[發明專利]用低頻高能超聲波對液體超聲的方法與裝置

有效

• 申請號: 200680032550.5
• 申請日: 2006-11-28
• 公開（公告）號: CN101257967A
• 公開（公告）日: 2008-09-03
• 發明（設計）人: 哈拉爾德·希爾舍;霍爾格·希爾舍;托馬斯·希爾舍
• 申請（專利權）人: 希爾舍博士有限責任公司
• 主分類號: B01J19/10
• 分類號: B01J19/10;B01J19/00;B01J19/26
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司
• 代理人: 徐金國

技術領域

本發明涉及一種用低頻高能超聲波對液體超聲的方法與裝置，它由一個低頻高能超聲波系統組成，其具有至少一個超聲波探頭，伸出在一個反應器容器中，液體經至少一個入口孔和至少一個出口孔流經該容器。

背景技術

低頻高能超聲波(NFLUS)是工作頻率為15～100kHz，優選地為15～60kHz，比如20kHz，和超聲波功率為10W以上，優選地為100～20,000W，比如8,000W的超聲波。為產生超聲波，要應用比如壓電或磁致系統。已知有線性的聲轉換器，以及扁平的或弧形的板式振動器或管式諧振器。低頻高能超聲波大量應用在液體處理方面，如食品、化妝品、顏料和納米材料。低頻高能超聲波對被處理液體的作用主要基于在液體中產生的空化現象(cavitation)。通過使液體超聲，可產生空化。空化已知能使超聲波探頭表面磨損，該表面(傳播振動的超聲波探頭表面)用于將大振幅振動在液體介質中傳播。這種超聲波探頭材料比如鈦的銷蝕材料被釋放在發聲液體中。該磨損因此導致更換超聲波探頭的成本和被超聲液體的早污染。

為減少或抑止這種材料銷蝕和磨損，已經采用了不同的方法。

根據DE?199?38?254.9，在一個用低頻高能超聲波產生聲波的反應器容器中產生一個壓力，該壓力完全或不斷地抑止在該反應器容器中的空化。由此將極大地或完全避免磨損和材料銷蝕。同樣也可極大地或完全避免空化對液體的影響。

根據DE?10?2004?025?836A1已知有一種方法，用它能夠自身借助于超聲波探頭和被超聲介質之間的一個層來極大地或完全避免空化對傳播振動的超聲波探頭表面的磨損。但該法也對傳播振動的層產生磨損，由此便要求對該層更換/補充。

還有一種方法將低頻高能超聲波聚焦在一個區域內，該區域遠離傳播振動的超聲波探頭表面。這種方法的缺點是用于聚焦超聲波的裝置增加了體積。由于比如聲音波長在20kHz時在水中為60～80mm，而一個透鏡的合理尺寸至少為該波長的10倍，這樣一個用來聚焦超聲波的透鏡的直徑就要大于600mm。此外，空化對聲場有干擾。

可以將低頻高能超聲波導入一種耦合液，比如水中，關于這一點請參看DE?102?43?837.4。該液體將振動傳播到一個容器壁，比如玻璃，在其相對的一側是要超聲的液體。由此造成效率損耗，且因此造成超聲強度降低。在振動容器壁上也造成磨損/銷蝕。

采用對聲波傳播表面涂覆和表面硬化處理可減緩或避免磨損。但涂覆是昂貴的，且其功效受時間的限制。此外，涂覆的材料在液體中也會產生銷蝕。

發明內容

本發明的任務是提供一種方法和與之相關的裝置，用它能夠將在傳播振動的超聲波探頭表面的近區域中作用在傳播振動的超聲波探頭表面上的空化作用，以及由此引起的傳播振動的超聲波探頭表面的磨損量降低50％以上直至完全抑止掉。

本發明的任務是由權利要求第1、9、14和22條所述的特征來解決的。有目的的配置形式是從屬權利的內容。

根據本發明，在反應器容器內部的傳播振動的超聲波探頭表面的近區域中產生一個接近或高于壓力/幅值特性曲線的壓力/幅值組合，用它來極大地或完全抑止空化，且在反應器容器的其他區域內至少隨區域地，和至少隨時間地產生一個低于壓力/幅值特性曲線的壓力/幅值組合，由此來產生空化。

在如水或油，以及乳濁液、懸濁液或彌散液中形成空化，在給定的溫度，比如20℃，和給定的聲頻率，比如20kHz條件下，則取決于振動幅值A和液體壓力p。對每個給定的振動幅值A，在上述條件下均有一個最高液體壓力pmax(A)，在它之上能夠完全抑止空化的產生，因為在p＞pmax(A)時，液體被壓在傳播振動的超聲波探頭表面上，這樣便不能出現局部真空氣泡。與此相反，對每個液體壓力p均有一個最小振動幅值Amin(p)，在低于它時不可能產生空化。

一種按照本方法工作的裝置根據本發明的一個第一變型如下地配置，即將入口孔配置成使液體直接撞擊在傳播振動的超聲波探頭表面上，在傳播振動的超聲波探頭表面的近區域中支配有一個接近或高于壓力/幅值特性曲線的壓力，由此來極大地降低或完全抑止空化。

根據本發明的一個第二變型，將反應器容器的截面通過至少一種收縮部如下地減少，使得在傳播振動的超聲波探頭表面上產生一個近區域，其中支配有一個接近或高于壓力/幅值特性曲線的壓力，由此來極大地降低或完全抑止空化。

根據本發明的另一個變型，將反應器容器的工作截面積根據到傳播振動的超聲波探頭表面的距離設計成逐段連續地或逐級地減小。