專利名稱：用來使超聲能量在液流中聚焦的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝置，用來可控地將超聲能量聚焦到液流中一個(gè)所希望的位置，這是通過控制用來傳播聲能的超聲波發(fā)生器的形狀并且通過選擇在其中把聲能加到液體上的腔室的形狀實(shí)現(xiàn)的。這種能量的可控應(yīng)用使得人們可以改變液流的性質(zhì)，改變液流中包含的組份的性質(zhì)，或者同時(shí)改變二者。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種裝置，用來可控地將超聲能量在液流內(nèi)聚焦。該裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)生器，當(dāng)把它激發(fā)時(shí)，它由一個(gè)頂端發(fā)射出振動(dòng)形式的超聲能量。該頂端位于發(fā)生器的遠(yuǎn)端。該裝置也有一個(gè)腔室，適于用來使來自液流的液體由它中間穿過。至少一個(gè)聲學(xué)反射表面位于腔室內(nèi)，用來接受由發(fā)生器的頂端發(fā)射進(jìn)入液體中、并且把能量反射到液流內(nèi)所希望的位置的超聲能量，以對(duì)液流產(chǎn)生所希望的效應(yīng)。
在另一實(shí)施例中，通過可控地將超聲能量在液流內(nèi)聚焦，該裝置用來改變液流自身的性質(zhì)。這個(gè)裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)生器，它的終端為一個(gè)頂端，該頂端浸沒在液流中，當(dāng)把發(fā)生器激發(fā)時(shí)，它由一個(gè)頂端發(fā)射出振動(dòng)形式的超聲能量。一個(gè)腔室適于用來接受來自液流的液體，并使得液體可以由它中間穿過。該腔室有至少一個(gè)聲學(xué)反射表面和一個(gè)開孔，超聲能量穿過該開孔指向聲學(xué)反射表面。聲學(xué)反射表面將能量反射到至少一個(gè)所希望的焦點(diǎn)。
在另一實(shí)施例中，通過可控地將超聲能量在液流內(nèi)聚焦，該裝置適于用來改變液流內(nèi)包含的成份的性質(zhì)。這個(gè)裝置有一個(gè)超聲波發(fā)生器，它的終端是一個(gè)頂端，該頂端浸沒在液流中，當(dāng)把它激發(fā)時(shí)，該頂端在一個(gè)所希望的方向上發(fā)射出振動(dòng)形式的超聲能量。也設(shè)置了一個(gè)有聲學(xué)反射壁的腔室。這個(gè)腔室有適于用來接受來自液流的液體的一個(gè)入口和用來使液體流到在該腔室外面的一個(gè)位置的一個(gè)出口。聲學(xué)反射壁反射由頂端發(fā)射的能量，并將能量聚焦到在液流內(nèi)一個(gè)所希望的位置。
定義在這里使用的“液體”這個(gè)詞指的是介于氣體與固體之間的一種無定形(非結(jié)晶)形式的物質(zhì)，在這種物質(zhì)中，分子的密度比在氣體中高得多，但是比在固體中的密度低得多。液體可以有單一的組份，或者可以由多種組份構(gòu)成。這些組份可以是其它的液體，固體和/或氣體。例如，液體的特點(diǎn)在于它們能夠由于所施加的作用力的原因而流動(dòng)。通常將在施加作用力后立即流動(dòng)并且流速與所施加的作用力成正比的液體稱為牛頓液體。當(dāng)作用力施加上時(shí)，某些液體有反常的流動(dòng)響應(yīng)，并呈現(xiàn)出非牛頓流動(dòng)的性質(zhì)。
在這里使用的“節(jié)點(diǎn)”或者“波節(jié)面”這個(gè)詞指的是在超聲波發(fā)生器的機(jī)械激發(fā)軸線上的一些點(diǎn)，在超聲能量激發(fā)時(shí)，在這些點(diǎn)上不出現(xiàn)超聲波發(fā)生器的任何機(jī)械激發(fā)運(yùn)動(dòng)。在本技術(shù)中有時(shí)將節(jié)點(diǎn)稱為波節(jié)點(diǎn)或者波節(jié)面，在本文件中也使用這樣的稱呼。
在這里僅只在定性的意義上使用“緊靠近”這個(gè)詞。這就是說，這個(gè)詞意味著超聲波發(fā)生器足夠地靠近腔室的入口，以便將超聲能量主要施加到在該腔室內(nèi)包含的液體的儲(chǔ)存室上。不在確定離開腔室的具體距離的意義上使用這個(gè)詞。
在這里使用的“包括或基本上由...組成”這個(gè)詞不排除附加材料的存在，這些附加材料不會(huì)明顯地影響一種給定的成份或者產(chǎn)品所希望的特征。這一類的示例性材料包括但不限于顏料，防氧化劑，穩(wěn)定劑，表面活性劑，臘狀物，流動(dòng)促進(jìn)劑，催化劑，溶劑，顆粒，以及添加后可以增加組份的處理能力的材料。


圖1是本發(fā)明的裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖面圖；圖2是圖1的示意性剖面圖一端的放大圖；圖3是本發(fā)明的裝置的另一個(gè)實(shí)施例的示意性剖面圖；圖4-9是某些可能的腔室構(gòu)形的示意性剖面圖；圖10是表示在250PSIG壓力下超聲能量對(duì)液滴速度的影響的圖；
圖11是表示在1000PSIG壓力下超聲能量對(duì)液滴速度的影響的圖；圖12是表示在250PSIG壓力下超聲能量對(duì)流動(dòng)速度的影響的圖；圖13是表示在1000PSIG壓力下超聲能量對(duì)流動(dòng)速度的影響的圖；圖14是表示壓力對(duì)合力(或所產(chǎn)生的作用力)的影響的圖；圖15是表示在250PSIG壓力下超聲能量對(duì)合力的影響的圖；以及圖16是表示在1000PSIG壓力下超聲能量對(duì)合力的影響的圖。
具體實(shí)施例方式
一般說來，圖1示出了本發(fā)明，它包括一個(gè)裝置100，當(dāng)液體以一股液流的形式通過該裝置100時(shí)，該裝置適宜于使液體經(jīng)受聚焦的超聲能量的作用。參見圖1，該圖示出了一個(gè)示例性的裝置100，該裝置不必然按照尺寸示出，該裝置用來將超聲振動(dòng)能量施加到液流中的一個(gè)所希望的位置。在某些實(shí)施例中，裝置100可以通過入口110接受高壓下的液體。這些液體既包括牛頓液體也包括非牛頓液體。例如，這些液體可以包括油漆，涂料，環(huán)氧樹脂，塑料，食品產(chǎn)品和糖漿，乳狀液，以油為基礎(chǔ)的液體，水質(zhì)液體，熔融的金屬，瀝青液體，焦油，以及其它物質(zhì)。
如在圖1和2的實(shí)施例中所示，裝置100可以包括一個(gè)殼體102，它有一個(gè)儲(chǔ)存室104，在某些實(shí)施例中這個(gè)儲(chǔ)存室可以被包含在殼體102中?？梢允挂粋€(gè)腔室142與儲(chǔ)存室104緊密地連通。腔室142可以設(shè)有一個(gè)或多個(gè)入口160，該入口有一定的截面積和穿過入口160的一根中心軸線115，在圖1的實(shí)施例中該軸線與入口160的截面積垂直。也可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)出口孔112。一個(gè)或多個(gè)出口孔112由腔室142通到裝置100的外面，并用來使液體由殼體102通過?？梢酝ㄟ^機(jī)械加工將腔室102加工進(jìn)殼體102的壁中，或者替代地殼體102可以包括一段或多段(未示出)，當(dāng)把一段裝到另一段上時(shí)，殼體包括入口110，出口孔112，儲(chǔ)存室104，以及腔室142。
殼體102可以有第一端106和第二端108。殼體102也可以包括入口110，進(jìn)而將該入口連接到儲(chǔ)存室104上。入口110用來使要經(jīng)受超聲能量的液體通過儲(chǔ)存室104供應(yīng)給裝置100，更具體地說，供應(yīng)給腔室142。殼體102的第一端106可以在頂端136處終止。頂端136可以包括一個(gè)可以分開的可以替換的部件，如在圖1中所示出的那樣。
另外，圖2示出了作為殼體102的一個(gè)整體部件的頂端136。還有，不要求頂端136如在圖1和2中所示出的那樣由殼體102伸出。位于頂端136中的出口孔112適宜于接收來自腔室142的液體，并且將液體由殼體102輸送出。
對(duì)于附加的細(xì)節(jié)參見圖2，可以看到可以將腔室142設(shè)置在儲(chǔ)存室104與出口孔112之間。在某些實(shí)施例中，腔室142用作把能量指向的一個(gè)點(diǎn)，體積或者區(qū)域。然而，在下面將解釋的其它實(shí)施例中，可以將能量聚焦到腔室142的外面，甚至聚焦到出口孔112的外面。使來自腔室142現(xiàn)在由于施加超聲能量而被激發(fā)的液體通到出口孔，并且穿過出口孔112?？梢灾苯訉⑶皇?42連接到出口孔112上，或者替代地通過帶錐度的壁144把二者相互連接起來，這些帶錐度的壁可以形成腔室142的一部分，如在圖1和2中所示出的那樣。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，出口孔112的直徑可以比大約0.1英寸(2.54毫米)小。例如，出口孔112的直徑可以為由大約0.0001到大約0.1英寸(0.00254到2.54毫米)。作為進(jìn)一步的示例，出口孔112的直徑可以為由大約0.001到大約0.01英寸(0.0254到0.254毫米)。腔室142在帶錐度的壁144終止的直徑可以為大約0.125英寸(大約3.2毫米)，進(jìn)而通到出口孔112。帶錐度的壁144可以為截頭圓錐形，然而，也可以設(shè)想其它的構(gòu)形。例如，圖2的實(shí)施例示出的帶錐度的壁144有大約30度的收縮角，如在由穿過帶錐度的壁144的一條中心軸線115測(cè)量時(shí)。而圖3的實(shí)施例示出了當(dāng)由穿過帶錐度的壁144的一條中心軸線115測(cè)量時(shí)彎曲的形狀。
設(shè)置了一個(gè)超聲波發(fā)生器，比如在圖1中示出的一個(gè)超聲發(fā)生器(或超聲喇叭)116。該超聲波發(fā)生器可以包括超聲發(fā)生器116，以及其它的超聲波發(fā)生器。圖1的超聲發(fā)生器116有第一端118，第二端120，波節(jié)點(diǎn)或波節(jié)面122，一根機(jī)械激發(fā)軸線124，以及一個(gè)頂端150。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，可以使超聲發(fā)生器116安裝的方式使得將最小的振動(dòng)能量傳遞給殼體102，特別是傳給出口孔112的振動(dòng)能量最小。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在某些實(shí)施例中比如在圖1中所示的實(shí)施例中，可以基本上在波節(jié)面122將超聲發(fā)生器116裝到殼體102上，使得發(fā)生器116僅只一部分與殼體102接觸，接觸的那部分是位于波節(jié)面122上的那部分。此外，可以將發(fā)生器116安裝成使得頂端150位于儲(chǔ)存室104內(nèi)。為了確保將最大量的超聲能量傳輸進(jìn)液體中，超聲發(fā)生器116的頂端150的面積可以等于由腔室142的入口160確定的面積。
如在圖1中所示，可以將超聲發(fā)生器116設(shè)置在殼體102的第二端108，并且把它緊固在它的節(jié)點(diǎn)122，其方式使得發(fā)生器116的第一端118位于殼體102的外面，而第二端120位于殼體102的里面，在儲(chǔ)存室104內(nèi)，緊靠近到腔室142的入口160所確定的一個(gè)入口平面161，但是不橫截著該入口平面伸展。
雖然沒有示出，但是替代地，發(fā)生器116的第一端118和第二端120可以都設(shè)置在殼體102內(nèi)，只要由發(fā)生器116到殼體102的機(jī)械振動(dòng)能量的傳輸、特別在出口孔112處達(dá)到最小就可以。
現(xiàn)在參見圖2，超聲發(fā)生器116的頂端150有一個(gè)截面積。如前面說明的那樣，腔室142的入口160有一個(gè)入口平面161，它有一個(gè)相應(yīng)的截面積。在某些可能希望要的實(shí)施例中，穿過頂端150的截面積的一根中心軸線125與縱向的機(jī)械激發(fā)軸線124相對(duì)應(yīng)或者重合，而穿過入口平面161的中心軸線115與穿過腔室142的第一軸線114相對(duì)應(yīng)或者重合。
如在圖2中所示，第一軸線114和機(jī)械激發(fā)軸線124可以基本上共軸線地對(duì)準(zhǔn)。頂端150的截面積和入口平面161的截面積在面積上也可以基本上相等，如上面描述過的那樣。在某些實(shí)施例中，比如在圖2的實(shí)施例中，頂端150或者發(fā)生器116的端部可以都與到腔室142的入口160共軸線地對(duì)準(zhǔn)，并處于平行地分離開的關(guān)系，并且可以基本上處于緊靠近的狀態(tài)。這種構(gòu)形用來將更多的振動(dòng)能量聚焦到在腔室142內(nèi)包容的液體中。
還有，在某些實(shí)施例中，比如在圖1-3中示出的實(shí)施例中，第一軸線114和超聲發(fā)生器116的機(jī)械激發(fā)軸線124基本上平行。在某些實(shí)施例中，第一軸線114與機(jī)械激發(fā)軸線124基本上重合。在其它實(shí)施例中，第一軸線114與機(jī)械激發(fā)軸線124實(shí)際上重合，如在圖1和2中所示出的那樣。
然而如果愿意，發(fā)生器116的機(jī)械激發(fā)軸線124可以關(guān)于第一軸線114處于某種角度。例如，發(fā)生器116可以穿過殼體102的一個(gè)壁130伸展(未示出)，而不是穿過一端106，108伸展。還有，不管第一軸線114還是發(fā)生器116的機(jī)械激發(fā)軸線124都不需要是豎直方向的。
如已經(jīng)說明的那樣，在這里使用的“緊靠近”這個(gè)詞意味著在圖中示出的超聲波發(fā)生器或者超聲發(fā)生器116足夠地靠近入口平面161，使得當(dāng)液流由腔室142通過進(jìn)入、并流過出口孔112時(shí)，將超聲能量主要施加到在腔室142中包容的液體上。
在超聲發(fā)生器116的頂端150與出口孔112的外部末端113之間在任何給定的情況下的實(shí)際距離將取決于多個(gè)因素，這些因素中的某些因素是流速和/或高壓液體的粘性，超聲發(fā)生器116的頂端150的截面積相對(duì)于出口孔112的截面積的大小，超聲發(fā)生器116的頂端150的截面積相對(duì)于腔室142的入口平面161的截面積的大小，超聲能量的頻率，超聲波發(fā)生器的增益(或者超聲發(fā)生器116的機(jī)械激發(fā)的程度)，高壓液體的溫度，以及液體通過出口孔112的速度。
一般說來，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地確定在超聲發(fā)生器116的頂端150與在殼體102的第一端106的出口孔112的外部末端113之間在任何給定的情況下的距離，而不用過多的試驗(yàn)。實(shí)際上，這一距離可以在由大約0.002英寸(大約0.05毫米)到大約1.3英寸(大約33毫米)，但是可以采用更大的距離。盡管如此，在超聲發(fā)生器116的頂端150與通到腔室142的入口平面161之間的距離范圍可以在由大約0英寸(大約0毫米)到大約0.100英寸(大約2.5毫米)。
在超聲發(fā)生器116的頂端150與入口平面161之間的距離決定了能量損失到在儲(chǔ)存室104中的液體中的程度。這樣，頂端150與入口平面161之間的距離越大，損失到?jīng)]有包容在腔室142的液體中的能量越多。結(jié)果，為了使能量損失，高壓液體的變壞，以及其它由于液體暴露給超聲能量可能造成的其它負(fù)面效果達(dá)到最小，可能希望有較短的距離。在某些實(shí)施例中，這些距離的范圍由頂端150大約沒有任何橫截著腔室142的入口平面161的伸出到在頂端150與入口平面161之間分開大約0.010英寸(大約0.25毫米)。在至少一個(gè)可能所希望的實(shí)施例中，頂端150與入口平面161之間分開大約0.005英寸(大約0.13毫米)的距離。
為了在發(fā)生器116中產(chǎn)生超聲振動(dòng)，超聲發(fā)生器116自身還可以包括一個(gè)振動(dòng)器220，如在圖3中所示出的那樣，將它連接到發(fā)生器116的第一端118上。該振動(dòng)器220可以是一個(gè)壓電換能器，或者是一個(gè)磁致伸縮換能器。
可以將該振動(dòng)器220直接連接到發(fā)生器上，如在圖3中所示出的那樣，或者借助于一個(gè)波導(dǎo)(未示出)實(shí)現(xiàn)連接。細(xì)長(zhǎng)的波導(dǎo)可以有任何要求的輸入∶輸出激發(fā)比，但是，1∶1和1∶1.5的比值對(duì)于許多應(yīng)用來說是典型的。超聲能量典型的頻率由大約15kHz到大約500kHz，但是也可以設(shè)想其它的頻率。振動(dòng)器220使發(fā)生器116沿著機(jī)械激發(fā)軸線124振動(dòng)。在本實(shí)施例中，超聲發(fā)生器116將關(guān)于波節(jié)面122以振動(dòng)器220施加給第一端118的超聲頻率振動(dòng)。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，超聲發(fā)生器116可以部分地或者全部由一種磁致伸縮材料構(gòu)成。在這些實(shí)施例中，可以用一個(gè)線圈(也可以將它浸在液體中)圍繞著發(fā)生器116，該線圈可以將信號(hào)引進(jìn)磁致伸縮材料中，使它以超聲頻率振動(dòng)。在這樣的情況下，超聲發(fā)生器116可以同時(shí)作為振動(dòng)器220和超聲發(fā)生器116自身。在任何情況下，當(dāng)啟動(dòng)發(fā)生器116使由超聲發(fā)生器116的頂端150發(fā)射出的振動(dòng)能傳輸?shù)桨菰谇皇?42內(nèi)的液體中。
圖4到7示出了腔室142的可能的實(shí)施例。這些圖中的每個(gè)圖進(jìn)一步示出了超聲波發(fā)生器的頂端150。示出了由頂端150發(fā)出的用力線162表示的聲能。如所示出的那樣，聲能以一個(gè)互補(bǔ)的角度由反射表面164反射，在這里的情況下腔室142的側(cè)壁形成了這些反射表面。更具體地，參見圖4，示出了聲能作用力線162服從反射定律，表明當(dāng)一束能量線由一個(gè)表面反射時(shí)，入射角ΘI等于反射角ΘR。換句話說，如果與在一條作用力線162碰到的反射表面164上的一點(diǎn)垂直地示出一條線N，那么，作用力線162碰到表面164關(guān)于線N的角度或者入射角ΘI等于由表面164反射的作用力線162關(guān)于同一根線N的角度或者反射角ΘR。
至少部分地取決于反射表面164的構(gòu)形和聲能碰到反射表面164的入射角ΘI，可以將能量聚焦到在液流中的一個(gè)所希望的點(diǎn)或者區(qū)域。參見圖4和5，可以看到，當(dāng)對(duì)于頂端150以直線關(guān)系設(shè)置時(shí)反射表面164將把能量集中到腔室142內(nèi)的一個(gè)中心區(qū)域中，形成與出口孔112的軸線115重合的一根聚焦線166。圖6和7示出了腔室142，它有彎曲的反射表面164，可以把能量集中到一個(gè)更集中的區(qū)域或者點(diǎn)168，該點(diǎn)與出口孔112的軸線115重合。
雖然圖4到7示出的實(shí)施例中對(duì)腔室142的形狀作了處理，但是在圖8示出的實(shí)施例中也改變了超聲波發(fā)生器的頂端150的形狀，使得超聲能量在所希望的方向上傳播。通過改變頂端150的形狀，可以使得能量集中到更靠近出口孔112或者更多地離開出口孔112，并且可以甚至集中在出口孔內(nèi)，如在圖8中所示出的那樣。未示出的一些構(gòu)形設(shè)想焦點(diǎn)168可以越過出口孔112，到達(dá)在殼體102外面的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)區(qū)域。還有，可以一起選擇超聲波發(fā)生器的頂端150和反射表面164的形狀，為的是獲得所希望的效果。例如，在圖8和9示出的實(shí)施例中將能量聚焦到多個(gè)焦點(diǎn)168以及聚焦線上，所有這些點(diǎn)或線與出口孔112的軸線重合。
可以控制反射表面164和頂端150，使它們一起工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)于液流的多種所希望的效果，例如提高液體的流速，使液體霧化，使液體乳化，和/或使液體產(chǎn)生空穴。將能量集中在一根聚焦線比如在圖4和5中示出的聚焦線166上對(duì)于使在液流中可能包含的成份經(jīng)受較高的能量可能是有用的。例如，可能希望液流中包含的污染物比如病菌和顆粒物經(jīng)受較高的能量，并且經(jīng)受較長(zhǎng)的時(shí)間，將能量聚焦到聚焦線166中使得可以實(shí)現(xiàn)這一要求。替代地，在希望有較高能量強(qiáng)度的情況下，可能希望將能量聚焦到一個(gè)點(diǎn)或者一些點(diǎn)，比如在圖5和6中所示出的那樣。例如在所希望的乳化液流、或者提高流動(dòng)速度的情況下，將能量聚焦到焦點(diǎn)168使得可以實(shí)現(xiàn)這些要求。還有，適當(dāng)?shù)剡x擇在腔室142內(nèi)的焦點(diǎn)可能影響液流的混合，稀釋和霧化的程度。
在每個(gè)示出的實(shí)施例中，腔室壁用作反射表面164。然而，在腔室142中可以選擇性地設(shè)置其它部件比如隔板，或者附加的壁(未示出)，全部地或者部分地實(shí)現(xiàn)這一功能。本發(fā)明還設(shè)想可以相互交換的可以由使用者選擇的超聲波發(fā)生器和/或頂端150，將這些發(fā)生器和/或頂端的構(gòu)形做成使由頂端150發(fā)出的超聲波指向適當(dāng)?shù)姆较?，完成?jì)劃的任務(wù)。本發(fā)明也設(shè)想可以相互交換的可以由使用者選擇的腔室142和/或反射表面164，使超聲波能量的方向指向或者反射到適當(dāng)?shù)姆较颍瓿捎?jì)劃的任務(wù)。
在工作時(shí)，腔室142直接由儲(chǔ)存室104接受液體，并且使液體流到一個(gè)或多個(gè)出口孔112。使在腔室142中包含的液體經(jīng)受由超聲發(fā)生器116提供的超聲能量。在工作過程中，一小部分能量可能損失到在儲(chǔ)存室104自身內(nèi)包含的液體，但是只要使超聲發(fā)生器116與殼體102脫開，或者替代地把超聲發(fā)生器在波節(jié)面122緊固到殼體102上，就可以使能量的非常明顯的大部分指向腔室142內(nèi)包容的液體，而不會(huì)明顯地使出口孔112自身震動(dòng)。使由發(fā)生器116傳輸?shù)皆谇皇?42內(nèi)包容的液體中的能量達(dá)到最大的一種方式是除了發(fā)生器116的頂端150自身(該頂端用作把能量輸入液體的輸入源)以外，使與發(fā)生器116自身的震動(dòng)即沿著機(jī)械激發(fā)軸線124垂直的發(fā)生器116的任何表面減到最小，或者希望完全消除這樣的表面。通過適當(dāng)?shù)剡x擇頂端150關(guān)于到達(dá)腔室142的入口160的形狀和反射表面164的設(shè)置，可以把超聲能量聚焦到在腔室142自身內(nèi)包容的液體中所希望的區(qū)域。
裝置100的尺寸和形狀可以在很寬的范圍內(nèi)變化，這至少部分地取決于出口孔112的數(shù)目和安排，以及超聲發(fā)生器116的工作頻率。例如，殼體102可以是圓柱形的，長(zhǎng)方形的，或者任何其它形狀。還有，因?yàn)闅んw102可以有多個(gè)出口孔112，可以以一定的圖案安排這些出口孔112，這包括但不限于直線的圖案或者圓形的圖案。還有，出口孔112的截面形狀和出口孔112關(guān)于機(jī)械激發(fā)軸線124的取向不能對(duì)于裝置100的使用造成任何負(fù)面的影響。
可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)將超聲能量施加到多個(gè)出口孔112上。例如，再次參見圖3，發(fā)生器116的第二端120的截面積可以足夠地大，使得可以將超聲能量施加到在殼體102內(nèi)所有的出口孔112附近的那部分液體上。
本發(fā)明的裝置100的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可以把它制作成可以自己進(jìn)行清理。將液體供應(yīng)給儲(chǔ)存室104的壓力與用超聲波激發(fā)超聲發(fā)生器116合力結(jié)合起來可以除去出現(xiàn)的堵塞出口孔112的障礙，而不用明顯地震動(dòng)殼體102和出口孔112。
按照本發(fā)明，當(dāng)用超聲能量激發(fā)超聲發(fā)生器116同時(shí)出口孔112通過通道142接收來自儲(chǔ)存室104的高壓液體并使液體由殼體102流出時(shí)，出口孔112可以實(shí)現(xiàn)自清理。超聲能量所施加的震動(dòng)會(huì)改變高粘性液體的表觀粘性和流動(dòng)特點(diǎn)。
還有，震動(dòng)也會(huì)改進(jìn)流過裝置100的液體的流速，而不用提高液體供應(yīng)的壓力或溫度。震動(dòng)會(huì)使得粘附在出口孔112上的污染物破碎并且流出。震動(dòng)也可以造成液體與其它成份(例如液體成份)或者在液流中可能存在的添加物的乳化，并且使得添加物和污染物可以在這些液體中保持被乳化的狀態(tài)。
用下面的示例進(jìn)一步地描述本發(fā)明。然而，不要認(rèn)為這些示例以任何方式對(duì)本發(fā)明的精神或者范圍有限制。
示例超聲發(fā)生器裝置下面描述在圖中一般性地示出的本發(fā)明的一種示例性超聲發(fā)生器裝置，該裝置有上面描述過的特點(diǎn)中的某些特點(diǎn)。
參見圖1，該裝置的殼體102為一個(gè)圓柱體，其外徑為1.375英寸(大約34.9毫米)，內(nèi)徑為0.875英寸(大約22.2毫米)，而長(zhǎng)度為3.086英寸(大約78.4毫米)。殼體的第二端108的0.312英寸(大約7.9毫米)的外部有16間距的螺紋。第二端的內(nèi)側(cè)面有一個(gè)斜面的邊緣126或者腔室，由第二端的表面128朝向第一端106伸展一個(gè)0.125英寸(大約3.2毫米)的距離。腔室使得殼體在第二端的表面的內(nèi)徑減小到0.75英寸(大約19.0毫米)。在殼體中鉆出一個(gè)入口110(也被稱為入口孔)，該孔的中心離開第一端0.688英寸(大約17.5毫米)，并且該入口攻有螺紋。殼體的內(nèi)壁由一個(gè)圓柱形部分130和一個(gè)截頭圓錐部分132構(gòu)成。圓柱形部分由在第二端的腔室朝向第一端伸展到離開第一端的表面小于0.992英寸(大約25.2毫米)的距離。截頭圓錐部分由圓柱形部分伸展一個(gè)0.625英寸(大約15.9毫米)的距離，在第一端帶螺紋的開孔134處終止。帶螺紋的開孔的直徑為0.375英寸(大約9.5毫米)；這個(gè)開孔的長(zhǎng)度為0.367英寸(大約9.3毫米)。
頂端136位于第一端的帶螺紋的開孔中。該頂端由一個(gè)帶螺紋的柱體構(gòu)成，它有一個(gè)圓形的肩部140。該肩部的厚度為0.125英寸(大約3.2毫米)，并且有分離開0.5英寸(大約12.7毫米)的兩個(gè)平行的表面(未示出)。在該肩部鉆出一個(gè)出口孔112(也被稱為擠壓孔)，該孔朝向帶螺紋的部分伸展一個(gè)0.087英寸(大約2.2毫米)的距離。出口孔的直徑為0.0145英寸(大約0.37毫米)。出口孔在頂端內(nèi)在直徑為0.0145英寸(大約0.37毫米)的一個(gè)腔室和錐形接頭帶錐度的壁144處終止，該帶錐度的壁將腔室與出口孔112連接起來。帶錐度的壁144與豎直方向形成一個(gè)30度的角度。通道142由出口孔112伸展到入口平面161，從而將殼體102形成的儲(chǔ)存室104與出口孔112連接起來。
超聲波發(fā)生器是一個(gè)圓柱形的超聲發(fā)生器116。把該發(fā)生器通過機(jī)械加工成在20kHz的頻率諧振。該發(fā)生器的長(zhǎng)度為5.198英寸(大約132.0毫米)，這個(gè)長(zhǎng)度等于諧振波長(zhǎng)的一半，它的直徑為0.75英寸(大約19.0毫米)。在發(fā)生器116的第一端118的表面146上鉆孔并攻有螺紋，用于一個(gè)3/8英寸(大約9.5毫米)的雙頭螺栓(未示出)。在波節(jié)點(diǎn)122處將發(fā)生器116機(jī)械加工出一個(gè)頸圈148。該頸圈的寬度為0.094英寸(大約2.4毫米)，由發(fā)生器的圓柱形表面向外伸展0.062英寸(大約1.6毫米)。在頸圈148處將發(fā)生器116固定到殼體102上。通過在發(fā)生器的波節(jié)點(diǎn)將發(fā)生器固定到殼體上，消除了或者至少是明顯地減少了震動(dòng)能量向殼體的傳輸。在頸圈處發(fā)生器116的直徑為0.875英寸(大約22.2毫米)。發(fā)生器的第二端120在一個(gè)小的圓柱形頂端150終止，該頂端的長(zhǎng)度為0.125英寸(大約3.2毫米)，直徑為0.125英寸(大約3.2毫米)。一個(gè)拋物形截頭部分152把這個(gè)頂端150與發(fā)生器的圓柱形本體分開，該截頭部分的長(zhǎng)度大約為0.5英寸(大約13毫米)。這就是說，這個(gè)截頭部分的曲線當(dāng)在截面上看時(shí)形狀為拋物面。小的圓柱形頂端150的表面與發(fā)生器的圓柱形的壁垂直，并將它設(shè)置在離開橫過到腔室的入口的平面大約0.005英寸(大約0.13毫米)的位置。因此，發(fā)生器的頂端的表面即發(fā)生器的第二端150位于緊挨著到腔室的入口的上面，并且與橫過到腔室的入口的平面有相同的面積。
用一個(gè)帶螺紋的帽蓋154將殼體的第二端108密封，也使用該帽蓋把超聲發(fā)生器固定在其位置。螺紋向上朝向帽蓋的頂部伸展一個(gè)0.312英寸(大約7.9毫米)的距離。帽蓋的外徑為2.00英寸(大約50.8毫米)，而帽蓋的長(zhǎng)度或厚度為0.531英寸(大約13.5毫米)。將帽蓋中的開孔的尺寸做成適應(yīng)發(fā)生器；這就是說，該開孔的直徑為0.75英寸(大約19.0毫米)。開孔在帽蓋中的邊緣是一個(gè)腔室156，該腔室是殼體第二端的腔室的鏡像復(fù)制品。帽蓋在腔室處的厚度為0.125英寸(大約3.2毫米)，在螺紋的端部與腔室的底部之間留下一個(gè)0.094英寸(大約2.4毫米)的空間，該空間與在發(fā)生器上頸圈的長(zhǎng)度相同。這個(gè)空間的直徑為1.104英寸(大約28.0毫米)。在帽蓋的頂部158中鉆出四個(gè)直徑為1/4英寸深度為1/4英寸的孔(未示出)，它們的間隔為90度，與一個(gè)銷柱扳手相適應(yīng)。因此，當(dāng)擰緊帽蓋時(shí)，把發(fā)生器的頸圈壓在兩個(gè)腔室之間，從而將殼體形成的儲(chǔ)存室密封。
一個(gè)Branson細(xì)長(zhǎng)的鋁波導(dǎo)的機(jī)械激發(fā)輸入與輸出比為1∶1.5，借助于一個(gè)3/8英寸(大約9.5毫米)雙頭螺栓將這樣一個(gè)波導(dǎo)連接到超聲發(fā)生器上。將一個(gè)壓電換能器(a Branson Model 502Converter)連接到細(xì)長(zhǎng)的波導(dǎo)上，由在20kHz頻率下工作的BransonModel 1120 Power Supply(Branson Sonic Power Company，Danbury，Connecticut)對(duì)該換能器供電。用Branson Model A104A Wattmeter監(jiān)測(cè)功率消耗。
示例1試驗(yàn)了頂端136的兩個(gè)構(gòu)形，以便確定超聲能量對(duì)流速，被霧化的顆粒尺寸和顆粒速度的影響。第一種構(gòu)形與圖4示出的相同，實(shí)際上試驗(yàn)了有這種構(gòu)形的兩種不同的頂端。將這些頂端標(biāo)記為噴嘴#3和噴嘴#4。每個(gè)頂端或噴嘴的所有尺寸都相同，差別只在于噴嘴#3的出口孔112是一根毛細(xì)管，其直徑“D”如在圖4中所示出的那樣為0.006英寸(大約0.15毫米)，而噴嘴#4的出口孔112是一根毛細(xì)管，其直徑”D”為0.008英寸(大約0.20毫米)。
圖7與第二種構(gòu)形類似，差別在于為了試驗(yàn)，頂端136僅只有單一的出口孔112，而不是在圖7中的兩個(gè)出口孔。為了試驗(yàn)的目的，將這兩種構(gòu)形標(biāo)記為“EMD噴嘴”。
用來確定液體的顆粒尺寸和速度的儀器是Aerometrics phase-doppler particle analyzer。采用標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)流量計(jì)確定流速。用來進(jìn)行試驗(yàn)的液體是2號(hào)柴油燃料，它的密度為0.81g/ml，粘度為2.67centistokes。
在壓力250，1000和2000psi下超聲電源接通和關(guān)斷的條件下獲得數(shù)據(jù)。在下面的表I可以找到這些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表。標(biāo)記為“合力(N/1000)”的那列數(shù)據(jù)是由速度和質(zhì)量流速的讀數(shù)計(jì)算出來的。
表1 AEROMETRICS試驗(yàn)的最后結(jié)果的匯總


以Aerometrics單位提供了一種重要的測(cè)量，即液滴速度，在上面的表中以“平均速度”為標(biāo)記。由于超聲使速度提高是明顯的和一致的，不管壓力如何。對(duì)于噴嘴#3這種提高在20％與30％之間，如表中數(shù)據(jù)所示出的那樣。在圖10和11中分別示出了對(duì)于不同的噴嘴在250和1000PSIG壓力下對(duì)速度的效應(yīng)的進(jìn)一步比較。在每種情況下，施加超聲波提高了液滴速度。EMD注入噴嘴顯示出速度的提高最明顯，并且在較高的注入壓力下顯示出這種提高。
在較高的注入壓力下，有施加的超聲波的流速接近正常條件下的流速。圖12和13示出了用不同的噴嘴對(duì)于250和1000PSIG壓力下的試驗(yàn)的流速。當(dāng)在較高的壓力下施加超聲波時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴的尺寸增加時(shí)流速傾向于提高。當(dāng)施加超聲波時(shí)，EMD噴嘴顯示出流速的明顯提高。通過反復(fù)的試驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)，當(dāng)把超聲功率開關(guān)接通時(shí)，流量計(jì)立即向上跳躍。
圖14示出了對(duì)于噴嘴#3以Newton×0.001-3為單位的計(jì)算出的合力?？梢酝ㄟ^速度乘以流速得到以Newton為單位的合力。發(fā)現(xiàn)將超聲添加到噴霧中在所有的條件下造成較高的合力，并且當(dāng)壓力升高時(shí)這種提高較大。對(duì)于其它噴嘴構(gòu)形也注意到這樣的效果。圖15和16分別示出了對(duì)于三種噴嘴在250和1000PSIG壓力下合力。在合力中最大的提高出現(xiàn)在1000PSIG壓力下用EMD噴嘴的條件下。這顯示已經(jīng)將明顯數(shù)量的超聲能量由超聲發(fā)生器傳輸?shù)絿婌F中。
表I和圖12和13都顯示出通過施加超聲波，在標(biāo)號(hào)3和4的兩種頂端構(gòu)形中液體流速都保持相同，或者降低。然而在相同的條件下，通過頂端EMD噴嘴的流速提高，顯示出在反射表面164與在圖7中示出的反射表面類似的頂端中會(huì)將超聲能量更有效地傳輸?shù)揭后w中。
相關(guān)的專利和申請(qǐng)本申請(qǐng)是一組公開授予的專利和專利申請(qǐng)中的一個(gè)。這組專利和申請(qǐng)包括以L.K.Jameson等人名義的題目為”An Apparatus AndMethod For Emulsifying A Pressurized Multi-Component Liquid”公文號(hào)No.12535的申請(qǐng)序列號(hào)No.08/576543；以L.H.Gipson等人名義的題目為”An Apparatus And Method For UltrasonicallyProducing A Spray of Liquid”公文號(hào)No.12536的申請(qǐng)序列號(hào)No.08/576536，現(xiàn)在的已經(jīng)批準(zhǔn)的美國(guó)專利6053424；以L.H.Gipson等人名義的題目為”Ultrasonic Fuel Injection Method AndApparatus”公文號(hào)No.12537的申請(qǐng)序列號(hào)No.08/576522；以B.Cohen等人名義的題目為”An Ultrasonic Apparatus And Method ForIncreasing The Flow Rate Of A Liquid Through An Orifice”公文號(hào)No.12538的申請(qǐng)序列號(hào)No.08/576174，現(xiàn)在的已經(jīng)批準(zhǔn)的美國(guó)專利5803106；以及以B.Cohen等人名義的題目為”An UltrasonicFlow Control Apparatus And Method”公文號(hào)No.12539的申請(qǐng)序列號(hào)No.08/576175，現(xiàn)在的已經(jīng)批準(zhǔn)的美國(guó)專利5868153；以L.K.Jameson等人名義的題目為”Ultrasonic Fuel Injector withCeramic Valve Body”公文號(hào)No.15781的臨時(shí)申請(qǐng)60/254737；以L.K.Jameson等人名義的題目為”Unitized Injector Modified forUltrasonically Stimulated Operation”公文號(hào)No.15872的臨時(shí)申請(qǐng)60/254683；以L.K.Jameson等人名義的題目為”Ultrasonically Enhanced Continuous Flow Fuel InjectionApparatus and Method”公文號(hào)No.15810的臨時(shí)申請(qǐng)60/257593；以及以L.K.Jameson等人名義的題目為”Apparatus and Method toSelectively Microemulsify Water and Other Normally ImmiscibleFluids into the Fuel of Continuous Combustors at the Point ofInjection”的臨時(shí)申請(qǐng)60/258194。在這里將這些申請(qǐng)中的每個(gè)申請(qǐng)的內(nèi)容結(jié)合進(jìn)來作為參考。
盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，將會(huì)認(rèn)識(shí)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過理解上面的內(nèi)容可以容易地設(shè)想出這些實(shí)施例的改型，變化，以及等價(jià)物。因此，應(yīng)該把本發(fā)明的范圍規(guī)定為所附的權(quán)利要求書的范圍和它的任何等價(jià)物。
權(quán)利要求
1.一種用來可控地將超聲能量在液流內(nèi)聚焦的裝置，它包括超聲波發(fā)生器，當(dāng)把它激發(fā)時(shí)，它由位于該發(fā)生器的遠(yuǎn)端的頂端發(fā)射出超聲振動(dòng)能量；腔室，其適于用來使液體由它中間穿過；至少一個(gè)位于腔室內(nèi)的聲學(xué)反射表面，用來接受由發(fā)生器的頂端發(fā)射進(jìn)入液體中并且把能量反射到所希望的位置的超聲能量。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，超聲波發(fā)生器包括超聲發(fā)生器。
3.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，腔室包括入口和出口。
4.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面包括腔室的至少一個(gè)壁。
5.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面將超聲能量聚焦到腔室內(nèi)的點(diǎn)。
6.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面將超聲能量聚焦到腔室外面的點(diǎn)。
7.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面將超聲能量聚焦到腔室內(nèi)的區(qū)域。
8.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面將超聲能量聚焦到腔室外面的區(qū)域。
9.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其適于用來實(shí)現(xiàn)自清理。
10.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，超聲波發(fā)生器包括波節(jié)面。
11.按照權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，超聲波發(fā)生器被固定在波節(jié)面上。
12.一種適于通過可控地將超聲能量在液流內(nèi)聚焦來改變液流的性質(zhì)的裝置，它包括超聲波發(fā)生器，它包括頂端，當(dāng)把它激發(fā)時(shí)，該頂端發(fā)射出超聲振動(dòng)能量，該頂端被浸沒在液流中；腔室，其適于用來接受液體，并使得液體由它中間穿過，該腔室包括至少一個(gè)聲學(xué)反射表面和開孔，超聲能量穿過該開孔指向聲學(xué)反射表面；其中，聲學(xué)反射表面將能量反射到至少一個(gè)所希望的焦點(diǎn)。
13.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，超聲波發(fā)生器包括超聲發(fā)生器。
14.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，腔室包括入口和出口。
15.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面包括腔室的至少一個(gè)壁。
16.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面將超聲能量聚焦到腔室內(nèi)的點(diǎn)。
17.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面將超聲能量聚焦到腔室外面的點(diǎn)。
18.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面將超聲能量聚焦到腔室內(nèi)的區(qū)域。
19.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)反射表面將超聲能量聚焦到腔室外面的區(qū)域。
20.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，其適于用來實(shí)現(xiàn)自清理。
21.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，超聲波發(fā)生器包括波節(jié)面。
22.按照權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，超聲波發(fā)生器被固定在波節(jié)面上。
23.一種用于通過可控地將超聲能量在液流內(nèi)聚焦來改變液流內(nèi)所包含的成份的性質(zhì)的裝置，它包括超聲波發(fā)生器，它包括頂端，當(dāng)把它激發(fā)時(shí)，該頂端在所希望的方向上發(fā)射出超聲振動(dòng)能量，該頂端被浸沒在液流中；有聲學(xué)反射壁的腔室，該腔室有適于用來接受液體的入口和用來使液體流到在該腔室外面的位置的出口；其中，聲學(xué)反射壁反射由頂端發(fā)射的能量，并將能量聚焦到在液流內(nèi)所希望的位置。
全文摘要
一種用來可控地將超聲能量聚焦到在液流內(nèi)一個(gè)所希望的位置的裝置，實(shí)現(xiàn)這一目的是靠控制用來傳播超聲能量的波發(fā)生器的形狀以及通過選擇腔室的形狀，在該腔室內(nèi)將超聲能量施加到液體上。當(dāng)激發(fā)超聲波發(fā)生器時(shí)，在液體流過殼體時(shí)，該發(fā)生器將超聲能量施加到包容在腔室內(nèi)的高壓液體，而不會(huì)使出口孔產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)。
文檔編號(hào)H04R15/00GK1698094SQ02822395
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2002年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月26日
發(fā)明者L·K·詹森 申請(qǐng)人:金伯利-克拉克環(huán)球有限公司