Ультразвуковой компрессор и ороситель на его основе

 

Ультразвуковой компрессор и ороситель на его основе может быть использован в медицинской технике или другой области техники, где требуется повышенная чистота подаваемого воздуха и не требуется высокая производительность. Компрессор представляет собой специальный клапан, размещенный на опорной поверхности концевого элемента вибратора через газовую пленку смазки. Ороситель на основе данного компрессора позволяет осуществить синхронную с работой ультразвукового концентратора, включающего основной и дополнительный концентраторы, подачу жидкости и получить улучшение и удобство в обслуживании и эксплуатации оросителя, 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой технике и, в частности, к устройствам для нагнетания газа и может найти применение в качестве компрессора в медицинской технике или другой области техники, где требуется повышенная чистота подаваемого воздуха и не требуется высокая производительность.

Известны высокочастотные устройства для транспортировки жидких сред, включающие электромеханические преобразователи (см. например, SU, а.с., N 581326, Кл. F 04 F 7/00, 1977), которые в принципе могут быть использованы для транспортировки газа. Однако вследствие сжимаемости газа (особенно при учете сравнительно большого объема камер вибронасоса по а.с. N 581326), большой величины сил вязкостного трения, возникающие на высокой частоте при протекании газа в соединительных магистралях, производительность такого устройства близка к нулю. Можно было бы ожидать наличие расхода газа вследствие увеличения средних за период колебаний давлений в камерах, однако при этом исчезает перистальтический эффект, т.к. средние за период давления во всех камерах одинаковы.

Наиболее близким к предложенному ультразвуковому компрессору является ультразвуковой компрессор, содержащий разделенные зазором две опорные поверхности, по меньшей мере одна из которых связана с рабочими элементами электромеханического вибратора электрически связанного с источником ультразвукового напряжения (SU, авторское свидетельство, 1044842, кл. F 04 F 7/00, 1983).

Наиболее близким к предложенному оросителю является ороситель, содержащий электромеханический вибратор с устройством для озвучивания жидкости, подаваемой из емкости (SU, авторское свидетельство, 1577858, кл. B 05 B 17/04, 1990).

В известном компрессоре получение высоких градиентов амплитуды при использовании собственных форм изгибных колебаний затруднено, т.к. на высоких частотах усложняются формы колебаний, но малы амплитуды, а на низких частотах большие амплитуды, но более простые формы колебаний.

Недостатком известного оросителя является 1. Использование внешнего нагнетателя увеличивает массу и габариты устройства, повышает его энергопотребление.

2. Создание напора жидкости за счет перепада высот не всегда удобно и делает практически невозможным использование устройства при постоянном его перемещении (например, при использовании его участковым врачом в качестве ингалятора); 3. Для экономии раствора часто требуется создание добавочного синхронно-выключающего устройства, которое обеспечивает прекращение подачи жидкости при выключении питания генератора; 4. Даже при наличии синхронно-выключающего устройства может происходить "пустой" расход жидкости, когда возникает рассогласование резонансной частоты концентратора с частотой питания и струя выходит озвученной не в должной мере или не озвученной вообще. При использовании такого устройства в медицинских целях существование вышеуказанного режима ведет к отсутствию лечебного эффекта с вытекающими отсюда последствиями.

Задачей изобретения является увеличение среднего за период колебаний расхода газа в компрессоре и увеличение тем самым его производительности, создание ультразвукового неэнергоемкого малогабаритного нагнетателя, производительность которого зависит от степени согласования резонансной частоты концентратора с частотой питания.

Для решения этой задачи предлагается ультразвуковой компрессор, включающий разделенные тонким зазором две опорные поверхности, по меньшей мере одна из которых связана с рабочими элементами электромеханического вибратора, электрически связанного с источником ультразвукового напряжения, в центре одной из поверхностей выполнено отводное отверстие для газа, при этом опорные поверхности профилированы с зазором на периферии меньше зазора в геометрическом центре опорных поверхностей не менее, чем на 30 процентов от величины зазора на периферии, а величина зазора на периферии не превышает трех суммарных амплитуд колебаний опорных поверхностей.

Указанное профилирование зазора обеспечивает высокую величину градиента давлений, т.к. в данном случае изменение амплитуд колебаний и соответствующих им давлений обеспечивается конструкций, а не физически реализуемой формой собственных колебаний и связанных с этим недостатками. В данном случае можно использовать и равномерные по площади колебания, создавая высокую величину градиента давлений только за счет профилирования.

Кроме того, ороситель, содержащий электромеханический вибратор с устройством для озвучивания жидкости, подаваемой из емкости, снабжен ультразвуковым компрессором и прижимно-направляющим устройством с опорной пластинкой, электромеханический вибратор выполнен в виде основного и дополнительного ультразвуковых концентраторов, расположенных симметрично, при этом в дополнительном концентраторе выполнен канал для отвода воздуха, сообщенный с емкостью, выполненной герметизированной, а компрессор образован опорными поверхностями дополнительного концентратора и опорной пластинки, прижатыми друг к другу с помощью прижимно-направляющего устройства.

Кроме того, прижимно-направляющее устройство может быть конструктивно совмещено с опорной пластиной и представляет собой цилиндрическую втулку, на одном из торцов которой соосно размещена опорная пластинка, а нижняя часть втулки размещена с зазором на конце концентратора.

Основным моментом новизны здесь является размещение дополнительного и основного концентратора в виде одного вибрационного блока с общей резонансной частотой колебаний.

На фиг. 1 представляем пример конструкции ультразвукового компрессора с профилированием опорных поверхностей; на фиг. 2 показана конструктивная схема оросителя (распылителя).

Ультразвуковой компрессор состоит из нагрузочного элемента 1, выполненного в форме круглой пластинки, которая крепится к основанию через пружинки 7.

Электромеханический преобразователь выполнен в виде вибратора Ланжевена и содержит концевые элементы 2 и 4, которые имеют форму плоских дисков. Размер вибратора в осевом направлении составляет величину, равную половине длины звуковой волны в его материале на рабочей частоте f_o. Пьезокерамический преобразователь 3 подключен к источнику переменного напряжения с частотой f_o. Вибратор закреплен на корпусе с помощью упругих виброизолирующих лепестков. Опорная поверхность нагрузочного элемента профилирована так, что (h1 - h2)/h2>0,3, где h1 - зазор в геометрическом центре опорных поверхностей нагрузочного элемента и концевого элемента; h2 - минимальный зазор на периферии.

Для отвода воздуха в центре вибратора выполнено отводное отверстие, в которое вкручен штуцер 5 с эластичной трубкой 6, которая осуществляет подвод воздуха потребителю.

Работа компрессора осуществляется следующим образом.

При подаче питания от источника переменного напряжения на электроды пьезопреобразователя 3, последний начинает совершать колебания, включая и колебания по толщине. Это вызывает резонансные колебания вибратора в осевом направлении, т. к. для заданной частоты его размер определяет полуволновой резонанс в осевом направлении и, следовательно, реализуется максимальный уровень амплитуд колебаний и КПД Высокочастотные колебания опорной поверхности вибратора вызывают высокочастотное изменение зазора. Если частота изменения зазора сравнительно невелика, то газ втекает и вытекает из зазора. С ростом частоты увеличиваются силы вязкого трения, препятствующие течению газа в зазоре. Начиная с некоторой граничной частоты, течение газа в центральной зоне (R1<r<R2) отсутствует и зазор ведет себя точно так же как поршень, т.к. при уменьшении зазора давление увеличивается, а при увеличении - уменьшается. В силу того, что газ является нелинейной средой, при одинаковых изменениях зазора в сторону увеличения и в сторону уменьшения давление при сжатии значительно больше, чем при разряжении. Поэтому в среднем за период колебаний появляется избыточное давление и, следовательно, несущая способность, определяющая разделение опорных поверхностей. Это полностью соответствует принципу работы вибронесущих газовых опор (см. Салбю Сдавливаемые пленки сжимаемой жидкости и подшипники со сдавливанием пленки смазки // Теоретические основы инженерных расчетов: ТАОИМ; Серия Д. - 1964, N 2 - с. 225 ... 238).

Т. о. мы показали, что течений газа с частотой изменения зазора нет, а есть избыточное давление и несущая способность слоя газовой смазки. Однако профилирование зазора создает неоднородное по площади опорных поверхностей распределение средних за период избыточных давлений, которые, как и в случае прототипа, вызывают в среднем за период колебаний расход газа. Первопричиной этого расхода является уже не наличие изгибной формы колебаний, а профилирование зазора. Формула для массового расхода газа в этом случае имеет вид: M = П_pP_ah³₂/(8mIn(R1/R2))((H1/h1)²-(H1/h2)²/, где h1 и h2 - зазор в центре и на периферии; H1 - амплитуда колебаний опорной поверхности вибратора.

Характерно, что абсолютная величина массового расхода газа зависит от зазора в третьей степени и не зависит от абсолютной величины внешнего радиуса и, следовательно, необходимо стремиться как можно к большей амплитуде колебаний опорной поверхности. Это объясняется тем, что величина зазора должна выбираться 1) из условия существования изменений безразмерного зазора, т.е. величина зазора должна быть сравнима по абсолютной величине с максимальной величиной профиля;
2) и из условия существования безразмерной амплитуды колебаний, т.е. величина амплитуды колебаний опорной поверхности вибратора должна быть сравнима с величиной зазора.

Выполнение этих требований определяет наличие избыточного давления в слое, что обеспечивает бесконтактную работу опорных поверхностей компрессора и создает условия для протекания газа в центральную область зазора.

Экспериментально подтверждено, что высокопроизводительная работа компрессора происходит, когда зазор на периферии меньше зазора в геометрическом центре не менее чем на 30%, т.е.

(h1 - h2)/h2>0,3,
а величина зазора на периферии не превышает трех амплитуд колебаний опорной поверхности вибратора. Естественно, что величина зазора должна быть больше величины амплитуд, т.к. в противном случае происходит вибрационный контакт опорных поверхностей.

Представленная на фиг. 1 конструкция, может быть видоизменена. Нагрузочный элемент 1 может быть выполнен в виде аналогичного вибратора Ланжевена. В этом случае суммарная амплитуда колебаний фактически удваивается, и при прежней величине несущей способности увеличивается примерно вдвое межопорной зазор и примерно в восемь раз увеличивается расход газа.

Производительность такого компрессора невелика и не превышает обычно 8 . . . 10 мм³/с при давлении нагнетания (0,3 ... 0,35)10⁵ H/м², поэтому использование его предполагается преимущественно в медтехнике.

Наиболее целесообразным использованием предлагаемого компрессора является создание гибридных конструкций, в которых функция компрессора сочетается с функцией другого ультразвукового устройства. Это позволяет получить существенное увеличение экономичности за счет использования общего источника питания и пьезоактивных преобразователей без увеличения энергопотребления.

Удачным, на наш взгляд, является совмещение в одном устройстве функций компрессора и таких популярных ультразвуковых устройств как устройства ультразвукового орошения (распыления) и ультразвуковые ванны.

Ороситель состоит из двойного ультразвукового концентратора в сборе, включающего расположенных симметрично дополнительный концентратор 8 и основной концентратор 9 с пьезоактивными преобразователями 10, прижимно-направляющего устройства в сборе, состоящего из профилированной опорной пластинки 11, цилиндрической втулки 12 и пластинчатой пружины 13, закрепленной на кожухе устройства. В теле втулки 12 выполнены отверстия для подачи воздуха в зазор. При этом на одном из торцов цилиндрической втулки 12 размещена опорная пластина 11, при этом внутренняя часть втулки 12 расположена с зазором на конце дополнительного концентратора 8. На корпусе основного концентратора 9 закреплен кожух устройства (на фиг. 2 не показан), а по оси концентратора размещено устройство озвучивания жидкости, представляющее собой канал, в конце которого размещена форсунка для дозированной подачи жидкости.

Аналогично основному концентратору 9 по оси дополнительного концентратора 8 выполнен канал для отвода воздуха. Оба вышеуказанных канала соединены гибкими трубками 14 с герметизированной емкостью 15, причем забор жидкости производят со дна камеры.

Компрессор образован опорными поверхностями дополнительного концентратора 8 и опорной пластинки 11, прижатыми друг к другу с помощью прижимно-направляющего устройства.

Работа оросителя происходит следующим образом. При подаче напряжения питания от источника ИПУЗ с частотой, совпадающей с частотой продольного резонанса двойного концентратора, происходят интенсивные колебания рабочих концов концентраторов 8 и 9. Интенсивные колебания рабочего конца концентратора 8 приводят к тому, что опорная пластина 11 отрывается от опорной поверхности, так как она инерционна и, следовательно, не может двигаться синхронно с концентратором. Далее зазор еще более увеличивается, так как попавший в зазор воздух начинает периодически сжиматься и появляется несущая способность слоя смазки, что характерно для вибронесущих газовых опор и раскрыто в первом примере. Величина зазора регулируется силой упругости пружины 13 и определяется балансом сил реакции смазочного слоя и сил упругости и не должна превышать величины трех амплитуд колебаний концентратора, что гарантирует работу компрессора. Воздух под действием перепада давлений протекает от периферии зазора к центру и далее по осевому каналу в теле дополнительного концентратора и гибкой трубке 16 попадает в герметизированную емкость 15.

Под действием избыточного давления жидкость из камеры 8 поступает в осевой канал основного концентратора и далее через форсунку 17 в окружающее пространство. Под действием интенсивных ультразвуковых колебаний наконечника происходит кавитация жидкости в каналы и на срезе форсунки, что и вызывает эффект озвучивания жидкости. Меняя интенсивность колебаний можно добиться той или иной степени озвучивания струи жидкости, а при достаточно большой интенсивности получить полное распыление струи жидкости.

Работа компрессора и струи жидкости синхронизированы за счет выполнения их в виде одного двойного концентратора, поэтому при появлении расстройки собственной частоты концентратора от частоты источника питания будет происходить уменьшение подачи жидкости, причем чем больше расстройка, тем меньше подача. При выключении источника питания произойдет одновременное прекращение ультразвуковых колебаний и подачи жидкости.

Сравнительные испытания показывают, что энергопотребление в таком устройстве увеличивается на 5 ... 10% по сравнению с устройством, состоящим лишь из основного концентратора. Изготовление двух концентраторов как для компрессора, так и для устройства орошения (независимых) увеличивает энергопотребление вдвое.

Таким образом, предлагаемый компрессор обладает малым энергопотреблением, высокой надежностью, не содержит "загрязняющих" воздух элементов конструкции. Наиболее эффективен (энергопотребление, КПД, массогабариты) при сочетании конструкции компрессора с конструкциями других ультразвуковых устройств - ванны, оросители, распылители и т.д.

Формула изобретения

1. Ультразвуковой компрессор, содержащий разделенные зазором две опорные поверхности, по меньшей мере одна из которых связана с рабочими элементами электромеханического вибратора, электрически связанного с источником ультразвукового напряжения, отличающийся тем, что в центре одной из поверхностей выполнено отводное отверстие для газа, при этом опорные поверхности профилированы с зазором на периферии меньше зазора в геометрическом центре опорных поверхностей не менее чем на 30% от величины зазора на периферии, а величина зазора на периферии не превышает трех суммарных амплитуд колебаний опорных поверхностей.

2. Ороситель содержащий электромеханический вибратор с устройством для озвучивания жидкости, подаваемой из емкости, отличающийся тем, что он снабжен ультразвуковым компрессором по п.1 и прижимно-направляющим устройством с опорной пластинкой, электромеханический вибратор выполнен в виде основного и дополнительного ультразвуковых концентраторов, расположенных симметрично, при этом в дополнительном концентраторе выполнен канал для отвода воздуха, сообщенный с емкостью, выполненной герметизированной, а компрессор образован опорными поверхностями дополнительного концентратора и опорной пластинки, прижатыми друг к другу с помощью прижимно-направляющего устройства.

3. Ороситель по п.2, отличающийся тем, что прижимно-направляющее устройство выполнено в виде цилиндрической втулки, на одном из торцов которой соосно размещена опорная пластина, при этом внутренняя часть втулки расположена с зазором на конце дополнительного концентратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2