一個斜度，如圖4所示，此時的空化云也是薄的地方和厚的地方不同，只要最厚的地方不超過薄層的上限就可以。圖4中的液體薄層3厚度下部比上部小。
[0025]作為本發(fā)明實(shí)施例的一個改進(jìn)，超聲空化裝置還包括防空載組件(圖中未示出)，當(dāng)超聲空化裝置的液體薄層中的液體少于預(yù)設(shè)液體量時斷開振體I的電源。
[0026]需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中的液體薄層空化因?yàn)榭臻g和邊界的特殊性而呈現(xiàn)如下特征:1、因超聲能量衰減而產(chǎn)生的聲流受限；2、液體薄層空化云的產(chǎn)生更接近動力空化而非聲空化；3、空間狹小限制了空泡尺寸及空化云的縱向發(fā)展；4、周界入口截面小，流場具有特殊性。上述特性使薄層空間出現(xiàn)了全新的空化結(jié)構(gòu)。
[0027]本發(fā)明提供的液體薄層超聲空化裝置，通過在換能器輻射面對側(cè)安置一個反射面，使得在較小的輸入功率下，在液體薄層內(nèi)的聲場強(qiáng)化形成大面積橫向鋪展的空化云，該空化云具有極高的空間體積比和很高的空化強(qiáng)度，可用于教學(xué)、科研、工業(yè)分析中處理少量液體的動植物組織、細(xì)胞、細(xì)菌、芽胞菌種的破碎，也可用于平整表面的定位清洗，以及平整表面的表面硬化、去除氧化膜等表面處理。
[0028]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種超聲空化裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，該超聲空化裝置屬于一個過流式薄層空化反應(yīng)器，其包括振體I和反射體4，振體I 一端設(shè)置輻射面2，輻射面2與反射體4之間構(gòu)成一個液體薄層3。反射體4設(shè)置進(jìn)水口和出水口，振體I的外表面和反射體4內(nèi)表面分別設(shè)置有密封圈5，通過進(jìn)水口向液體薄層4中注入液體,通過出水口再將流經(jīng)液體薄層4的液體排出。
[0029]圖3a為本發(fā)明實(shí)施例中液體薄層超聲空化的高速攝影照片。液體薄層3內(nèi)的空化云橫向鋪展，隨著液體薄層3的厚度的增加將依次出現(xiàn)麻點(diǎn)狀空化云、蜂窩狀空化云、網(wǎng)狀空化云和Smoker空化云。如圖3所示，(I)圖中液體薄層厚度為0.0Omm,薄層厚度依次增大，直至(10)圖中液體薄層厚度為8.60mm時，液體薄層3中依次出現(xiàn)的空化云形態(tài)。
[0030]液體薄層3中的空化云形態(tài)、空化云中空泡的大小、空化云體積百分比隨液體薄層3的厚度和平均輻射聲強(qiáng)變化而變化，因此可以針對不同需要選擇適當(dāng)?shù)囊后w薄層3的厚度和平均輻射聲強(qiáng)。
[0031]需要說明的是，不同液體薄層厚度時的空化云的形態(tài)，根據(jù)不同的需要可選擇不同的空化云形態(tài)?？赏ㄟ^選擇不同的功率和薄層厚度實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。液體薄層內(nèi)的空化云的薄層厚度是有上限的，在這一上限之內(nèi)，空化云是連續(xù)相而未空化的水是離散相，當(dāng)超過這一上限，將出現(xiàn)分立的Smoker空化云，空化云變成離散相，而未空化的水變成連續(xù)相，此時說明反射體的影響已經(jīng)較弱，超過這一厚度就不屬于薄層空化范疇。不同的輻射面大小和不同的輻射聲強(qiáng)這一厚度上限不同，可以事先實(shí)驗(yàn)確定。
[0032]圖3b為本發(fā)明實(shí)施例中液體薄層厚度為2.02mm時的高速攝影照片。如圖3b所示，當(dāng)液體薄層3的厚度為2.02mm時，液體薄層3中的空化云不斷演化，例如(I)為Os時空化云的形態(tài)、(2)為0.95s時空化云的形態(tài)、(3)為1.74s時空化云的形態(tài)，以及(4)為
2.83s時空化云的形態(tài)。也就是說，從長時間來看液體薄層3各處都有出現(xiàn)空化的機(jī)會，具備遍歷性，從這點(diǎn)來說空化云是時間、空間均勻分布的，提出這一點(diǎn)主要是針對超聲清洗和表面處理，不至于出現(xiàn)有些地方處理不到和清洗不到的情況。
[0033]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中液體薄層超聲空化中空化云所占的體積百分比隨液體薄層厚度的變化示意圖。如圖5所示，本發(fā)明實(shí)施例液體薄層超聲空化的空化云所占的體積百分比隨薄層厚度的變化而變化，圖中顯示整體上空化云體積百分比很高，最高時達(dá)到了接近80%，具有很高的利用價值。
[0034]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲空化裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，超聲空化裝置包括振體1、反射體(圖中未示出)，以及固定和調(diào)節(jié)組件，固定和調(diào)節(jié)組件包括支架8和支腿9，固定和調(diào)節(jié)組件將振體I固定在支架8上，通過支架8的可調(diào)節(jié)支腿9來調(diào)節(jié)液體薄層的厚度。
[0035]圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲空化裝置應(yīng)用場景一示意圖。圖7是一個過流式薄層空化反應(yīng)器，可用于乳化、分離、分散、勻化、提取及加速化學(xué)反應(yīng)等等，也可用于其它聲化學(xué)處理?？捎糜谏锘瘜W(xué)、微生物學(xué)、藥物化學(xué)、表面化學(xué)、動物學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、制藥等領(lǐng)域教學(xué)、科研、檢測等。如圖7所示，超聲空化裝置包括換能器23、有機(jī)玻璃板22和玻璃板21，其中，換能器23和有機(jī)玻璃22粘接在一起，有機(jī)玻璃板22和玻璃板21構(gòu)成液體薄層24，換能器23的振動傳遞給有機(jī)玻璃22，使有機(jī)玻璃22 —起振動，這樣在玻璃板21和有機(jī)玻璃板22之間的液體薄層將發(fā)生空化，對液體中的細(xì)胞進(jìn)行破碎處理，由于玻璃板21和有機(jī)玻璃22是透明的，在光源的照射下通過顯微鏡20可以實(shí)時觀察和監(jiān)測液體內(nèi)部變化。
[0036]圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲空化裝置應(yīng)用場景二示意圖。如圖8所示，通過本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲空化裝置對人體皮膚病進(jìn)行處理，利用液體薄層內(nèi)的空泡潰滅的高溫高壓沖擊波和微射流對病灶進(jìn)行處理。
[0037]顯而易見，在不偏離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍的前提下，在此描述的本發(fā)明可以有許多變化。因此，所有對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的改變，都應(yīng)包括在本權(quán)利要求書所涵蓋的范圍之內(nèi)。本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍僅由所述的權(quán)利要求書進(jìn)行限定。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲空化裝置，其特征在于，所述裝置包括:振體和反射體，其中，所述振體一端具有輻射面，所述輻射面與所述反射體之間構(gòu)成一個液體薄層； 所述振體生成超聲波，通過所述輻射面進(jìn)入到所述液體薄層中，并在所述液體薄層中形成聲場； 所述反射體反射所述輻射面輻射的超聲波，經(jīng)過所述反射體和所述輻射面對所述超聲波的多次反射和疊加，使所述液體薄層內(nèi)的聲場得到強(qiáng)化，從而形成沿所述液體薄層橫向鋪展的大面積的空化云。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲空化裝置，其特征在于，所述液體薄層的厚度小于10毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲空化裝置，其特征在于，所述輻射面和所述反射體是兩個相對布置的直板或彎曲板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲空化裝置，其特征在于，還包括:固定和調(diào)節(jié)組件，所述固定和調(diào)節(jié)組件用于將所述振體固定在支架上，通過所述支架的可調(diào)節(jié)支腿來調(diào)節(jié)所述液體薄層厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲空化裝置，其特征在于，還包括:防空載組件，用于當(dāng)所述液體薄層中的液體少于預(yù)設(shè)液體量時斷開所述振體電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲空化裝置，其特征在于，所述振體是換能器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲空化裝置，其特征在于，所述反射體是玻璃板，所述振體包括換能器和有機(jī)玻璃板，所述玻璃板和所述有機(jī)玻璃板之間構(gòu)成一個液體薄層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲空化裝置，其特征在于，所述反射體設(shè)置進(jìn)水口和出水口，所述振體的外表面和反射體內(nèi)表面之間設(shè)置有密封圈，通過進(jìn)水口向液體薄層注入液體，通過出水口將流經(jīng)液體薄層中的液體排出。
【文檔編號】B01J19/10GK104138736SQ201410409415
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】白立新, 鄧京龍, 李超, 徐德龍, 林偉軍, 白麗榮 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所