Ультразвуковий випромінювач

Реферат: Винахід стосується технологічного обладнання, призначеного для обробки матеріалів при застосуванні ультразвуку і може бути використаний у фармацевтичному виробництві. Задача винаходу полягає у створенні ультразвукового випромінювача такої конструкції, при якій досягалася б максимальна віброшвидкість коливань хвилеводу по всій його довжині. Ультразвуковий випромінювач виконаний у формі видовженого тіла обертання навколо повздовжньої осі, складається з хвилеводу та секції для монтажу перетворювача, хвилевід має форму порожнистого циліндра або порожнистого зрізаного конуса, з різьбою, виконаною по всій довжині хвилеводу на його зовнішній і внутрішній поверхні. UA 101394 C2 (12) UA 101394 C2 UA 101394 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується технологічного обладнання, призначеного для обробки матеріалів у рідких середовищах при застосуванні ультразвуку і може бути використаний у фармацевтичному виробництві. Відомий ультразвуковий штир для обробки рідких середовищ за допомогою ультразвукової дії [Пат.86704, UA, МПК6 B01J19/10, G10K11/00, заявл. 24.02.2005, опубл. 12.05.2009, Бюл. № 9], виконаний у формі суцільного металевого тіла видовженої форми, звужений конічний кінець якого призначений для занурення у рідке реакційне середовище, а протилежний кінець має пласку поверхню, на якій монтується ультразвуковий перетворювач. Довжина ультразвукового штиря приблизно дорівнює довжині хвилі ультразвукових коливань і становить від 20 см до 50 см. Штир виконаний зі сталі, зокрема легованої інструментальної сталі з вмістом приблизно 4 % хрому. Пристрій працює у діапазоні ультразвукових коливань 10-30 кГц. До недоліків відомого пристрою можна віднести той факт, що його конструктивне рішення передбачає недостатню площу випромінюючої поверхні, обмеженої торцевою конічною поверхнею зануреного у рідке середовище кінця штиря, що призводить до неможливості здійснення вичерпної дії ультразвуку на технологічні процеси, особливо при низьких рівнях інтенсивності ультразвуку. Відомий також інший варіант виконання форми ультразвукового випромінювача [Пат. 2332266, RU, МПК6 В06В 1/06, заявл. 11.12.2006, опубл. 27.08.2008, Бюл. № 24], який містить співвісно розташовані хвилеводи згинальних коливань, розділені ділянками хвилеводу повздовжніх коливань. Хвилеводи згинальних коливань розташовані у ділянках, перпендикулярних осі хвилеводу повздовжніх коливань на відстані /4 один від одного, де  довжина хвилі повздовжніх коливань. Товщина хвилеводів згинальних коливань, розташованих у пучності повздовжніх коливань, становить /15. Товщина хвилеводів згинальних коливань дорівнює /18. Загальна довжина випромінювача кратна /2 і становить 57 /2. Хвилеводи з'єднані через трансформатор коливань з набором п'єзоелектричних елементів. Відомий пристрій має торцеву випромінюючу поверхню та зони створення кавітації по поверхні випромінювача. Проте зазначений пристрій має досить складну конструкцію. Крім того, ділянки хвилеводу, на яких з'являється кавітація, обмежуються границею переходу товщини хвилеводу /15  /18. Задача винаходу полягає у створенні ультразвукового випромінювача такої конструкції, при якій досягалася б максимальна віброшвидкість коливань хвилеводу по всій його довжині. Поставлена задача вирішується таким чином, що конструкція ультразвукового випромінювача, виконаного у формі видовженого тіла обертання навколо повздовжньої осі, довжина якого кратна половинній довжині хвилі ультразвукових коливань, що складається з хвилеводу та секції для монтажу перетворювача, у відповідності з винаходом передбачає, що хвилевід має форму порожнистого циліндра або порожнистого зрізаного конуса, співвісного повздовжній осі, з різьбою, виконаною по всій довжині хвилеводу на його зовнішній і внутрішній поверхні, причому хвилевід необов'язково має наскрізні отвори, виконані у радіальному напрямі відносно повздовжньої осі. Згідно з винаходом, кріплення хвилеводу до секції для монтажу перетворювача здійснюють з можливістю заміни хвилеводу. Це дозволяє підбирати потрібні хвилеводи для різних технологічних процесів або замінювати кородуючі хвилеводи на нові. Винаходом також передбачено, що різьба на зовнішній і внутрішній поверхнях хвилеводу виконана з кроком від 0,25 до 6,00 мм у вигляді стандартної нарізки (для спрощення технології виготовлення) або у вигляді кілець причому профіль канавок різьби може бути трикутним, трапецієподібним або прямокутним. Різьба з кроком менше 0,25 мм або більше 6,00 мм призводить до значного зменшення кавітаційного ефекту навколо поверхні хвилеводу, що суттєво відбивається на інтенсивності диспергування. У відповідності з винаходом внутрішній отвір хвилеводу, співвісний повздовжній осі, має циліндричну форму. Такий отвір дозволяє підводити рідкі фази у внутрішню порожнину хвилеводу і додатково збільшує робочу поверхню хвилеводу. Циліндрична форма внутрішнього отвору у хвилеводі значно спрощує технологію його виготовлення та зменшує його матеріалоємність. Довжина заявленого хвилеводу дорівнює 110 половинній довжині хвилі ультразвукових коливань. Це найбільш оптимальний діапазон довжин хвилеводів, оскільки при довжині хвилеводу, меншій за одну половинну довжину ультразвукових коливань, стає занадто коротким, а при довжині, більшій за 10 половинних довжин хвиль ультразвукових коливань, виникають значні втрати енергії коливань у матеріалі та ускладнюється монтаж хвилеводу. 1 UA 101394 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винаходом передбачено, що хвилевід виконаний зі сплаву титану з вмістом титану не менше 85 %, наприклад сплаву ВТ 3-1. Це значно зменшує втрати енергії коливань у матеріалі та подовжує термін експлуатації хвилеводу. Необов'язкові наскрізні отвори, виконані у хвилеводі у радіальному напрямку відносно повздовжньої осі, мають діаметр не більше 2 мм та розташовані у місцях максимальної віброшвидкості по спіральній або кільцевій траєкторії по довжині хвилеводу. Додаткові отвори у хвилеводі дозволяють підвищити ефективність диспергування рідин, які виходять крізь них з внутрішньої порожнини хвилеводу до зовнішньої поверхні. Зазначені отвори бажано виконувати у місцях максимальної віброшвидкості. Розміри отворів понад 2 мм можуть значно послабити міцність стінок хвилеводу, що лімітує їх розмір та кількість. Авторами було доведено експериментальним шляхом, що оптимальна та економічно доцільна інтенсивність ультразвуку для здійснення заявленого способу лежить в інтервалі 3-20 2 Вт/см для торця хвилеводу, а частота ультразвуку 20-50 кГц. Якщо інтенсивність 2 випромінювання на торці хвилеводу менша за 3 Вт/см , то ефект диспергування зникає, а для 2 інтенсивності понад 20 Вт/см ефект диспергування значно не підвищується, при цьому виникає необхідність використовувати потужні п'єзокерамічні перетворювачі, що значно ускладнює конструкцію випромінювача. На фіг. 1 та фіг. 2 наведено схематичне зображення ультразвукового випромінювача з хвилеводом, виконаним у формі порожнистого циліндра та порожнистого зрізаного конуса відповідно. Ультразвуковий випромінювач складається з хвилеводу 1 з різьбою 2 на зовнішній та внутрішній поверхнях хвилеводу 1 та секції 3 для монтажу п'єзокерамічного перетворювача (не зображено). Хвилевід 1 необов'язково має наскрізні отвори 4, розташовані у радіальному напрямку відносно повздовжньої осі 5. Секція 3 для монтажу п'єзокерамічного перетворювача звичайно має конфігурацію, що забезпечує найкращій перехід механічних коливань від перетворювача (не зображено) до хвилеводу 1, а також забезпечувати підведення рідких речовин до внутрішньої порожнини хвилеводу. Заявлений ультразвуковий випромінювач працює наступним чином: 1. Рідкі фази, які необхідно диспергувати, подають крізь секцію 3 до внутрішньої порожнини хвилеводу 1, де відбувається первинне диспергування рідин, що не змішуються при переміщенні їх уздовж внутрішньої поверхні хвилеводу до його торця, при цьому первинна емульсія, виходячи з необов'язкових отворів хвилеводу, розташованих у місцях максимальної віброшвидкості, додатково диспергується і проходячи уздовж зовнішньої поверхні хвилеводу у протилежному напрямку диспергується остаточно. Таким чином можна отримувати емульсії на основі рідин, які не змішуються, зокрема ліпофільної фази, наприклад олії та гідрофільної, наприклад води. 2. Рідину (чи суміш рідких фаз) подають крізь секцію 3 до внутрішньої порожнини хвилеводу 1, де відбувається додаткове диспергування рідини (суміші рідких фаз), при переміщенні її уздовж внутрішньої поверхні хвилеводу до його торця, при цьому рідина, виходячи з необов'язкових отворів хвилеводу, розташованих у місцях максимальної віброшвидкості та із торця хвилеводу, диспергується і розпилюється у навколишній простір у вигляді аерозолю. Таким чином, заявлено нову конструкцію ультразвукового випромінювача, який має наступні переваги перед існуючими: ультразвукова дія випромінювача охоплює максимальний об'єм реакційної маси уздовж усієї поверхні хвилеводу і забезпечує найбільш ефективний процес дії ультразвуку на технологічний процес диспергування з точки зору продуктивності перебігу та його економічності, а випромінювач має мінімальну матеріалоємність та максимальний ККД перетворення електричної енергії у коливальну механічну. Заявлений ультразвуковий випромінювач може бути ефективно використаний у хімікофармацевтичному виробництві. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 1. Ультразвуковий випромінювач, виконаний у формі видовженого тіла обертання навколо повздовжньої осі, довжина якого кратна половинній довжині хвилі ультразвукових коливань, що складається з хвилеводу та секції для монтажу перетворювача, який відрізняється тим, що хвилевід має форму порожнистого циліндра або порожнистого зрізаного конуса, співвісного повздовжній осі, з різьбою, виконаною по всій довжині хвилеводу на його зовнішній і внутрішній поверхні, причому хвилевід може мати наскрізні отвори, виконані у радіальному напрямі відносно повздовжньої осі. 2 UA 101394 C2 5 10 2. Ультразвуковий випромінювач за п. 1, який відрізняється тим, що кріплення хвилеводу до секції для монтажу перетворювача здійснюють з можливістю заміни хвилеводу. 3. Ультразвуковий випромінювач за п. 1, який відрізняється тим, що різьба на зовнішній і внутрішній поверхнях хвилеводу виконана з кроком від 0,25 до 6,00 мм, причому профіль канавок різьби є трикутним або трапецієподібним, або прямокутним. 4. Ультразвуковий випромінювач за п. 1, який відрізняється тим, що внутрішній отвір хвилеводу, співвісний повздовжній осі, має циліндричну форму. 5. Ультразвуковий випромінювач за п. 1, який відрізняється тим, що його довжина дорівнює 110 половинній довжині хвилі ультразвукових коливань. 6. Ультразвуковий випромінювач за п. 1, який відрізняється тим, що хвилевід виконаний зі сплаву з вмістом титану не менше 85 %. 7. Ультразвуковий випромінювач за п. 1, який відрізняється тим, що наскрізні отвори мають діаметр не більше 2 мм і виконані по траєкторії у вигляді кільця або спіралі на поверхні хвилеводу і розташовані у місцях максимальної віброшвидкості. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3