Патент на изобретение №2311969

Изобретение относится к области ультразвуковой техники, а именно к области технологического оборудования для ультразвуковой обработки самого различного назначения, например, жидкостной очистки объектов, пропитки, эмульгирования, резания, сварки и т.д. В частности, изобретение касается стержневых резонансных электроакустических преобразователей.

Известно ультразвуковое технологическое устройство, включающее стержневой электроакустический преобразователь, содержащий пьезоэлементы, расположенные между первой и второй накладками и армированные стяжкой. Акустическая нагрузка в этом случае присоединяется к одной из накладок преобразователя с внешней стороны [1].

Недостатками этого решения являются большие габариты, низкий коэффициент полезного действия и узкая область применения из-за отбора энергии только с одной стороны.

Наиболее близким к первому предлагаемому изобретению является ультразвуковое технологическое устройство ([2], прототип), включающее стержневой резонансный электроакустический преобразователь, представляющий собой стержень из пьезоэлементов, армированных центральной стяжкой, и расположенный между двух накладок. В этом технологическом устройстве акустическая нагрузка находится со стороны одной накладки и присоединяется через пассивный волновод к другой накладке.

Недостатками прототипа являются: достаточно большие поперечные размеры преобразователя; узкая область применения, ограниченная конструкцией; невысокий к.п.д. вследствие увеличения потерь энергии из-за выноса волновода и отбора энергии только с одной стороны; нестабильность работы вследствие плохих условий охлаждения и согласования с нагрузкой. В результате – невысокая эффективность работы устройства.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, – повышение эффективности работы ультразвукового технологического устройства.

Технический эффект, обеспечивающий решение задачи, – создание возможности подвода энергии к акустической нагрузке, находящейся с одной стороны от преобразователя, от обеих накладок преобразователя.

Указанный эффект достигается тем, что в известном ультразвуковом технологическом устройстве, включающем стержневой резонансный электроакустический преобразователь, содержащий пьезоэлементы, расположенные между первой и второй накладками и армированные стяжкой, и акустическую нагрузку, присоединенную к одной из накладок, в отличие от известного внутри преобразователя выполнена, по крайней мере, одна полость, открытая со стороны первой накладки и имеющая дно, образованное второй накладкой, при этом акустическая нагрузка присоединена ко второй накладке преобразователя внутри полости в нем.

Стержневой преобразователь может быть выполнен в виде кольцевых пьезоэлементов, армированных центральной стяжкой, а полость образована выемкой в ней.

Также преобразователь может дополнительно содержать, по крайней мере, один волновод, установленный на второй накладке внутри полости преобразователя, который может быть полым для прохождения охлаждающей среды, например, газа или воды.

Кроме того, преобразователь может дополнительно содержать, по крайней мере, один волновод, установленный на первой накладке по периметру открытой части полости преобразователя.

Часть второй накладки преобразователя, образующая дно полости в нем, может выполнена в форме мембраны.

Предлагаемое устройство содержит неизвестную из современного уровня техники совокупность признаков. Отличия предлагаемого устройства – новые форма и взаимосвязи элементов – обеспечивают достижение указанного технического эффекта. В существующем уровне техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с совокупностью отличительных признаков заявляемого решения.

Сущность данного изобретения заключается в том, что новая, неизвестная конструкция преобразователя и взаимосвязь его с акустической нагрузкой обеспечивают возможность подвода энергии к акустической нагрузке, находящейся с одной стороны от преобразователя, от обеих накладок преобразователя, вследствие чего расширяется область применения; повышается к.п.д., так как уменьшаются потери энергии; увеличивается стабильность работы вследствие упрощения конструкции и улучшения условий согласования с нагрузкой и охлаждения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примерами возможных конкретных реализаций предлагаемого изобретения, приведенных на фиг.1а-к, и описанием процесса их работы.

На фиг.1а, б схематически показаны варианты технологической части ультразвуковой установки для работы с жидкими средами, например для очистки изделий в моющем растворе. В дне ванны 1 установлен стержневой резонансный электроакустический преобразователь, состоящий из пьезоэлементов 2, расположенных между первой 3 и второй 4 накладками и армированных стяжкой 5. Ванна заполнена жидкостью 6, являющейся в данном случае нагрузкой Н. Внутри преобразователя выполнена одна осевая полость 7, открытая со стороны первой накладки 3 и дно которой образовано частью второй накладки 4. Акустическая нагрузка Н – жидкость 6 в ванне 1 – присоединяется к преобразователю как через первую накладку 3, так и через вторую накладку 4.

В варианте 1б стержневой преобразователь выполнен в виде кольцевых пьезоэлементов 2, армированных центральным стягивающим болтом 8, а полость 7 образована осевой выемкой в нем. За счет совмещения стяжки с рабочей полостью, в которой протекает технологический процесс, повышаются к.п.д. и стабильность устройства, достигается компактность, улучшаются условия охлаждения за счет нахождения жидкости в болте.

На следующих фигурах приведены варианты технологических ультразвуковых устройств по изобретению для обработки твердых изделий.

На фиг.1в приведен вариант, когда стержневой резонансный электроакустический преобразователь дополнительно содержит волновод продольных колебаний 9, установленный на второй накладке 4 на дне полости 7. Такое устройство можно использовать для обработки твердых сред и сварки термопластичных материалов, поскольку волновод позволяет вынести излучающую поверхность за пределы преобразователя.

Возможен также вариант присоединения нагрузки Н₁ и Н₂, как показано на фиг.1г. В этом случае пьезоэлементы 2 будут нагружены со стороны обеих накладок 3 и 4, что обеспечивает повышение его к.п.д. и стабильности работы, приводит к увеличению рабочей поверхности, а следовательно, производительности и качеству технологических процессов. Такая конструкция позволяет также производить обработку фигурных отверстий в твердых и хрупких материалах, сварку деталей из термопластичных материалов сложной конфигурации.

Волновод 8 может быть полым и соединен с источником охлаждающей среды, например, воздуха или воды – фиг.1д. Это позволит значительно стабилизировать работу преобразователя и всей системы в целом за счет стабилизации температурного режима.

На первой накладке 3 также может быть установлен дополнительный волновод 10 – фиг.1е, ж. В этом случае нагрузки Н₁ и Н₂ присоединяются к пьезоэлементам со стороны обеих накладок 4 и 5. Это позволяет значительно расширить область применения, так как облегчается доступ к труднодоступным местам, например, при ультразвуковой сварке изделий из твердых термопластичных материалов. Также в таком устройстве может быть значительно увеличена амплитуда механических колебаний, поскольку волноводы могут быть выполнены с различными коэффициентами усиления. Это, в свою очередь, позволит также расширить область применения устройства. При этом нагрузки Н₁ и Н₂ могут быть подсоединены к накладкам 3 и 4 на одном уровне – фиг.1ж. Такая конструкция позволяет использовать устройство, например, для одновременной в нескольких местах обработки или сварки ровных поверхностей.

Часть второй накладки 4 преобразователя, образующая дно полости 7, может быть выполнена в форме мембраны – фиг.1з, и. Это позволяет интенсифицировать технологические процессы за счет увеличения амплитуды механических колебаний излучаемых поверхностей.

Кроме того, – фиг.1к – преобразователь может быть закреплен с помощью опоры 11, подсоединенной к волноводу. Такая конструкция позволит расширить область применения устройства за счет удобства крепления при использовании в различных конструкциях сварочных машин и станков размерной обработки.

Работу предлагаемого ультразвукового технологического устройства иллюстрирует пример работы устройства, приведенного на фиг.1а, б. Перед включением устройства в ванну 1 заливают обрабатываемую жидкость до уровня А, при этом нагружают сторону преобразователя, обращенную к нагрузке (накладка 3) и сторону преобразователя, обращенную от нагрузки (накладка 4). При включении ультразвукового преобразователя под воздействием колебаний накладки 4 в полости 7 создаются мощные акустические потоки и кавитация. При этом, поскольку энергия преобразователя не расходуется на потери в дополнительных волноводных звеньях, а поступает от двух накладок непосредственно в нагрузку – жидкость, то к.п.д. такого устройства будет выше по сравнению с прототипом, в котором энергия поступает в жидкость через несколько волноводных звеньев только от одной накладки. Кроме того, в таком устройстве, попутно, от преобразователя отбирается и энергия поперечных колебаний, поскольку жидкость находится в их пучности, что в значительной мере также повышает к.п.д. Наличие в полости двух энергетических потоков, воздействующих одновременно на объект обработки – находящуюся в полости жидкость, приводит к повышению качества и производительности технологических процессов обработки жидких сред.

Очевидно, что предлагаемое изобретение может быть использовано в ультразвуковых технологических устройствах самого различного назначения и очень просто реализовано с помощью известных, широко применяемых устройств, элементов и технологий.

Литература

1. Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой обработки. – СПб: Андреевский издательский дом, 2005. – 166 с.(стр.33, Рис1.7ж-к).

2. А.С. №185596 СССР, кл. В06b Стержневой резонансный преобразователь. Крамаров Ю.А., Крамарова Л.П., Тисенбаум Ю.Л., опубл. 13.08.1966, БИ №17.

Формула изобретения

1. Ультразвуковое технологическое устройство, включающее стержневой резонансный электроакустический преобразователь, содержащий пьезоэлементы, расположенные между первой и второй накладками и армированные стяжкой, и акустическую нагрузку, присоединенную к одной из накладок, отличающееся тем, что внутри преобразователя выполнена, по крайней мере, одна полость, открытая со стороны первой накладки и имеющая дно, образованное второй накладкой, при этом акустическая нагрузка присоединена ко второй накладке преобразователя внутри полости в нем.

2. Ультразвуковое технологическое устройство по п.1, отличающееся тем, что стержневой преобразователь выполнен в виде кольцевых пьезоэлементов, армированных центральной стяжкой, а полость образована выемкой в ней.

3. Ультразвуковое технологическое устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразователь дополнительно содержит, по крайней мере, один волновод, установленный на второй накладке внутри полости преобразователя.

4. Ультразвуковое технологическое устройство по п.3, отличающееся тем, что дополнительный волновод выполнен полым для прохождения охлаждающей среды.

5. Ультразвуковое технологическое устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразователь дополнительно содержит, по крайней мере, один волновод, установленный на первой накладке по периметру открытой части полости преобразователя.

6. Ультразвуковое технологическое устройство по п.1, отличающееся тем, что часть второй накладки преобразователя, образующая дно полости в нем, выполнена в виде мембраны.

РИСУНКИ