超声空化云控制装置和方法
【专利摘要】本发明涉及一种超声空化云控制装置和方法。所述装置包括：换能器，用于将电能转换成超声波，所述超声波通过所述换能器的辐射面形成声场；分流器，用于将接收到的水流进行分流，所述水流中具有气核；调节阀，与所述分流器相导通，所述调节阀用于调节所述分流器分流出的水流流速；支管，与所述调节阀相导通，所述支管用于输送所述水流；喷嘴，与所述支管相导通，用于向所述辐射面喷射所述水流，所述气核在所述声场的作用下在所述水流中形成空泡，所述空泡聚集形成空化云；所述喷嘴通过调节向所述辐射面喷射的所述水流的流速和方向从而控制所述空化云的形状。本发明提供的超声空化云控制装置和方法实现了简单方便地对超声空化云的精确控制。
【专利说明】超声空化云控制装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及声空化【技术领域】，具体涉及一种超声空化云控制装置和方法。
【背景技术】
[0002]超声波的空化效应是指当超声波在流体中传播时，在周期性的声场压力作用下，流体中出现大量微小的空泡随着声压不断进行周期性的膨胀和溃灭运动的现象。空泡膨胀-溃灭的过程时间极短(在数纳秒至微秒之间)，空泡溃灭时在空泡内部会产生瞬时高温、高压，并使气泡内核液体界面的介质裂解。超声空化的这一特性为一些化学反应提供了独一无二的环境，使一些在常温常压下难以发生的化学反应得以发生，超声空化的这种声化学效应在能源、化工、医药等领域具有许多潜在应用。
[0003]众所周知，空化效应是通过一个个空泡溃灭产生的高温高压而发生作用的，但是这些空泡在空间的分布是不均匀的，它们会形成一定的空化结构，这些结构与声场密切相关，但是很难通过改变声场的方式对空化云进行有效控制。
[0004]随着对空化的研究和应用的深入，在超声清洗和声化学领域都出现了对空化云进行有效控制的需求。控制空化云的好处很多，比如避免换能器辐射面发生空蚀。由于换能器辐射面空蚀产生的碎屑可能污染被处理液体，由此限制了声化学的大规模工业应用。此夕卜，控制空化云可以实现空化云的定位清洗，将能量集中在最需要的地方。为此就需要一种能够实现对空化云的形状和位置进行精确控制的装置和方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供了一种超声空化云控制装置和方法，可以简单方便地对空化云的形状和位置进行精确控制。
[0006]为实现上述目的，本发明提供一种超声空化云控制装置，包括:
[0007]换能器，用于将电能转换成超声波，所述超声波通过所述换能器的辐射面形成声场；
[0008]分流器，用于将接收到的水流进行分流，所述水流中具有气核；
[0009]调节阀，与所述分流器相导通，所述调节阀用于调节所述分流器分流出的水流流速；
[0010]支管，与所述调节阀相导通，所述支管用于输送所述水流；
[0011]喷嘴，与所述支管相导通，用于向所述辐射面喷射所述水流，所述气核在所述声场的作用下在所述水流中形成空泡，所述空泡聚集形成空化云；
[0012]所述喷嘴通过调节向所述辐射面喷射的所述水流的流速和方向从而控制所述空化云的形状。优选地，所述喷嘴为多个，多个所述喷嘴通过调节向所述辐射面喷射的所述水流的流速和方向从而控制所述空化云的形状。
[0013]优选地，所述喷嘴的数量为多个。
[0014]优选地,所述辐射面的表面为光滑表面。[0015]优选地，所述装置还包括水泵，与所述分流器相导通，用于将水流输送入所述分流器。
[0016]优选地，所述装置还包括支架，所述喷嘴支撑在所述支架上。
[0017]优选地，所述换能器的工作频率为lOkHz-lOOkHz。
[0018]优选地，所述换能器的平均辐射声强为2-6W/cm2。
[0019]本发明还提供了一种超声空化云控制方法，所述方法包括以下步骤:
[0020]分流器将水流进行分流并输送给调节阀；
[0021 ] 所述调节阀对所述水流进行流速调节后输送给支管；
[0022]所述支管将所述水流输送给喷嘴；
[0023]所述喷嘴向换能器的辐射面喷射所述水流；
[0024]通过调节所述喷嘴向所述辐射面喷射的所述水流的流速和方向从而控制所述空化云形成的形状。
[0025]优选地，所述空化云形成具体包括:
[0026]所述换能器将电能转换成超声波；
[0027]所述超声波通过所述换能器的辐射面形成声场；
[0028]所述水流中的气核在所述声场作用下形成空泡，所述空泡聚集形成空化云。
[0029]本发明实现了对超声空化云的精确控制。在换能器辐射面附近的声场中布置多个喷嘴，喷嘴喷射出的水流在换能器的辐射面前端形成空化云。通过调节喷嘴的位置、方向以及水流流速从而达到了精确控制空化云形状和位置的目的，满足了在超声清洗和声化学领域对空化云进行有效控制的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明实施例提供的一种超声空化云控制装置的示意图；
[0031]图2为本发明实施例提供的一种超声空化云控制装置的换能器和支架的侧视图；
[0032]图3为本发明实施例提供的应用一种超声空化云控制装置形成的空化云字母I时喷嘴位置方向示意图；
[0033]图4为本发明实施例提供的应用一种超声空化云控制装置形成的空化云字母示意图；
[0034]图5为本发明实施例提供的一种超声空化云控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0035]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0036]在超声场中对空化云的位置和形态进行有效控制一直是工业领域对空化应用的一个难以突破的瓶颈。我们在实验中发现射流空化结构(Jet-1nduced bubblestructures, JBS)空化云具有很好的可控性。通过在对超声频率、功率、福射区域、射流方向、流速、喷口直径、水质进行研究的基础上，我们逐步建立了如本发明所述的一种控制空化云的装置和方法，并且已经能够利用这种装置和方法形成空化云字母，显示了这种装置和方法对空化云或者说对空泡空间分布具有较好的控制力。[0037]JBS结构是一种在强声场中出现的殖核空化云结构，空化结构必须有稳定的气核源，否则空化结构无法持续存在。它的气核源是在换能器附近区域注射水流，淹没水流携带的气核在超声作用下形成空泡，在声场压缩波时除了少数大气泡之外，大部分空泡都溃灭，这些溃灭的空泡在声场舒张波时将回弹长大，并在下一个压缩波时再次溃灭，如此周而复始。当然除了射流的影响之外，JBS的方向还受到声场力和声流的影响。JBS的控制可以通过控制水流的方式进行控制，可控性比较好，可以形成空化云字母。
[0038]图1为本发明实施例提供的一种超声空化云控制装置的示意图。图2为本发明实施例提供的一种超声空化云控制装置的换能器和支架的侧视图。
[0039]如图所示，一种超声空化云控制装置包括:换能器1、喷嘴5。
[0040]换能器I将电能转换成超声波，换能器I包括辐射面2，超声波通过辐射面2辐射出去，并在辐射面2附近进而形成声场，辐射面2的表面需光滑，没有明显瑕疵，工作时辐射面2上不应粘附其他类型的空化云。辐射面2是换能器I与水接触的表面，它实际上是换能器的前盖板，它将超声振动传递给水流。在辐射面2附近布置多个喷嘴5，喷嘴5由固定钮4安装在支架3上，喷嘴5的位置、方向和个数都可以调整。
[0041]水泵9和分流器8相导通，分流器8与调节阀7的一端相导通，调节阀7另一端与支管6相导通，支管6与喷嘴5相导通。当超声空化云控制装置工作时，将水输送入水泵9，水泵9将水流输送入分流器8，分流器8将接收到的水流进行分流，进一步分成多路水流，多路水流再通过各自的调节阀7和支管6进入多个喷嘴5，调节阀7可以对流经喷嘴5的水流流速进行控制调节，然后喷嘴5向辐射面附近的声场喷射水流，因喷射出的水流中携带有气核，气核在超声波形成的声场作用下形成空泡，大量空泡不断聚集，最终在换能器辐射面的前端形成空化云11。
[0042]具体的，水流中携带的气核并不是刻意加入，因为即使很干净的流体，内部也不免含有小气核或固体杂质，固体杂质表面有微小罅隙，罅隙里则藏有气核。此外射流的卷吸作用也可能将流体其他区域的气核随射流射入换能器前端的强声场中。因此一般情况下无需刻意加入气核即可轻易实现射流空化云。当然也可以根据实际需要加入适当直径的气核增强空化效果。
[0043]图3为本发明实施例提供的应用一种超声空化云控制装置形成的空化云字母I时喷嘴位置方向示意图；图4为本发明实施例提供的应用一种超声空化云控制装置形成的空化云字母示意图。
[0044]如图3所示，在本实施例中，辐射面2附近布置喷嘴3个，其中两个喷嘴水平放置并保持平行，喷嘴口朝向右，另一个喷嘴垂直放置，喷嘴口朝向下。当超声空化云控制装置工作时，将水输送入水泵9，水泵9将水流输送入分流器8，分流器8将接收到的水流进行分流，进一步分成3路水流，3路水流再通过各自的调节阀7和支管6分别进入3个喷嘴5，通过调节阀7将喷嘴5喷射出的水流流速调整为3m/s，然后喷嘴5向辐射面2喷射水流，水流在超声波形成的声场作用下，在辐射面2的前端形成了空化云字母I。另外，如图4所示，通过调整多个喷嘴5的位置、方向以及水流流速还可形成空化云字母O和A。
[0045]具体的，因喷嘴5喷射出的水流中携带有气核，淹没射流形成气核源，气核源与辐射面2间距约为l-10cm。
[0046]具体的，换能器I完全浸没在水中，换能器I外有护罩(图中未示出)，用于保护换能器，以及防止漏电。
[0047]优选的，换能器I工作频率为lOkHz-lOOkHz。
[0048]优选的，换能器I的平均辐射声强为2-6W/cm2。
[0049]在本发明提供的超声空化云控制装置工作时，需要先将换能器完全浸没在水中，然后再启动换能器，以避免换能器因为空载烧毁。
[0050]根据本发明的实施例，提供了一种超声空化云控制方法，图5为本发明实施例提供的一种超声空化云控制方法的流程图，如图5所示，根据本发明实施例的超声空化云控制方法包括如下步骤:
[0051]步骤501，分流器将水流进行分流并输送给调节阀；
[0052]步骤502，调节阀对水流进行流速调节后输送给支管；
[0053]步骤503，支管将水流输送给喷嘴；
[0054]步骤504，喷嘴向换能器的辐射面喷射水流；
[0055]步骤505，通过调节喷嘴向辐射面喷射的水流的流速和方向从而控制空化云形成的形状。
[0056]具体的，空化云形成具体包括:换能器将电能转换成超声波；超声波通过所述换能器的辐射面形成声场；水流中的气核在声场作用下形成空泡，大量空泡聚集形成空化云。
[0057]本发明提供的一种超声空化云控制装置和方法，通过在换能器辐射面附近的声场中布置多个喷嘴，通过调节喷嘴的位置、方向以及喷射出的水流流速，可以在换能器辐射面前端形成形状、位置可控的空化云。从而实现了简单方便地对超声空化云的形状位置进行精确控制，满足了在超声清洗和声化学领域对空化云进行有效控制的需求。
[0058]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种超声空化云控制装置，其特征在于，所述装置包括: 换能器，用于将电能转换成超声波，所述超声波通过所述换能器的辐射面形成声场； 分流器，用于将接收到的水流进行分流，所述水流中具有气核； 调节阀，与所述分流器相导通，所述调节阀用于调节所述分流器分流出的水流流速； 支管，与所述调节阀相导通，所述支管用于输送所述水流； 喷嘴，与所述支管相导通，用于向所述辐射面喷射所述水流，所述气核在所述声场的作用下在所述水流中形成空泡，所述空泡聚集形成空化云； 所述喷嘴通过调节向所述辐射面喷射的所述水流的流速和方向从而控制所述空化云的形状。
2.根据权利要求1所述的超声空化云控制装置，其特征在于，所述喷嘴的数量为多个。
3.根据权利要求1所述的超声空化云控制装置，其特征在于，所述辐射面的表面为光滑表面。
4.根据权利要求1所述的超声空化云控制装置，其特征在于，所述装置还包括水泵，与所述分流器相导通，用于将水流输送入所述分流器。
5.根据权利要求1所述的超声空化云控制装置，其特征在于，所述装置还包括支架，所述喷嘴支撑在所述支架上。
6.根据权利要求1所述的超声空化云控制装置，其特征在于，所述换能器的工作频率为 IOkHz-1OOkHz。
7.根据权利要求1所述的超声空化云控制装置，其特征在于，所述换能器的平均辐射声强为2-6W/cm2。
8.一种超声空化云控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 分流器将水流进行分流并输送给调节阀； 所述调节阀对所述水流进行流速调节后输送给支管； 所述支管将所述水流输送给喷嘴； 所述喷嘴向换能器的辐射面喷射所述水流； 通过调节所述喷嘴向所述辐射面喷射的所述水流的流速和方向从而控制所述空化云形成的形状。
9.根据权利要求8所述的超声空化云控制方法，其特征在于，所述空化云形成具体包括: 所述换能器将电能转换成超声波； 所述超声波通过所述换能器的辐射面形成声场； 所述水流中的气核在所述声场作用下形成空泡，所述空泡聚集形成空化云。
【文档编号】B01J19/10GK103831271SQ201410103330
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】白立新, 邓京军, 李超, 徐德龙 申请人:中国科学院声学研究所