多功能大流量超聲噴霧系統及其應用的製作方法

2023-05-14 19:31:56

專利名稱：：多功能大流量超聲噴霧系統及其應用的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種高效超聲霧化系統，特別是涉及一種多功能大流量超聲噴霧系統，屬聲學超聲霧化和超細粉體製備工程
技術領域：
，在該領域有著重要的應用價值。超細粉體製備和超聲有機合成是現代材料科學和聲化學應用領域中的前沿研究課題。由於強功率超聲在液體和固體界面上所形成的超聲空化效應為研究聲化學和進行超細粉體製備創造了極端的高溫、高壓條件，運用強振幅大流量的超聲霧化技術是完全可能實現上述的目的。超聲噴霧系統就是利用強功率超聲波作用於液體介質上，並在聚能器輻射面上產生空化效應的霧化裝置。市售的醫用超聲霧化器。家用增溼器以及專利文獻記載的超聲噴油燃燒器、油印超聲噴墨裝置(參看專利CN87100781，CN85107669，JP62221462，US4352429)其專用性強，僅分別適用於霧化水、柴油、油墨等，且噴霧系統流量不大(以＜1升/小時計)，無法適用於生產。近年還有超聲細胞破碎器，浸入式超聲化學反應器亦因價格昂貴，功耗高，噪聲大，超聲聚能器易發熱，霧化效率低，不能長期運行因而不能在工業生產上推廣應用。本發明的目的在於提供一種多功能、大流量(以≥20升/小時計)的超聲噴霧系統，以解決現有超聲噴霧裝置的諸多缺點，實現噴霧流量大、功能多、功耗低、噪聲小、超聲聚能器和功率電源長期運轉穩定可靠，適於工業化生產並可廣泛應用。本發明的全套系統由超聲聚能器Ⅰ，功率超聲發生器Ⅱ和可控流速的循環裝置Ⅲ三個部分組成。以下結合附圖描述本發明的主要技術內容。圖1為本發明的超聲噴霧系統的裝配示意圖，圖中Ⅰ系超聲聚能器，其核心部件為噴頭A，Ⅱ系功率超聲發生器，核心部件為功率超聲發生器B，Ⅲ為可控流速的循環裝置。分述如下圖2為噴頭A1的結構示意圖，它由兩片壓電陶瓷3，其間有電極4，由前蓋板2、後蓋板5(包括緊固螺母6)與其組成夾心式結構。中間為流體通道7，霧化端面1位於聚能器的小端面，整個聚能器是λ/2振子或者是λ/4的奇數倍。為了達到大的噴霧流量以適應工業生產的需要，採用了三條技術措施(1)嚴格按照λ/2或者λ/4整數倍的複合振子進行計算和加工，使聚能器輻射面上的振幅值達幾十微米。(2)在保證有足夠大的驅動聲功率的同時，擴大主通道內徑，以增加單位時間流量。(3)適度增大輻射面的表面積，採用A2、A3、A4所示的結構，(見圖3、4、5它們分別為噴頭A2、A3、A4結構示意圖)。A2的霧化端面噴霧口加工成擴大的螺旋狀的霧化面8，A3的霧化端面加工成帶外螺旋狀的小霧化端面1，在其上均勻分布數個小孔9，並與流體主通道7相連通。A4的霧化端面1背面上方設置一個懸立的多孔道10，為一路流體，經多孔小通道注入霧化端面的背面，形成雙面輻射，增大霧化量。為了製備各種不同組成的細顆粒陶瓷粉體，霧化端面和內壁用等離子噴塗耐磨塗層，以防止磨損和腐蝕。第Ⅱ部分為寬頻帶、低功耗、輸出阻抗可調的功率超聲發生器B(見圖1及圖6)其作用是為超聲聚能器A提供強功率，頻率調諧至壓電振子共振頻率的驅動信號，使聚能器幅射面產生幾十微米的振幅，從而使各種流體介質在幅射面上被霧化，或者進行聲化學反應。它由功率超聲發生器圖6給出。圖6中有5個組成單元，精密波形發生器11、驅動電路12、功率放大電路13、匹配網絡14、調製掃頻控制電路15，圖中A為噴頭。為達到整機工作穩定，在精密波形發生器電路設計中，採用了專用集成電路，以產生頻率穩定，且不受外電源波動影響的脈衝信號，同時具有工作頻率範圍寬，輸出阻抗可變的特點。在功率放大電路設計中，選用了VMOS器件＊取代了通常的電晶體器件。提高了整機的開關速度，降低了功耗，運行可靠。且體積小。同時功放電路採用了推挽功率合成網絡，因而電源利用率高，功耗低器件不易損壞。為了提高超聲聚能器噴霧穩定性和霧化效率以及降低功耗，採用了串聯電感的匹配網絡。同時設計了調製掃頻控制電路15，控制波形發生器11產生掃頻信號，使超聲聚能器A產生不影響主振頻率的微弱不規則振動，以去除吸附在輻射端面上的液體或漿料，使整個系統能連續運行。第Ⅲ部分為可控制流速的循環系統(見圖1)，圖中C為流體泵;D為容器(玻璃、不鏽鋼、塑料等);E為電動攪拌器;F為帶磁力攪拌的溫控加熱器;G為液體或漿料液的流動管道，H為超聲聚能器的電源線。本系統可根據適用需要，擇用不同的組合A、B、C、D、F組合，構成超聲噴霧化學反應器;A、B、C、D、E組合，構成超細粉體細化器;A、B、C、D組合，構成各類釀酒、釀醋、飲料和香水的陳化調香器。本發明的效果如下1.本發明研製的超聲聚能器長度比現有技術通用的壓電聚能器縮短一半，且結構簡單，霧化效率高。2.由於超聲聚能器以及整個系統的多種設計方案，增強了輻射面的振動幅度，增大了霧化表面積，提高了超聲噴霧流量，可達20升/小時以上，可自動去除輻射面上吸附的液體或漿料。3.本發明中設計的寬頻帶，低功耗的超聲發生器與專利文獻記載的超聲噴油燃燒器，市售醫用噴霧器相比有工作頻率範圍寬、功耗低、負載能力強等優點，能很好地與不同工作頻率、不同阻抗值的聚能器進行匹配，一機多用，成本低，見下表所示。4.本發明在聲學超聲霧化和超細粉體製備工程領域有著廣泛用途聲化學應用(酒類陳化、香水熟化、酯類聲化學合成)陶瓷粉體製備等。5.利用本系統亦可粉碎細化各種動物殼體，如製備蝦殼粉、蟹殼粉、珍珠粉、魚骨粉等，還可用於製備超細顆粒的尼龍，聚乙烯粉體等可用於磨麵美容霜中的添加劑。表1本發明與現有技術比較以下為本發明實施例(一)本超聲霧化系統的配置系統由超聲聚能器Ⅰ、功率超聲發生器Ⅱ和可控流速的循環裝置Ⅲ三部分組成。(1)超聲聚能器Ⅰ由兩片壓電陶瓷片3，其間有電極4，與金屬前蓋板2和金屬後蓋板5(包括緊固螺母6)構成夾心式壓電聚能器，中間為流體通道7，霧化端面1位於聚能器的小端面。(2)功率超聲發生器B由精密波形發生器11產生頻率穩定可調的脈衝信號，經驅動電路12輸出，方波驅動信號推動由VMOS器件組成的功率放大電路13，信號輸出經匹配網絡14，加到壓電振子上，並在超聲噴頭A上產生強烈的振幅，經調製掃描控制電路15，控制波形發生器作掃頻輸出。(3)可控流速的流體循環網絡內插有電動攪拌器E的容器D坐於帶磁力攪拌的控溫加熱器F上，超聲聚能器Ⅰ位於容器D的一側，另一側開口處，流體或漿料經管道G與流體泵C流通。借超聲聚能器的電源線H與超聲功率發生器B相連接。(二)聲化學應用由圖1所示A、B、C、D及F組合構成陳化調香器或酯經化學反應器。1.酒類陳化(1)洋河普曲(二級，55°)經超聲陳化循環後，由上海糧油測試中心用氣相色譜儀分析，證實白灑中乙醛明顯減少，己酸乙酯，乳酸乙酯有所增加(見表2)，因而改善了白酒的辛辣口味，增加了醇香味，提高了白酒的質量(見附錄1，氣相色譜圖)。表2酒類超聲陳化效果(2)蘇州東吳酒廠生產江蘇老酒(＞16°)經超聲陳化循環三次，由該廠技術科鑑定，相當於該酒貯存三年的質量(見附錄2)。該酒常年出口日本。2.香水熟化在上海日用化學品四廠支持下，取新鮮配製的古龍香水進行超聲霧化處理，經鑑定確認處理之後，古龍香水氣味柔和，減少了刺激性(見附錄3)。3.乙酸乙酯的聲化學合成在上海有機化學研究所合作下，將等摩爾量冰乙酸和無水乙醇混合，在不加H2SO4催化劑和室溫條件下經超聲霧化處理，生成具有香蕉味的乙酸乙酯。目前該裝置已正式用於科研工作，代替了以往的實驗儀器。(三)超細粉體製備技術超細粉體細化器由圖1中A、B、C、D、E所組合，流體泵C可使用蠕動泵或者齒輪泵。1.聚四氟乙烯粉體取經80目篩子過篩的Tetlon粉末配製成20%(W/V)的乙醇溶液，投入D容器內，攪拌與循環輸送進行超聲噴霧，其結果見表3所示。表3聚四氟乙烯粉體超聲製備效果2.陶瓷粉體製備取經20目篩過的半導體陶瓷粉體配製成15%(W/V)的乙醇溶液，投入D容器內，攪拌與循環輸送進行噴霧，未經超聲霧化處理之前，粒徑1μm以下的顆粒佔總數的20%，經處理之後1μm以下的顆粒佔總數的80%，具有明顯的粉碎作用，見附錄3，同時用電子探針進行顆粒分析，經超聲霧化處理後，圖像已明顯看出顆粒變小，團聚少，分散性好。見附錄4。充分顯示了超聲霧化對於製備超細粉體有明顯的作用。超聲聚能器的端面用等離子噴塗技術噴上一層耐磨塗層，則本系統可用於粉碎細化氮化矽、氧化鋯等硬質粉料。利用本系統亦可粉碎細化各種動物殼體，如蝦殼粉、蟹殼粉、珍珠粉、魚骨粉等，還可以製備超細顆粒的尼龍，聚乙烯粉體等可用於磨麵美容霜中的添加劑。權利要求1.一種多功能大流量超聲噴霧系統，包括超聲聚能器、超聲功率發生器、流體循環網絡，其特徵在於(1)超聲聚能器Ⅰ由兩片壓電陶瓷片3，其間有電極4，與金屬前蓋板2和金屬後蓋板5(包括緊固螺母6)，構成夾心式壓電聚能器，中間為流體通道7，霧化端面1位於聚能器的小端面。(2)功率超聲發生器B由精密波形發生器11產生頻率穩定可調的脈衝信號，經驅動電路12輸出，方波驅動信號推動由VMOS器件組成的功率放大電路13，信號輸出經匹配網絡14，加到壓電振子上，並在超聲噴頭A上產生強烈的振幅，經調製掃描控制電路15，控制波形發生器作掃頻輸出。(3)可控流速的流體循環網絡內插有電動攪拌器E的容器D坐於帶磁力攪拌的控溫加熱器F上，超聲聚能器Ⅰ位於容器D的一側，另一側開口處，流體或漿料經管道G與流體泵C流通，借超聲聚能器的電源線H與超聲功率發生器B相連接。2.根據權利要求1的超聲噴霧系統，其特徵在於超聲聚能器Ⅰ可採用A2結構，A2的霧化端面噴霧口加工成擴大的螺旋狀的霧化端面8。3.根據權利要求1的超聲噴霧系統，其特徵在於超聲聚能器Ⅰ可採用A3的結構(1)A3的霧化端面加工成帶外螺旋狀的霧化端面;(2)端面1周圍均勻分布多個小孔與流體主通道G相連通。4.根據權利要求1的超聲噴霧系統，其特徵在於超聲聚能器Ⅰ可採用A4的結構，在霧化端面1的背面，另設置一個懸立的多孔道9，另一路流體由多孔小通道注入霧化端面的背面。5.根據權利要求1的超聲噴霧系統，其特徵在於功率超聲發生器B，採用以VMOS器件組成的推挽功率合成電路。6.一種多功能大流量超聲噴霧系統，其特徵在於可適用的範圍是(1)聲化學應用-酒類、醋類陳化、香水熟化、酯類的聲化學合成等;(2)超細粉體製備技術-有機塑料粉體、陶瓷粉體、螢光粉、各種動物殼體等。7.根據權利要求1的超聲噴霧系統，其特徵在於(1)超聲聚能器Ⅰ、功率超聲發生器B、流體泵C、容器D組合，可構成釀酒、釀醋、香水、飲料的陳化調香器;(2)由超聲聚能器Ⅰ、功率超聲發生器B、流體泵C、容器D及控溫加熱器F組合，構成超聲噴霧化學反應器;(3)由超聲聚能器Ⅰ、功率超聲發生器B、流體泵C、容器D及電動攪拌器E組合，構成超細粉體細化器。全文摘要本發明涉及一種多功能大流量高效超聲噴霧系統屬聲學超聲霧化和超細粉體製備工程領域。它由構思獨特、結構簡單，易於加工的高效壓電超聲聚能器和設計新穎的功率超聲發生器所組成的噴霧系統，以及配上行程合理的不同結構的流體循環網絡可裝配成釀酒、釀醋和香水的陳化調香器，酯化合成的化學反應器和陶瓷粉末，聚合物高分子等粉體的細化器，本系統的特點是噴霧流量大，霧滴尺寸可控，低功耗、無噪聲、體積小、重量輕巧。功率發生器參數可調範圍大，應用廣泛，成本低等。文檔編號B05B17/06GK1089889SQ92108648公開日1994年7月27日申請日期1992年11月30日優先權日1992年11月30日發明者殷慶瑞,王通,惠森鑫,姚烈申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所