专利名称：用来使超声能量在液流中聚焦的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，用来可控地将超声能量聚焦到液流中一个所希望的位置，这是通过控制用来传播声能的超声波发生器的形状并且通过选择在其中把声能加到液体上的腔室的形状实现的。这种能量的可控应用使得人们可以改变液流的性质，改变液流中包含的组份的性质，或者同时改变二者。
发明内容
本发明提供了一种装置，用来可控地将超声能量在液流内聚焦。该装置包括一个超声波发生器，当把它激发时，它由一个顶端发射出振动形式的超声能量。该顶端位于发生器的远端。该装置也有一个腔室，适于用来使来自液流的液体由它中间穿过。至少一个声学反射表面位于腔室内，用来接受由发生器的顶端发射进入液体中、并且把能量反射到液流内所希望的位置的超声能量，以对液流产生所希望的效应。
在另一实施例中，通过可控地将超声能量在液流内聚焦，该装置用来改变液流自身的性质。这个装置包括一个超声波发生器，它的终端为一个顶端，该顶端浸没在液流中，当把发生器激发时，它由一个顶端发射出振动形式的超声能量。一个腔室适于用来接受来自液流的液体，并使得液体可以由它中间穿过。该腔室有至少一个声学反射表面和一个开孔，超声能量穿过该开孔指向声学反射表面。声学反射表面将能量反射到至少一个所希望的焦点。
在另一实施例中，通过可控地将超声能量在液流内聚焦，该装置适于用来改变液流内包含的成份的性质。这个装置有一个超声波发生器，它的终端是一个顶端，该顶端浸没在液流中，当把它激发时，该顶端在一个所希望的方向上发射出振动形式的超声能量。也设置了一个有声学反射壁的腔室。这个腔室有适于用来接受来自液流的液体的一个入口和用来使液体流到在该腔室外面的一个位置的一个出口。声学反射壁反射由顶端发射的能量，并将能量聚焦到在液流内一个所希望的位置。
定义在这里使用的“液体”这个词指的是介于气体与固体之间的一种无定形(非结晶)形式的物质，在这种物质中，分子的密度比在气体中高得多，但是比在固体中的密度低得多。液体可以有单一的组份，或者可以由多种组份构成。这些组份可以是其它的液体，固体和/或气体。例如，液体的特点在于它们能够由于所施加的作用力的原因而流动。通常将在施加作用力后立即流动并且流速与所施加的作用力成正比的液体称为牛顿液体。当作用力施加上时，某些液体有反常的流动响应，并呈现出非牛顿流动的性质。
在这里使用的“节点”或者“波节面”这个词指的是在超声波发生器的机械激发轴线上的一些点，在超声能量激发时，在这些点上不出现超声波发生器的任何机械激发运动。在本技术中有时将节点称为波节点或者波节面，在本文件中也使用这样的称呼。
在这里仅只在定性的意义上使用“紧靠近”这个词。这就是说，这个词意味着超声波发生器足够地靠近腔室的入口，以便将超声能量主要施加到在该腔室内包含的液体的储存室上。不在确定离开腔室的具体距离的意义上使用这个词。
在这里使用的“包括或基本上由...组成”这个词不排除附加材料的存在，这些附加材料不会明显地影响一种给定的成份或者产品所希望的特征。这一类的示例性材料包括但不限于颜料，防氧化剂，稳定剂，表面活性剂，腊状物，流动促进剂，催化剂，溶剂，颗粒，以及添加后可以增加组份的处理能力的材料。
图1是本发明的装置的一个实施例的示意性剖面图；图2是图1的示意性剖面图一端的放大图；图3是本发明的装置的另一个实施例的示意性剖面图；图4-9是某些可能的腔室构形的示意性剖面图；图10是表示在250PSIG压力下超声能量对液滴速度的影响的图；
图11是表示在1000PSIG压力下超声能量对液滴速度的影响的图；图12是表示在250PSIG压力下超声能量对流动速度的影响的图；图13是表示在1000PSIG压力下超声能量对流动速度的影响的图；图14是表示压力对合力(或所产生的作用力)的影响的图；图15是表示在250PSIG压力下超声能量对合力的影响的图；以及图16是表示在1000PSIG压力下超声能量对合力的影响的图。
具体实施例方式
一般说来，图1示出了本发明，它包括一个装置100，当液体以一股液流的形式通过该装置100时，该装置适宜于使液体经受聚焦的超声能量的作用。参见图1，该图示出了一个示例性的装置100，该装置不必然按照尺寸示出，该装置用来将超声振动能量施加到液流中的一个所希望的位置。在某些实施例中，装置100可以通过入口110接受高压下的液体。这些液体既包括牛顿液体也包括非牛顿液体。例如，这些液体可以包括油漆，涂料，环氧树脂，塑料，食品产品和糖浆，乳状液，以油为基础的液体，水质液体，熔融的金属，沥青液体，焦油，以及其它物质。
如在图1和2的实施例中所示，装置100可以包括一个壳体102，它有一个储存室104，在某些实施例中这个储存室可以被包含在壳体102中。可以使一个腔室142与储存室104紧密地连通。腔室142可以设有一个或多个入口160，该入口有一定的截面积和穿过入口160的一根中心轴线115，在图1的实施例中该轴线与入口160的截面积垂直。也可以设置一个或多个出口孔112。一个或多个出口孔112由腔室142通到装置100的外面，并用来使液体由壳体102通过。可以通过机械加工将腔室102加工进壳体102的壁中，或者替代地壳体102可以包括一段或多段(未示出)，当把一段装到另一段上时，壳体包括入口110，出口孔112，储存室104，以及腔室142。
壳体102可以有第一端106和第二端108。壳体102也可以包括入口110，进而将该入口连接到储存室104上。入口110用来使要经受超声能量的液体通过储存室104供应给装置100，更具体地说，供应给腔室142。壳体102的第一端106可以在顶端136处终止。顶端136可以包括一个可以分开的可以替换的部件，如在图1中所示出的那样。
另外，图2示出了作为壳体102的一个整体部件的顶端136。还有，不要求顶端136如在图1和2中所示出的那样由壳体102伸出。位于顶端136中的出口孔112适宜于接收来自腔室142的液体，并且将液体由壳体102输送出。
对于附加的细节参见图2，可以看到可以将腔室142设置在储存室104与出口孔112之间。在某些实施例中，腔室142用作把能量指向的一个点，体积或者区域。然而，在下面将解释的其它实施例中，可以将能量聚焦到腔室142的外面，甚至聚焦到出口孔112的外面。使来自腔室142现在由于施加超声能量而被激发的液体通到出口孔，并且穿过出口孔112。可以直接将腔室142连接到出口孔112上，或者替代地通过带锥度的壁144把二者相互连接起来，这些带锥度的壁可以形成腔室142的一部分，如在图1和2中所示出的那样。
在本发明的某些实施例中，出口孔112的直径可以比大约0.1英寸(2.54毫米)小。例如，出口孔112的直径可以为由大约0.0001到大约0.1英寸(0.00254到2.54毫米)。作为进一步的示例，出口孔112的直径可以为由大约0.001到大约0.01英寸(0.0254到0.254毫米)。腔室142在带锥度的壁144终止的直径可以为大约0.125英寸(大约3.2毫米)，进而通到出口孔112。带锥度的壁144可以为截头圆锥形，然而，也可以设想其它的构形。例如，图2的实施例示出的带锥度的壁144有大约30度的收缩角，如在由穿过带锥度的壁144的一条中心轴线115测量时。而图3的实施例示出了当由穿过带锥度的壁144的一条中心轴线115测量时弯曲的形状。
设置了一个超声波发生器，比如在图1中示出的一个超声发生器(或超声喇叭)116。该超声波发生器可以包括超声发生器116，以及其它的超声波发生器。图1的超声发生器116有第一端118，第二端120，波节点或波节面122，一根机械激发轴线124，以及一个顶端150。
按照本发明的一个方面，可以使超声发生器116安装的方式使得将最小的振动能量传递给壳体102，特别是传给出口孔112的振动能量最小。为了实现这一点，在某些实施例中比如在图1中所示的实施例中，可以基本上在波节面122将超声发生器116装到壳体102上，使得发生器116仅只一部分与壳体102接触，接触的那部分是位于波节面122上的那部分。此外，可以将发生器116安装成使得顶端150位于储存室104内。为了确保将最大量的超声能量传输进液体中，超声发生器116的顶端150的面积可以等于由腔室142的入口160确定的面积。
如在图1中所示，可以将超声发生器116设置在壳体102的第二端108，并且把它紧固在它的节点122，其方式使得发生器116的第一端118位于壳体102的外面，而第二端120位于壳体102的里面，在储存室104内，紧靠近到腔室142的入口160所确定的一个入口平面161，但是不横截着该入口平面伸展。
虽然没有示出，但是替代地，发生器116的第一端118和第二端120可以都设置在壳体102内，只要由发生器116到壳体102的机械振动能量的传输、特别在出口孔112处达到最小就可以。
现在参见图2，超声发生器116的顶端150有一个截面积。如前面说明的那样，腔室142的入口160有一个入口平面161，它有一个相应的截面积。在某些可能希望要的实施例中，穿过顶端150的截面积的一根中心轴线125与纵向的机械激发轴线124相对应或者重合，而穿过入口平面161的中心轴线115与穿过腔室142的第一轴线114相对应或者重合。
如在图2中所示，第一轴线114和机械激发轴线124可以基本上共轴线地对准。顶端150的截面积和入口平面161的截面积在面积上也可以基本上相等，如上面描述过的那样。在某些实施例中，比如在图2的实施例中，顶端150或者发生器116的端部可以都与到腔室142的入口160共轴线地对准，并处于平行地分离开的关系，并且可以基本上处于紧靠近的状态。这种构形用来将更多的振动能量聚焦到在腔室142内包容的液体中。
还有，在某些实施例中，比如在图1-3中示出的实施例中，第一轴线114和超声发生器116的机械激发轴线124基本上平行。在某些实施例中，第一轴线114与机械激发轴线124基本上重合。在其它实施例中，第一轴线114与机械激发轴线124实际上重合，如在图1和2中所示出的那样。
然而如果愿意，发生器116的机械激发轴线124可以关于第一轴线114处于某种角度。例如，发生器116可以穿过壳体102的一个壁130伸展(未示出)，而不是穿过一端106，108伸展。还有，不管第一轴线114还是发生器116的机械激发轴线124都不需要是竖直方向的。
如已经说明的那样，在这里使用的“紧靠近”这个词意味着在图中示出的超声波发生器或者超声发生器116足够地靠近入口平面161，使得当液流由腔室142通过进入、并流过出口孔112时，将超声能量主要施加到在腔室142中包容的液体上。
在超声发生器116的顶端150与出口孔112的外部末端113之间在任何给定的情况下的实际距离将取决于多个因素，这些因素中的某些因素是流速和/或高压液体的粘性，超声发生器116的顶端150的截面积相对于出口孔112的截面积的大小，超声发生器116的顶端150的截面积相对于腔室142的入口平面161的截面积的大小，超声能量的频率，超声波发生器的增益(或者超声发生器116的机械激发的程度)，高压液体的温度，以及液体通过出口孔112的速度。
一般说来，本领域技术人员可以容易地确定在超声发生器116的顶端150与在壳体102的第一端106的出口孔112的外部末端113之间在任何给定的情况下的距离，而不用过多的试验。实际上，这一距离可以在由大约0.002英寸(大约0.05毫米)到大约1.3英寸(大约33毫米)，但是可以采用更大的距离。尽管如此，在超声发生器116的顶端150与通到腔室142的入口平面161之间的距离范围可以在由大约0英寸(大约0毫米)到大约0.100英寸(大约2.5毫米)。
在超声发生器116的顶端150与入口平面161之间的距离决定了能量损失到在储存室104中的液体中的程度。这样，顶端150与入口平面161之间的距离越大，损失到没有包容在腔室142的液体中的能量越多。结果，为了使能量损失，高压液体的变坏，以及其它由于液体暴露给超声能量可能造成的其它负面效果达到最小，可能希望有较短的距离。在某些实施例中，这些距离的范围由顶端150大约没有任何横截着腔室142的入口平面161的伸出到在顶端150与入口平面161之间分开大约0.010英寸(大约0.25毫米)。在至少一个可能所希望的实施例中，顶端150与入口平面161之间分开大约0.005英寸(大约0.13毫米)的距离。
为了在发生器116中产生超声振动，超声发生器116自身还可以包括一个振动器220，如在图3中所示出的那样，将它连接到发生器116的第一端118上。该振动器220可以是一个压电换能器，或者是一个磁致伸缩换能器。
可以将该振动器220直接连接到发生器上，如在图3中所示出的那样，或者借助于一个波导(未示出)实现连接。细长的波导可以有任何要求的输入∶输出激发比，但是，1∶1和1∶1.5的比值对于许多应用来说是典型的。超声能量典型的频率由大约15kHz到大约500kHz，但是也可以设想其它的频率。振动器220使发生器116沿着机械激发轴线124振动。在本实施例中，超声发生器116将关于波节面122以振动器220施加给第一端118的超声频率振动。
在本发明的某些实施例中，超声发生器116可以部分地或者全部由一种磁致伸缩材料构成。在这些实施例中，可以用一个线圈(也可以将它浸在液体中)围绕着发生器116，该线圈可以将信号引进磁致伸缩材料中，使它以超声频率振动。在这样的情况下，超声发生器116可以同时作为振动器220和超声发生器116自身。在任何情况下，当启动发生器116使由超声发生器116的顶端150发射出的振动能传输到包容在腔室142内的液体中。
图4到7示出了腔室142的可能的实施例。这些图中的每个图进一步示出了超声波发生器的顶端150。示出了由顶端150发出的用力线162表示的声能。如所示出的那样，声能以一个互补的角度由反射表面164反射，在这里的情况下腔室142的侧壁形成了这些反射表面。更具体地，参见图4，示出了声能作用力线162服从反射定律，表明当一束能量线由一个表面反射时，入射角ΘI等于反射角ΘR。换句话说，如果与在一条作用力线162碰到的反射表面164上的一点垂直地示出一条线N，那么，作用力线162碰到表面164关于线N的角度或者入射角ΘI等于由表面164反射的作用力线162关于同一根线N的角度或者反射角ΘR。
至少部分地取决于反射表面164的构形和声能碰到反射表面164的入射角ΘI，可以将能量聚焦到在液流中的一个所希望的点或者区域。参见图4和5，可以看到，当对于顶端150以直线关系设置时反射表面164将把能量集中到腔室142内的一个中心区域中，形成与出口孔112的轴线115重合的一根聚焦线166。图6和7示出了腔室142，它有弯曲的反射表面164，可以把能量集中到一个更集中的区域或者点168，该点与出口孔112的轴线115重合。
虽然图4到7示出的实施例中对腔室142的形状作了处理，但是在图8示出的实施例中也改变了超声波发生器的顶端150的形状，使得超声能量在所希望的方向上传播。通过改变顶端150的形状，可以使得能量集中到更靠近出口孔112或者更多地离开出口孔112，并且可以甚至集中在出口孔内，如在图8中所示出的那样。未示出的一些构形设想焦点168可以越过出口孔112，到达在壳体102外面的一个点或一个区域。还有，可以一起选择超声波发生器的顶端150和反射表面164的形状，为的是获得所希望的效果。例如，在图8和9示出的实施例中将能量聚焦到多个焦点168以及聚焦线上，所有这些点或线与出口孔112的轴线重合。
可以控制反射表面164和顶端150，使它们一起工作，实现对于液流的多种所希望的效果，例如提高液体的流速，使液体雾化，使液体乳化，和/或使液体产生空穴。将能量集中在一根聚焦线比如在图4和5中示出的聚焦线166上对于使在液流中可能包含的成份经受较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颗粒物经受较高的能量，并且经受较长的时间，将能量聚焦到聚焦线166中使得可以实现这一要求。替代地，在希望有较高能量强度的情况下，可能希望将能量聚焦到一个点或者一些点，比如在图5和6中所示出的那样。例如在所希望的乳化液流、或者提高流动速度的情况下，将能量聚焦到焦点168使得可以实现这些要求。还有，适当地选择在腔室142内的焦点可能影响液流的混合，稀释和雾化的程度。
在每个示出的实施例中，腔室壁用作反射表面164。然而，在腔室142中可以选择性地设置其它部件比如隔板，或者附加的壁(未示出)，全部地或者部分地实现这一功能。本发明还设想可以相互交换的可以由使用者选择的超声波发生器和/或顶端150，将这些发生器和/或顶端的构形做成使由顶端150发出的超声波指向适当的方向，完成计划的任务。本发明也设想可以相互交换的可以由使用者选择的腔室142和/或反射表面164，使超声波能量的方向指向或者反射到适当的方向，完成计划的任务。
在工作时，腔室142直接由储存室104接受液体，并且使液体流到一个或多个出口孔112。使在腔室142中包含的液体经受由超声发生器116提供的超声能量。在工作过程中，一小部分能量可能损失到在储存室104自身内包含的液体，但是只要使超声发生器116与壳体102脱开，或者替代地把超声发生器在波节面122紧固到壳体102上，就可以使能量的非常明显的大部分指向腔室142内包容的液体，而不会明显地使出口孔112自身震动。使由发生器116传输到在腔室142内包容的液体中的能量达到最大的一种方式是除了发生器116的顶端150自身(该顶端用作把能量输入液体的输入源)以外，使与发生器116自身的震动即沿着机械激发轴线124垂直的发生器116的任何表面减到最小，或者希望完全消除这样的表面。通过适当地选择顶端150关于到达腔室142的入口160的形状和反射表面164的设置，可以把超声能量聚焦到在腔室142自身内包容的液体中所希望的区域。
装置100的尺寸和形状可以在很宽的范围内变化，这至少部分地取决于出口孔112的数目和安排，以及超声发生器116的工作频率。例如，壳体102可以是圆柱形的，长方形的，或者任何其它形状。还有，因为壳体102可以有多个出口孔112，可以以一定的图案安排这些出口孔112，这包括但不限于直线的图案或者圆形的图案。还有，出口孔112的截面形状和出口孔112关于机械激发轴线124的取向不能对于装置100的使用造成任何负面的影响。
可以通过多种方法实现将超声能量施加到多个出口孔112上。例如，再次参见图3，发生器116的第二端120的截面积可以足够地大，使得可以将超声能量施加到在壳体102内所有的出口孔112附近的那部分液体上。
本发明的装置100的一个优点在于可以把它制作成可以自己进行清理。将液体供应给储存室104的压力与用超声波激发超声发生器116合力结合起来可以除去出现的堵塞出口孔112的障碍，而不用明显地震动壳体102和出口孔112。
按照本发明，当用超声能量激发超声发生器116同时出口孔112通过通道142接收来自储存室104的高压液体并使液体由壳体102流出时，出口孔112可以实现自清理。超声能量所施加的震动会改变高粘性液体的表观粘性和流动特点。
还有，震动也会改进流过装置100的液体的流速，而不用提高液体供应的压力或温度。震动会使得粘附在出口孔112上的污染物破碎并且流出。震动也可以造成液体与其它成份(例如液体成份)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这些液体中保持被乳化的状态。
用下面的示例进一步地描述本发明。然而，不要认为这些示例以任何方式对本发明的精神或者范围有限制。
示例超声发生器装置下面描述在图中一般性地示出的本发明的一种示例性超声发生器装置，该装置有上面描述过的特点中的某些特点。
参见图1，该装置的壳体102为一个圆柱体，其外径为1.375英寸(大约34.9毫米)，内径为0.875英寸(大约22.2毫米)，而长度为3.086英寸(大约78.4毫米)。壳体的第二端108的0.312英寸(大约7.9毫米)的外部有16间距的螺纹。第二端的内侧面有一个斜面的边缘126或者腔室，由第二端的表面128朝向第一端106伸展一个0.125英寸(大约3.2毫米)的距离。腔室使得壳体在第二端的表面的内径减小到0.75英寸(大约19.0毫米)。在壳体中钻出一个入口110(也被称为入口孔)，该孔的中心离开第一端0.688英寸(大约17.5毫米)，并且该入口攻有螺纹。壳体的内壁由一个圆柱形部分130和一个截头圆锥部分132构成。圆柱形部分由在第二端的腔室朝向第一端伸展到离开第一端的表面小于0.992英寸(大约25.2毫米)的距离。截头圆锥部分由圆柱形部分伸展一个0.625英寸(大约15.9毫米)的距离，在第一端带螺纹的开孔134处终止。带螺纹的开孔的直径为0.375英寸(大约9.5毫米)；这个开孔的长度为0.367英寸(大约9.3毫米)。
顶端136位于第一端的带螺纹的开孔中。该顶端由一个带螺纹的柱体构成，它有一个圆形的肩部140。该肩部的厚度为0.125英寸(大约3.2毫米)，并且有分离开0.5英寸(大约12.7毫米)的两个平行的表面(未示出)。在该肩部钻出一个出口孔112(也被称为挤压孔)，该孔朝向带螺纹的部分伸展一个0.087英寸(大约2.2毫米)的距离。出口孔的直径为0.0145英寸(大约0.37毫米)。出口孔在顶端内在直径为0.0145英寸(大约0.37毫米)的一个腔室和锥形接头带锥度的壁144处终止，该带锥度的壁将腔室与出口孔112连接起来。带锥度的壁144与竖直方向形成一个30度的角度。通道142由出口孔112伸展到入口平面161，从而将壳体102形成的储存室104与出口孔112连接起来。
超声波发生器是一个圆柱形的超声发生器116。把该发生器通过机械加工成在20kHz的频率谐振。该发生器的长度为5.198英寸(大约132.0毫米)，这个长度等于谐振波长的一半，它的直径为0.75英寸(大约19.0毫米)。在发生器116的第一端118的表面146上钻孔并攻有螺纹，用于一个3/8英寸(大约9.5毫米)的双头螺栓(未示出)。在波节点122处将发生器116机械加工出一个颈圈148。该颈圈的宽度为0.094英寸(大约2.4毫米)，由发生器的圆柱形表面向外伸展0.062英寸(大约1.6毫米)。在颈圈148处将发生器116固定到壳体102上。通过在发生器的波节点将发生器固定到壳体上，消除了或者至少是明显地减少了震动能量向壳体的传输。在颈圈处发生器116的直径为0.875英寸(大约22.2毫米)。发生器的第二端120在一个小的圆柱形顶端150终止，该顶端的长度为0.125英寸(大约3.2毫米)，直径为0.125英寸(大约3.2毫米)。一个抛物形截头部分152把这个顶端150与发生器的圆柱形本体分开，该截头部分的长度大约为0.5英寸(大约13毫米)。这就是说，这个截头部分的曲线当在截面上看时形状为抛物面。小的圆柱形顶端150的表面与发生器的圆柱形的壁垂直，并将它设置在离开横过到腔室的入口的平面大约0.005英寸(大约0.13毫米)的位置。因此，发生器的顶端的表面即发生器的第二端150位于紧挨着到腔室的入口的上面，并且与横过到腔室的入口的平面有相同的面积。
用一个带螺纹的帽盖154将壳体的第二端108密封，也使用该帽盖把超声发生器固定在其位置。螺纹向上朝向帽盖的顶部伸展一个0.312英寸(大约7.9毫米)的距离。帽盖的外径为2.00英寸(大约50.8毫米)，而帽盖的长度或厚度为0.531英寸(大约13.5毫米)。将帽盖中的开孔的尺寸做成适应发生器；这就是说，该开孔的直径为0.75英寸(大约19.0毫米)。开孔在帽盖中的边缘是一个腔室156，该腔室是壳体第二端的腔室的镜像复制品。帽盖在腔室处的厚度为0.125英寸(大约3.2毫米)，在螺纹的端部与腔室的底部之间留下一个0.094英寸(大约2.4毫米)的空间，该空间与在发生器上颈圈的长度相同。这个空间的直径为1.104英寸(大约28.0毫米)。在帽盖的顶部158中钻出四个直径为1/4英寸深度为1/4英寸的孔(未示出)，它们的间隔为90度，与一个销柱扳手相适应。因此，当拧紧帽盖时，把发生器的颈圈压在两个腔室之间，从而将壳体形成的储存室密封。
一个Branson细长的铝波导的机械激发输入与输出比为1∶1.5，借助于一个3/8英寸(大约9.5毫米)双头螺栓将这样一个波导连接到超声发生器上。将一个压电换能器(a Branson Model 502Converter)连接到细长的波导上，由在20kHz频率下工作的BransonModel 1120 Power Supply(Branson Sonic Power Company，Danbury，Connecticut)对该换能器供电。用Branson Model A104A Wattmeter监测功率消耗。
示例1试验了顶端136的两个构形，以便确定超声能量对流速，被雾化的颗粒尺寸和颗粒速度的影响。第一种构形与图4示出的相同，实际上试验了有这种构形的两种不同的顶端。将这些顶端标记为喷嘴#3和喷嘴#4。每个顶端或喷嘴的所有尺寸都相同，差别只在于喷嘴#3的出口孔112是一根毛细管，其直径“D”如在图4中所示出的那样为0.006英寸(大约0.15毫米)，而喷嘴#4的出口孔112是一根毛细管，其直径”D”为0.008英寸(大约0.20毫米)。
图7与第二种构形类似，差别在于为了试验，顶端136仅只有单一的出口孔112，而不是在图7中的两个出口孔。为了试验的目的，将这两种构形标记为“EMD喷嘴”。
用来确定液体的颗粒尺寸和速度的仪器是Aerometrics phase-doppler particle analyzer。采用标准的旋转流量计确定流速。用来进行试验的液体是2号柴油燃料，它的密度为0.81g/ml，粘度为2.67centistokes。
在压力250，1000和2000psi下超声电源接通和关断的条件下获得数据。在下面的表I可以找到这些实验的数据表。标记为“合力(N/1000)”的那列数据是由速度和质量流速的读数计算出来的。
表1 AEROMETRICS试验的最后结果的汇总
以Aerometrics单位提供了一种重要的测量，即液滴速度，在上面的表中以“平均速度”为标记。由于超声使速度提高是明显的和一致的，不管压力如何。对于喷嘴#3这种提高在20％与30％之间，如表中数据所示出的那样。在图10和11中分别示出了对于不同的喷嘴在250和1000PSIG压力下对速度的效应的进一步比较。在每种情况下，施加超声波提高了液滴速度。EMD注入喷嘴显示出速度的提高最明显，并且在较高的注入压力下显示出这种提高。
在较高的注入压力下，有施加的超声波的流速接近正常条件下的流速。图12和13示出了用不同的喷嘴对于250和1000PSIG压力下的试验的流速。当在较高的压力下施加超声波时，发现当喷嘴的尺寸增加时流速倾向于提高。当施加超声波时，EMD喷嘴显示出流速的明显提高。通过反复的试验证实了这一点，当把超声功率开关接通时，流量计立即向上跳跃。
图14示出了对于喷嘴#3以Newton×0.001-3为单位的计算出的合力。可以通过速度乘以流速得到以Newton为单位的合力。发现将超声添加到喷雾中在所有的条件下造成较高的合力，并且当压力升高时这种提高较大。对于其它喷嘴构形也注意到这样的效果。图15和16分别示出了对于三种喷嘴在250和1000PSIG压力下合力。在合力中最大的提高出现在1000PSIG压力下用EMD喷嘴的条件下。这显示已经将明显数量的超声能量由超声发生器传输到喷雾中。
表I和图12和13都显示出通过施加超声波，在标号3和4的两种顶端构形中液体流速都保持相同，或者降低。然而在相同的条件下，通过顶端EMD喷嘴的流速提高，显示出在反射表面164与在图7中示出的反射表面类似的顶端中会将超声能量更有效地传输到液体中。
相关的专利和申请本申请是一组公开授予的专利和专利申请中的一个。这组专利和申请包括以L.K.Jameson等人名义的题目为”An Apparatus AndMethod For Emulsifying A Pressurized Multi-Component Liquid”公文号No.12535的申请序列号No.08/576543；以L.H.Gipson等人名义的题目为”An Apparatus And Method For UltrasonicallyProducing A Spray of Liquid”公文号No.12536的申请序列号No.08/576536，现在的已经批准的美国专利6053424；以L.H.Gipson等人名义的题目为”Ultrasonic Fuel Injection Method AndApparatus”公文号No.12537的申请序列号No.08/576522；以B.Cohen等人名义的题目为”An Ultrasonic Apparatus And Method ForIncreasing The Flow Rate Of A Liquid Through An Orifice”公文号No.12538的申请序列号No.08/576174，现在的已经批准的美国专利5803106；以及以B.Cohen等人名义的题目为”An UltrasonicFlow Control Apparatus And Method”公文号No.12539的申请序列号No.08/576175，现在的已经批准的美国专利5868153；以L.K.Jameson等人名义的题目为”Ultrasonic Fuel Injector withCeramic Valve Body”公文号No.15781的临时申请60/254737；以L.K.Jameson等人名义的题目为”Unitized Injector Modified forUltrasonically Stimulated Operation”公文号No.15872的临时申请60/254683；以L.K.Jameson等人名义的题目为”Ultrasonically Enhanced Continuous Flow Fuel InjectionApparatus and Method”公文号No.15810的临时申请60/257593；以及以L.K.Jameson等人名义的题目为”Apparatus and Method toSelectively Microemulsify Water and Other Normally ImmiscibleFluids into the Fuel of Continuous Combustors at the Point ofInjection”的临时申请60/258194。在这里将这些申请中的每个申请的内容结合进来作为参考。
尽管已经详细地描述了本发明的具体实施例，将会认识到，本领域技术人员通过理解上面的内容可以容易地设想出这些实施例的改型，变化，以及等价物。因此，应该把本发明的范围规定为所附的权利要求书的范围和它的任何等价物。
权利要求
1.一种用来可控地将超声能量在液流内聚焦的装置，它包括超声波发生器，当把它激发时，它由位于该发生器的远端的顶端发射出超声振动能量；腔室，其适于用来使液体由它中间穿过；至少一个位于腔室内的声学反射表面，用来接受由发生器的顶端发射进入液体中并且把能量反射到所希望的位置的超声能量。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，超声波发生器包括超声发生器。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，腔室包括入口和出口。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，声学反射表面包括腔室的至少一个壁。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，声学反射表面将超声能量聚焦到腔室内的点。
6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，声学反射表面将超声能量聚焦到腔室外面的点。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，声学反射表面将超声能量聚焦到腔室内的区域。
8.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，声学反射表面将超声能量聚焦到腔室外面的区域。
9.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，其适于用来实现自清理。
10.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，超声波发生器包括波节面。
11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，超声波发生器被固定在波节面上。
12.一种适于通过可控地将超声能量在液流内聚焦来改变液流的性质的装置，它包括超声波发生器，它包括顶端，当把它激发时，该顶端发射出超声振动能量，该顶端被浸没在液流中；腔室，其适于用来接受液体，并使得液体由它中间穿过，该腔室包括至少一个声学反射表面和开孔，超声能量穿过该开孔指向声学反射表面；其中，声学反射表面将能量反射到至少一个所希望的焦点。
13.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，超声波发生器包括超声发生器。
14.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，腔室包括入口和出口。
15.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，声学反射表面包括腔室的至少一个壁。
16.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，声学反射表面将超声能量聚焦到腔室内的点。
17.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，声学反射表面将超声能量聚焦到腔室外面的点。
18.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，声学反射表面将超声能量聚焦到腔室内的区域。
19.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，声学反射表面将超声能量聚焦到腔室外面的区域。
20.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，其适于用来实现自清理。
21.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，超声波发生器包括波节面。
22.按照权利要求21所述的装置，其特征在于，超声波发生器被固定在波节面上。
23.一种用于通过可控地将超声能量在液流内聚焦来改变液流内所包含的成份的性质的装置，它包括超声波发生器，它包括顶端，当把它激发时，该顶端在所希望的方向上发射出超声振动能量，该顶端被浸没在液流中；有声学反射壁的腔室，该腔室有适于用来接受液体的入口和用来使液体流到在该腔室外面的位置的出口；其中，声学反射壁反射由顶端发射的能量，并将能量聚焦到在液流内所希望的位置。
全文摘要
一种用来可控地将超声能量聚焦到在液流内一个所希望的位置的装置，实现这一目的是靠控制用来传播超声能量的波发生器的形状以及通过选择腔室的形状，在该腔室内将超声能量施加到液体上。当激发超声波发生器时，在液体流过壳体时，该发生器将超声能量施加到包容在腔室内的高压液体，而不会使出口孔产生机械震动。
文档编号H04R15/00GK1698094SQ02822395
公开日2005年11月16日 申请日期2002年7月24日 优先权日2001年11月26日
发明者L·K·詹森 申请人:金伯利-克拉克环球有限公司