一种用于管道的防垢与灭菌装置的制作方法

本发明涉及超声波防垢、灭菌领域技术领域，尤其涉及一种用于管道的防垢与灭菌装置。

背景技术：

结垢及细菌腐蚀是生产系统中遇到的严重问题之一，结垢及细菌腐蚀可发生在生产系统的多个部位或环节，如流体集输、流体循环系统、污水处理及注水系统。它们所带来的危害使得污垢问题备受科学界和工程技术人员的广泛关注，已成为涉及国民经济众多产业和部门的一个急需解决的问题。因此，对结垢、灭菌问题的研究和解决是十分必要的。

目前防垢及灭菌主要有化学、物理等方法，前者是加入防垢剂或化学药品，后者则是造成某种条件或改变外界条件来破坏成垢。这些方法不仅需要暂停设备影响生产，除垢效果不理想，而且使用化学药剂损坏管道严重影响环境。而超声波技术作为一种极具潜力的技术，具有投入少、见效快、对环境和设备无污染等特点，已展现了良好的前景。

现有的一些超声波防垢设备或直接作用在管道外壁，以横波的形式传播，只能进行短距离、小范围的管道防垢并且受管道溶液流速影响很大，并且不具备杀菌功能。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种同时具备防垢和灭菌功能的用于管道的防垢与灭菌装置，以解决现有超声波防垢设备效率低、防垢效果差和不具备灭菌功能的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于管道的防垢与灭菌装置，包括：

纵向换能器短节，所述纵向换能器短节包括油管短节和沿所述油管短节轴向设置的夹心式超声波换能器，所述夹心式超声波换能器发出的超声波沿所述油管短节的轴向传播；

超声波聚能短节，所述超声波聚能短节包括油管短节和至少一个超声波聚能组，每个所述超声波聚能组包括至少一个变幅杆式超声波换能器，所述变幅杆式超声波换能器安装在所述油管短节上，且所述变幅杆式超声波换能器发出的超声波垂直作用于所述油管短节内的流体；

所述纵向换能器短节与超声波聚能短节连通，流体依次流经所述所述纵向换能器短节和超声波聚能短节。

优选地，所述纵向换能器短节的数量为质数个，且各个所述纵向换能器短节连通。

优选地，所述超声波聚能短节包括质数个所述超声波聚能组，且各个所述超声波聚能组在所述油管短节的轴向上间隔设置。

优选地，每个所述超声波聚能组包括质数个所述变幅杆式超声波换能器，且质数个所述变幅杆式超声波换能器绕所述油管短节的圆周分布。

优选地，所述夹心式超声波换能器包括第一盖板、第二盖板、锁紧螺栓和压电陶瓷部，所述压电陶瓷部设置在所述第一盖板和所述第二盖板之间，所述锁紧螺栓穿过所述第一盖板、压电陶瓷部后与所述第二盖板连接。

优选地，所述变幅杆式超声波换能器包括第一盖板、第二盖板、锁紧螺栓、压电陶瓷部、超声波变幅杆和超声波工具头，所述压电陶瓷部设置在所述第一盖板和所述第二盖板之间，所述锁紧螺栓穿过所述第一盖板、压电陶瓷部后与所述第二盖板连接，所述超声波变幅杆的一端与所述第二盖板连接，另一端与所述超声波工具头连接，所述超声波工具头伸入所述油管短节内。

优选地，所述压电陶瓷部包括至少一个压电陶瓷环，每个所述压电陶瓷环的两端分别设有金属极板，且两端的所述金属极板分别作为该压电陶瓷环的电极。

优选地，所述压电陶瓷部包括偶数个压电陶瓷环，相邻的压电陶瓷环的相邻端共用一个金属极板，作为两个相邻压电陶瓷环共用正极/负极。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的用于管道的防垢与灭菌装置，包括纵向换能器短节和超声波聚能短节，所述纵向换能器短节包括油管短节和沿所述油管短节轴向设置的夹心式超声波换能器，所述夹心式超声波换能器发出的超声波沿所述油管短节的轴向传播；所述超声波聚能短节包括油管短节和至少一个超声波聚能组，每个所述超声波聚能组包括至少一个变幅杆式超声波换能器，所述变幅杆式超声波换能器安装在所述油管短节上，且所述变幅杆式超声波换能器发出的超声波垂直作用于所述油管短节内的流体；所述纵向换能器短节与超声波聚能短节连通，流体依次流经所述所述纵向换能器短节和超声波聚能短节。通过夹心式超声波换能器的纵向波对管道内的流体进行第一次处理，然后利用超声波变幅杆改变第二功率超声换能器的超声波振动幅度，实现将超声能量集中在较小的面积上进行防垢，进而同时实现管道防垢和灭菌。

附图说明

图1是本发明实施例一用于管道的防垢与灭菌装置结构示意图；

图2是本发明实施例一夹心式超声波换能器的结构剖面示意图；

图3是本发明实施例一变幅杆式超声波换能器结构剖面示意图；

图4是本发明实施例二用于管道的防垢与灭菌装置结构示意图。

图中：1：主管道；2：纵向换能器短节；21：油管短节；22：夹心式超声波换能器；221：压电陶瓷部；2211：压电陶瓷环：2212：金属极板；222：第一盖板；223：第二盖板；224锁紧螺栓；3：横管；4：超声聚能短节；41：变幅杆式超声波换能器；411：超声波变幅杆；412：超声波工具头；5：超声波电源；6：闸阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的用于管道的防垢与灭菌装置，该防垢与灭菌装置直接安装在主管道1上，其包括纵向换能器短节2和超声波聚能短节4，其中，纵向换能器短节2包括油管短节21和沿油管短节轴向设置的夹心式超声波换能器22，使夹心式超声波换能器22发出的纵波沿油管短节的轴向传播，管道内的流体在流经该换能器短节时，使流体中成垢物质在超声场作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱从而不易附着管壁形成积垢。

超声波聚能短节4，包括油管短节21和一个超声波聚能组，该超声波聚能组包括一个变幅杆式超声波换能器41，所述变幅杆式超声波换能器安装在所述油管短节上，改变超声波振动幅度，实现将超声能量集中在较小的面积上，并直接作用于油管短节内的流体，发生超声波空化作用，从而利用超声波空化作用实现灭菌。

进一步地，夹心式超声波换能器22与超声波电源5之间还设有阻抗匹配器，即超声波电源5通过阻抗匹配器与夹心式超声波换能器22进行谐振频率与阻抗的匹配，有效降低了超声波换能器的发热量，提高其使用寿命。优选地，阻抗匹配器集成在超声波电源5内。夹心式超声波换能器22和变幅杆式超声波换能器41分别与超声波电源5连接。

具体地，超声波电源5包括整流电路、逆变电路、驱动电路、信号控制电路、匹配网络、及相关保护电路，超声波电源5提供三相380v、50hz工频交流电经整流电路整流后产生直流输出电压，输送至逆变电路，从而获得功率足够大的高频交流电压。信号控制电路产生一定频率的控制信号，经过驱动电路，推动逆变电路中的开关器件正常工作。所述逆变电路输出的高频交流电压通过匹配网络可以高效率、最大功率地输送至夹心式超声波换能器22和变幅杆式超声波换能器41。

如图2所示，夹心式超声波换能器22包括第一盖板222、第二盖板223、锁紧螺栓224和压电陶瓷部221，其中，压电陶瓷部221设置在第一盖板222和第二盖板223之间，锁紧螺栓224穿过第一盖板222和压电陶瓷部221后与第二盖板223连接，压紧压电陶瓷部221。

具体地，压电陶瓷部221包括多个压电陶瓷环2211，相邻的压电陶瓷环2211的相邻端共用一个金属极板2212，作为压电陶瓷环2211的正级或负极。在最外侧的压电陶瓷环2211的外端(与其它压电陶瓷环2211不相邻的一端)单独设置一个金属极板2212作为该压电陶瓷环2211的正极或负极。

优选地，压电陶瓷环2211的数量为偶数个，如图2所示，压电陶瓷部221包括四个压电陶瓷环2211和五个金属极板2212，其中，最左侧(以图中所示方向)的压电陶瓷环2211的左端设置有一个金属极板2212，最右侧(以图中所示方向)的压电陶瓷环2211的右端设置有一个金属极板2212，其它三个金属极板2212分别为相邻的压电陶瓷环2211共用。举例来说，若最左侧的金属极板2212为正极，则三个共用金属极板2212由左到右依次为负极、正极和负极，最右侧的金属极板2212为正极，使压电陶瓷部的两端具有相同的电位。

在另一个实施例中，压电陶瓷部221包括一个或多个压电陶瓷环2211，每个压电陶瓷环2211的两端分别设有金属极板2212，两金属极板2212分别作为压电陶瓷环2211的正极和负极，每个压电陶瓷环2211和设置在该压电陶瓷环2211两端的金属极板2212一起可以看作为一个压电陶瓷单元，多个压电陶瓷单元之间串联。

如图3所示，变幅杆式超声波换能器41包括第一盖板222、第二盖板223、锁紧螺栓224、压电陶瓷部221、超声波变幅杆411和超声波工具头412，其中，压电陶瓷部221设置在第一盖板222和第二盖板223之间，锁紧螺栓224穿过第一盖板222、压电陶瓷部221后与第二盖板223连接，压紧压电陶瓷部221，超声波变幅杆411的一端与第二盖板223连接，另一端与超声波工具头412连接，超声波工具头412伸入油管短节21内，直接作用于油管短节21内的流体。

由图3可以看出，在本实施例中变幅杆式超声波换能器41是在夹心式超声波换能器22的基础上增加了超声波变幅杆411和超声波工具头412，因此变幅杆式超声波换能器41中的压电陶瓷部221与夹心式超声波换能器22中的压电陶瓷部221实质结构相同，在此不在赘述。

在另一个实施例中，用于管道的防垢与灭菌装置包括质数个纵向换能器短节2，各纵向换能器短节2依次连通，最前端的一个换能器短节2与主管道1连通，最后端后一个换能器短节2与超声波聚能短节4连通。本实施例中以三个纵向换能器短节2为例进行具体说明，其中，三个纵向换能器短节2平行设置，且均与主管道1垂直，相邻的两个纵向换能器短节2之间通过横管3连通，夹心式超声波换能器22安装在油管短节21的一端，优选的，夹心式超声波换能器22的超声波沿油管短节21的轴向，且与流体的流向相反的传播方向传播。

超声波聚能短节4包括油管短节21和质数个超声波聚能组，各个超声波聚能组在在油管短节21的轴向上间隔设置，并且每个超声波聚能组包括质数个变幅杆式超声波换能器41，且质数个变幅杆式超声波换能器41绕所在油管短节21的圆周均匀分布，发出的超声波沿油管短节21的径向指向油管短节21的轴线，使在油管短节21获得覆盖整个横截面的均匀驻波场。在本实施例中，以二个超声波聚能组为例进行说明，两个超声波聚能组在所处的油管短节21上间隔设置，每个超声波聚能组包括两个变幅杆式超声波换能器41，两个变幅杆式超声波换能器41绕所处油管短节21的圆周均匀分布，超声波工具头安装在油管短节21内，直接对流体作用。

实施例二

本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：防垢与灭菌装置作为旁路安装在主管道1上，具体如图4所示，第一个纵向换能器短节2以及超声聚能短节4分别与主管道1连通，在第一个纵向换能器短节2和超声聚能短节4之间的主管道1上设置闸阀6，同时在第一个纵向换能器短节2的油管短节21和超声聚能短节4的油管短节21上分别设置闸阀6，如此设置能够减少防垢与灭菌装置对主管道1的影响，在不需要使用时，打开主管道1上的闸阀6，并关闭纵向换能器短节2和超声聚能短节4上的闸阀6即可，即使防垢与灭菌装置在维护时，也不会影响主管道1的正常工作。优选地，闸阀6为板式闸阀。

通过本系统中的自动化控制仪器可以实现对超声频率的自动跟踪；自动监测换能器的工作状态和设备的负载状态，及时响应、跟随。防垢、灭菌全过程中不再使用任何化学药剂(缓蚀阻垢剂、杀菌灭藻剂)，无腐蚀、无干扰、无污染，无辐射，对操作人员及换热设备无损害。通过多重超声波防垢、灭菌装置设计，可在室内实验和现场试验的基础上，进行反应器设计及工艺具体参数的选择，可充分发挥超声波除垢效率达到85％以上。设备采用过流、过压、过热三重自动保护，智能化控制，安全可靠。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。