本发明属于湿法微粉加工技术领域，具体涉及一种超声波谐振破碎装置与方法。
背景技术
微粉碎和超微粉碎时一般需对原料进行初级破碎。初级破碎后的原料具有较小的尺寸，传统的机械破碎方法很难直接将机械力施加到物料颗粒上，形成有效的微粉级破碎。
超声波破碎是利用超声能实施物料破碎的过程。破碎原理包括：超声在介质中传播形成的正负交变声压场对介质中的物料颗粒施加拉压作用力，频繁的交变应力可导致颗粒疲劳破碎；当超声频率与物料颗粒共振频率一致时，可激发颗粒共振，使能量产生激荡，致使物料颗粒共振破碎；超声空化作用使得声场低压处空穴(非稳态微气泡)形成、高压处空穴溃灭，空穴溃灭时产生的高强穴壁冲击力使得物料颗粒破碎或疲劳破碎。该原理作为一种重要的声能转化和利用方法广泛应用于微粉碎加工中。
超声破碎通常采用单一频率处理方式，当频率确定时，提升破碎场内声压幅值的峰谷压差对可强化上述三种破碎能量，有效提高声能利用率。
现有超声破碎中提升声压幅值峰谷压差常用的技术方法为增加超声声源的振动幅值。具体措施包括：增大变幅杆输入功率或配置大振幅变幅杆。
上述技术措施的不足之处如下：1)能量提升措施简单粗放。提高输入电源的电功率和配置大振幅变幅杆可增加总能量供给，但能效比的提高代价大幅增加，且声能幅值的提升有限。2)能量分布控制措施欠缺。现有超声能导入的液腔常为开放或封闭、形状随意的空间，缺少声能密度的空间分布规划，声能分散，破碎品质较差。3)能量传递及有效转化效率较低，空化能利用率不高。超声源能量强度大于某一阈值范围时，空化场会集中在变幅杆端部附近，形成“空化屏蔽”现象，阻碍了声波向远场传播；稳定气泡的生成导致料液升温，造成了能量的近场空耗。4)料液在能量场中的运动缺少主动、有效的控制。批式处理方式缺少有效能量吸收、利用和控制，物料中的声能随机积累，导致破碎过程及产品粒径可控性差。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种超声波谐振破碎方法，该方法利用超声波的空化效应，提供高强冲击能，能量效率和破碎效率均大幅度提高。
本发明的另一目的是提供一种采用上述方法进行超声波谐振破碎的装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
超声波谐振破碎装置，包括变幅杆1、料液套筒2、谐振管5以及端堵。
所述变幅杆1由上而下包括顶部101、杆体102以及端头103；所述顶部101连接超声换能器，所述端头103的下端横截面为变幅杆端面4。
所述料液套筒2为具有中空腔体的圆柱体，料液套筒2的下端侧壁设有出料口11，所述出料口11与料液套筒2的中空腔体连通。
所述谐振管5为中部具有中空腔体的圆柱体。
所述变幅杆1穿过料液套筒2的中空腔体，且其端头103伸入谐振管5的中空腔体内；变幅杆1的端头103与谐振管5的中空腔体内壁间留有出料环隙10；安装时，变幅杆1、料液套筒2以及谐振管5的中空腔体共轴。
所述端堵安装于谐振管5的下端；端堵设有进料口，使料液进入谐振管5的中空腔体内。
所述端堵为中心微孔端堵7，进料口为进料孔9。
中心微孔端堵7包括固定端和进料端；固定端设有平面凹槽，凹槽的中部设有中心微孔凸台8，进料端设有进料孔9，所述进料孔9贯穿进料端与中心微孔凸台8。
所述固定端的平面凹槽与谐振管5的下端配合，中心微孔凸台8与谐振管5的中空腔体对应，当中心微孔端堵7的固定端与谐振管5的下端连接时，所述中心微孔凸台8位于谐振管5的中空腔体内；此时，中心微孔凸台8的上表面与变幅杆端面4之间的谐振管5的中空腔体为中心微孔硬壁面谐振深度区6；所述中心微孔凸台8的横截面外径与谐振管5的中空腔体的横截面直径相同；谐振管5的中空腔体的横截面面积与进料孔9的横截面面积之比大于等于50；所述中心微孔硬壁面谐振深度区6的长度为谐振波波长的1/2。
所述端堵为周向环隙端堵13，进料口为“t”形进料孔15。
周向环隙端堵13包括固定端和进料端；固定端设有平面凹槽，凹槽的中部设有周向环隙凸台14；进料端设有“t”形进料孔15，“t”形进料孔15包括水平孔和竖直孔，其中，水平孔径向贯穿周向环隙凸台14并位于其底部，竖直孔连通水平孔和进料端下表面。
所述固定端的平面凹槽与谐振管5的下端配合，周向环隙凸台14与谐振管5的中空腔体对应；当周向环隙端堵13的固定端与谐振管5的下端连接时，所述周向环隙凸台14位于谐振管5的中空腔体内，周向环隙凸台14的外圆周与谐振管5的中空腔体的内壁之间形成周向环隙16；此时，周向环隙凸台14的上表面与变幅杆端面4之间的谐振管5的中空腔体为周向环隙硬壁面谐振深度区12；所述周向环隙凸台14的横截面直径与变幅杆端面4的横截面直径相同；谐振管5的中空腔体的横截面面积与“t”形进料孔15的竖直孔的横截面面积之比大于等于50；所述周向环隙硬壁面谐振深度12的长度为谐振波波长的1/2。
所述端堵为声容腔体端堵18，进料口为声容腔进料孔20。
声容腔体端堵18包括固定端、声容腔19和进料端；进料端设有声容腔进料孔20，声容腔进料孔20与声容腔19连通；当声容腔体端堵18的固定端与谐振管5的下端连接时，所述声容腔19与谐振管5的中空腔体连通；此时，变幅杆端面4之下的谐振管5的中空腔体为声容软壁面谐振深度区17；声容腔19的横截面面积与谐振管5的中空腔体的横截面面积之比大于等于50；声容软壁面谐振深度区17的长度为谐振波波长的3/4。
所述中心微孔凸台8和周向环隙端堵凸台14伸入谐振管5的中空腔体的长度为10～12mm；所述中心微孔硬壁面谐振深度区6和周向环隙硬壁面谐振深度区12的长度为37mm。
变幅杆1为多段组合式的复合型变幅杆，端头为等截面圆柱杆。
所述变幅杆端面4的直径为8～10mm。
出料环隙10的径向宽度大于进料颗粒粒径。
所述谐振管5的中空腔体的横截面直径为8.2～10.2mm；出料口11的直径为1～2mm。
一种使用超声波谐振破碎装置进行超声波谐振破碎的方法，包括如下步骤：
使用时，谐振管5垂直布置，超声换能器位于最高点。
a)根据接受能量的要求和高声压区间幅宽设定注料泵每次的注料量和注料间隔时间。
注料形式为定容脉动形式，每个脉动注料周期的注料体积为谐振管5的中空腔体的横截面面积×1/8波长。
所述注料量为0.5～2ml，注料间隔时间为1～2s。
b)调节料液3的温度，使进入谐振管5的中空腔体的料温低于15℃。
c)通过端堵的进料口向谐振管5的中空腔体注料，使料液充满谐振管5的中空腔体。
d)将变幅杆1插入料液套筒2，并使变幅杆端面4浸入充盈料液3的谐振管5的中空腔体内；确保变幅杆1、料液套筒2以及谐振管5的中空腔体共轴；变幅杆1的变幅杆端面4与谐振管5的中空腔体端口壁面平行。
e)利用注料泵向谐振管5的中空腔体内注料。
f)将变幅杆1与超声换能器连接，启动超声换能器，并使其带动变幅杆1进行振幅增益和能量输送。
所述变幅杆1的变幅倍数大于10。
g)变幅杆端面4对谐振管5的中空腔体内的料液进行破碎，破碎后的料液3通过出料环隙10进入料液套筒2。
h)破碎完毕后，收集由出料口11流出的处理后的料液3并分离出微细颗粒。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的超声波谐振破碎装置，将能源输出的能量在有限空域集中，提升声能流密度和能量品质，为破碎提供高量级能量来源。
2)本发明的超声波谐振破碎装置，其端堵包括三种形式，使用时可根据不同需求选择不同的端堵种类。
3)本发明的超声波谐振破碎方法，其谐振管的中空腔体的本征工作频率与超声波声源相匹配，其声压可形成均匀稳定的驻波分布形式，为空化效应的形成提供稳定的正、负压工作条件。
4)本发明的超声波谐振破碎方法，其定容、脉动注料的方式可使液态物料停驻于高声压区域，对谐振、汇聚后的高量级能量进行高效吸收、转换、利用；通过定容声场的声模态控制和定容、脉动注料方式的匹配，可实现对物料破碎效果的控制和能量利用效率的提高。
5)本发明的超声波谐振破碎方法，使用时，物料降温可减少声场低压时液体气化和不稳定气泡的生成，降低空化冲击能的无效转换和吸收。
附图说明
图1是本发明端堵为中心微孔端堵的超声波谐振破碎装置的剖面图；
图2是本发明端堵为周向环隙端堵的超声波谐振破碎装置的剖面图；
图3是本发明端堵为声容腔体端堵的超声波谐振破碎装置的剖面图；
图4是本发明超声波谐振破碎装置料液套筒结构示意图；
图5是本发明超声波谐振破碎装置谐振管结构示意图；
图6是本发明超声波谐振破碎装置中心微孔端堵结构示意图；
图7是本发明超声波谐振破碎装置周向环隙端堵结构示意图；
图8是本发明超声波谐振破碎装置声容腔体端堵结构示意图。
其中，附图标记为：
1变幅杆2料液套筒
3料液4变幅杆端面
5谐振管6中心微孔硬壁面谐振深度区
7中心微孔端堵8中心微孔凸台
9进料孔10出料环隙
11出料口12周向环隙硬壁面谐振深度区
13周向环隙端堵14周向环隙端堵凸台
15“t”形进料孔16周向环隙
17声容软壁面谐振深度区18声容腔体端堵
19声容腔20声容腔进料孔
101顶部102杆体
103端头
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1～3所示，超声波谐振破碎装置，包括变幅杆1、料液套筒2、谐振管5以及端堵。
所述变幅杆1由上而下包括顶部101、杆体102以及端头103；所述顶部101连接超声换能器，所述端头103的下端横截面为变幅杆端面4。
如图4所示，所述料液套筒2为具有中空腔体的圆柱体，包括上端和下端。料液套筒2的下端侧壁设有出料口11，所述出料口11与料液套筒2的中空腔体连通。
如图5所示，所述谐振管5为中部具有中空腔体的圆柱体，安装于料液套筒2下端。
所述变幅杆1穿过料液套筒2的中空腔体，且其端头103伸入谐振管5的中空腔体内。变幅杆1的端头103与谐振管5的中空腔体内壁间留有出料环隙10。安装时，变幅杆1、料液套筒2以及谐振管5的中空腔体共轴。
所述端堵安装于谐振管5的下端，端堵设有进料口，使料液进入谐振管5的中空腔体内。
所述端堵为中心微孔端堵7、周向环隙端堵13和声容腔体端堵18中的一种；进料口与上述端堵依次对应分别为进料孔9、“t”形进料孔15以及声容腔进料孔20。
图1是本发明端堵为中心微孔端堵的超声波谐振破碎装置的剖面图。如图1和图6所示，所述中心微孔端堵7包括固定端和进料端。固定端设有平面凹槽，凹槽的中部设有中心微孔凸台8，进料端设有进料孔9，所述进料孔9贯穿进料端与中心微孔凸台8。
所述固定端的平面凹槽与谐振管5的下端配合，中心微孔凸台8与谐振管5的中空腔体对应。当中心微孔端堵7的固定端与谐振管5的下端连接时，所述中心微孔凸台8位于谐振管5的中空腔体内。此时，中心微孔凸台8的上表面与变幅杆端面4之间的谐振管5的中空腔体为中心微孔硬壁面谐振深度区6。所述中心微孔凸台8的外圆周与谐振管5的中空腔体内壁紧密配合。谐振管5的中空腔体的横截面面积与进料孔9的横截面面积之比大于等于50。所述中心微孔硬壁面谐振深度区6的长度为谐振波波长的1/2。
图2是本发明端堵为周向环隙端堵的超声波谐振破碎装置的剖面图。如图2和图7所示，所述周向环隙端堵13包括固定端和进料端。固定端设有平面凹槽，凹槽的中部设有周向环隙凸台14；进料端设有“t”形进料孔15，“t”形进料孔15包括水平孔和竖直孔，其中，水平孔径向贯穿周向环隙凸台14并位于其底部，竖直孔连通水平孔和进料端下表面。所述固定端的平面凹槽与谐振管5的下端配合，周向环隙凸台14与谐振管5的中空腔体对应。当周向环隙端堵13的固定端与谐振管5的下端连接时，所述周向环隙凸台14位于谐振管5的中空腔体内，周向环隙凸台14的外圆周与谐振管5的中空腔体的内壁之间形成周向环隙16。此时，周向环隙凸台14的上表面与变幅杆端面4之间的谐振管5的中空腔体为周向环隙硬壁面谐振深度区12。所述周向环隙凸台14的外圆周与谐振管5的中空腔体内壁间隙配合。谐振管5的中空腔体的横截面面积与“t”形进料孔15的竖直孔的横截面面积之比大于等于50。所述周向环隙硬壁面谐振深度12的长度为谐振波波长的1/2。
图3是本发明端堵为声容腔体端堵的超声波谐振破碎装置的剖面图。如图3和图8所示，所述声容腔体端堵18包括固定端、声容腔19和进料端。进料端设有声容腔进料孔20，声容腔进料孔20与声容腔19连通。当声容腔体端堵18的固定端与谐振管5的下端连接时，所述声容腔19与谐振管5的中空腔体连通。此时，变幅杆端面4之下的谐振管5的中空腔体为声容软壁面谐振深度区17。声容腔19的横截面面积与谐振管5的中空腔体的横截面面积之比大于等于50。声容软壁面谐振深度区17的长度为谐振波波长的3/4。
所述中心微孔硬壁面谐振深度区6和周向环隙硬壁面谐振深度区12的长度为37mm。
优选地，变幅杆1为多段组合式的复合型变幅杆，端头为等截面圆柱杆。
优选地，所述变幅杆端面4的直径为8～10mm。
优选地，出料环隙10的径向宽度大于进料颗粒粒径。
优选地，所述谐振管5的中空腔体的横截面直径为8.2～10.2mm；出料口11的直径为1～2mm。
优选地，中心微孔凸台8或周向环隙端堵凸台14伸入谐振管5的中空腔体的长度为10～12mm。
超声波谐振破碎方法，包括如下步骤：
使用时，谐振管5垂直布置，超声换能器位于最高点。
a)根据接受能量的要求和高声压区间幅宽设定注料泵每次的注料量和注料间隔时间；
注料形式为定容脉动形式，每个脉动注料周期的注料体积为谐振管5的中空腔体的横截面面积×1/8波长。
优选地，所述注料量为0.5～2ml，注料间隔时间为1～2s；
b)调节料液3的温度，使进入谐振管5的中空腔体的料温低于15℃；
c)通过端堵的进料口向谐振管5的中空腔体注料，使料液充满谐振管5的中空腔体；
根据实际需求选择端堵的类型，即从中心微孔端堵7、周向环隙端堵13和声容腔体端堵18中选择一个。
通过进料孔9、“t”形进料孔15或声容腔进料孔20向谐振管5的中空腔体注料，使料液充满谐振管5的中空腔体；
d)将变幅杆1插入料液套筒2，并使变幅杆端面4浸入充盈料液3的谐振管5的中空腔体内；确保变幅杆1、料液套筒2以及谐振管5的中空腔体共轴；变幅杆1的变幅杆端面4与谐振管5的中空腔体端口壁面平行。
当谐振管5的中空腔体的底部为中心微孔端堵7或周向环隙端堵13时，形成硬壁面边界谐振深度区；当谐振管5的中空腔体的底部为声容腔体端堵18时，形成软壁面边界谐振深度区。
当谐振管5的中空腔体的底部为周向环隙端堵13时，周向环隙端堵凸台14的外圆周和谐振管5的中空腔体的内壁之间形成周向环隙16。
e)利用注料泵向谐振管5的中空腔体内注料；
f)将变幅杆1与超声换能器连接，启动超声换能器，并使其带动变幅杆1进行振幅增益和能量输送；
变幅杆1的变幅倍数大于10。
g)变幅杆端面4对谐振管5的中空腔体内的料液进行破碎，破碎后的料液3通过出料环隙10进入料液套筒2。
h)破碎完毕后，收集由出料口11流出的处理后的料液3并分离出微细颗粒。
所述超声换能器与调制电源连接，调制电源供电频率20khz，输出功率可调，输出功率0～200w。
所述料液包括待破碎料及载料介质，其中，载料介质为纯水。
本发明的超声波谐振破碎方法的原理为，利用超声波谐振破碎装置，将超声波能量连续导入特定结构的谐振管5的中空腔体内，利用能量在其中的激荡、增益，提高谐振管5的中空腔体内声压幅值，形成较大的峰谷幅值压差，造就高量级、高密度的超声能量场，并适时导入脉动液料，在料液流经谐振管腔过程中进行高效的能量转化、吸收，为微细化提供高强破碎能量供给。该方法利用超声波的空化效应，提供高强冲击能，且由于其呈现一定的场能分布形式，使得超声波成为可选的有效能量供给形式。能在高能量量级的基础上，进行超声能的汇集、积累，实现单位体积液料内能量密度的可调可控，则能使超声能的转化利用得到提高，形成高品质的破碎能，使得能量效率和破碎效率的综合提高，并有效降低对超声能供给形式的要求以及设备的造价和运行消耗。
超声波谐振破碎装置的三种不同端堵具有不同的特点，可根据需求进行选择。
使用中心微孔端堵7时，通过进料孔9向谐振管5的中空腔体注料。中心微孔端堵7为损耗件，其结构简单，且料液在硬质壁面处获取冲击能强化破碎效果，缺点是壁面处受持续的空化、冲击作用后，中心微孔凸台8上的进料孔9尺寸发生变化，导致进料量增大。
使用周向环隙端堵13时，料液通过“t”形进料孔15和周向环隙16进入谐振管5的中空腔体内。周向环隙端堵13为损耗件。它使得料液在硬质壁面处能够获取冲击能，强化破碎效果。由于“t”形进料孔15不直接受到冲击，使得其尺寸不发生变化。缺点是壁面处仍会受持续的空化、冲击作用而破坏，且结构较为复杂，料液堵塞时不易清理。
使用声容腔体端堵18时，料液通过声容腔进料孔20充满声容腔19后，进入谐振管5的中空腔体内。声容腔体端堵18为非损耗件，其结构简单，声能在声容软壁面谐振深度区17的边界全反射，可有效提高声能的利用效率。端堵不受冲击和空化作用。缺点是声容软壁面谐振深度区17的边界无冲击能强化作用，破碎能有所损失。