[发明专利]用低频高能超声波对液体超声的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用低频高能超声波对液体超声的方法与装置，它由一个低频高能超声波系统组成，其具有至少一个超声波探头，伸出在一个反应器容器中，液体经至少一个入口孔和至少一个出口孔流经该容器。

背景技术

低频高能超声波(NFLUS)是工作频率为15～100kHz，优选地为15～60kHz，比如20kHz，和超声波功率为10W以上，优选地为100～20,000W，比如8,000W的超声波。为产生超声波，要应用比如压电或磁致系统。已知有线性的声转换器，以及扁平的或弧形的板式振动器或管式谐振器。低频高能超声波大量应用在液体处理方面，如食品、化妆品、颜料和纳米材料。低频高能超声波对被处理液体的作用主要基于在液体中产生的空化现象(cavitation)。通过使液体超声，可产生空化。空化已知能使超声波探头表面磨损，该表面(传播振动的超声波探头表面)用于将大振幅振动在液体介质中传播。这种超声波探头材料比如钛的销蚀材料被释放在发声液体中。该磨损因此导致更换超声波探头的成本和被超声液体的早污染。

为减少或抑止这种材料销蚀和磨损，已经采用了不同的方法。

根据DE 199 38 254.9，在一个用低频高能超声波产生声波的反应器容器中产生一个压力，该压力完全或不断地抑止在该反应器容器中的空化。由此将极大地或完全避免磨损和材料销蚀。同样也可极大地或完全避免空化对液体的影响。

根据DE 10 2004 025 836A1已知有一种方法，用它能够自身借助于超声波探头和被超声介质之间的一个层来极大地或完全避免空化对传播振动的超声波探头表面的磨损。但该法也对传播振动的层产生磨损，由此便要求对该层更换/补充。

还有一种方法将低频高能超声波聚焦在一个区域内，该区域远离传播振动的超声波探头表面。这种方法的缺点是用于聚焦超声波的装置增加了体积。由于比如声音波长在20kHz时在水中为60～80mm，而一个透镜的合理尺寸至少为该波长的10倍，这样一个用来聚焦超声波的透镜的直径就要大于600mm。此外，空化对声场有干扰。

可以将低频高能超声波导入一种耦合液，比如水中，关于这一点请参看DE 102 43 837.4。该液体将振动传播到一个容器壁，比如玻璃，在其相对的一侧是要超声的液体。由此造成效率损耗，且因此造成超声强度降低。在振动容器壁上也造成磨损/销蚀。

采用对声波传播表面涂覆和表面硬化处理可减缓或避免磨损。但涂覆是昂贵的，且其功效受时间的限制。此外，涂覆的材料在液体中也会产生销蚀。

发明内容

本发明的任务是提供一种方法和与之相关的装置，用它能够将在传播振动的超声波探头表面的近区域中作用在传播振动的超声波探头表面上的空化作用，以及由此引起的传播振动的超声波探头表面的磨损量降低50％以上直至完全抑止掉。

本发明的任务是由权利要求第1、9、14和22条所述的特征来解决的。有目的的配置形式是从属权利的内容。

根据本发明，在反应器容器内部的传播振动的超声波探头表面的近区域中产生一个接近或高于压力/幅值特性曲线的压力/幅值组合，用它来极大地或完全抑止空化，且在反应器容器的其他区域内至少随区域地，和至少随时间地产生一个低于压力/幅值特性曲线的压力/幅值组合，由此来产生空化。

在如水或油，以及乳浊液、悬浊液或弥散液中形成空化，在给定的温度，比如20℃，和给定的声频率，比如20kHz条件下，则取决于振动幅值A和液体压力p。对每个给定的振动幅值A，在上述条件下均有一个最高液体压力pmax(A)，在它之上能够完全抑止空化的产生，因为在p＞pmax(A)时，液体被压在传播振动的超声波探头表面上，这样便不能出现局部真空气泡。与此相反，对每个液体压力p均有一个最小振动幅值Amin(p)，在低于它时不可能产生空化。

一种按照本方法工作的装置根据本发明的一个第一变型如下地配置，即将入口孔配置成使液体直接撞击在传播振动的超声波探头表面上，在传播振动的超声波探头表面的近区域中支配有一个接近或高于压力/幅值特性曲线的压力，由此来极大地降低或完全抑止空化。

根据本发明的一个第二变型，将反应器容器的截面通过至少一种收缩部如下地减少，使得在传播振动的超声波探头表面上产生一个近区域，其中支配有一个接近或高于压力/幅值特性曲线的压力，由此来极大地降低或完全抑止空化。

根据本发明的另一个变型，将反应器容器的工作截面积根据到传播振动的超声波探头表面的距离设计成逐段连续地或逐级地减小。