Очистное устройство и способ очистки, и ее мониторинг
Заявленная группа изобретений относится к очистному устройству и способу очистки. Устройство (2) для очистки поверхности содержит корпус (4), образующий камеру (6), впускной канал для течения жидкости в камеру, выпускной канал (16) для течения жидкости из камеры, сопло (14), акустический преобразователь (22). Сопло соединено с выпускным каналом для формирования выходного потока жидкости для очистки поверхности. Акустический преобразователь связан с корпусом для введения акустической энергии в жидкость внутри камеры. Акустическая энергия присутствует в жидкости, вытекающей из сопла. Устройство также содержит генератор (32) газовых пузырьков для создания газовых пузырьков внутри жидкости, вытекающей из сопла. Корпус и/или сопло выполнены из материала, поглощающего давление. Технический результат: улучшение очистки изделий и персонала без их повреждения. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
Настоящее изобретение относится к очистному устройству и способу очистки, и к способу мониторинга очистки.
Очистка является существенной частью многих исследовательских, промышленных процессов и коммунальных услуг, три очевидных примера которых представляет производственная деятельность, здравоохранение и лабораторная работа. Очистка зачастую оказывается непростой: очищаемый объект может быть сложным, со многими недоступными щелями или камерами, и потенциальное загрязнение может быть очень опасным (хороший пример представляет эндоскоп для биопсии). Очищаемый объект также может быть чувствительным к обращению (хорошими примерами этого являются салат и материалы растительного происхождения, микрочипы, мясо, материалы судебной экспертизы и т.д.), или допускающим минимальные степени процарапывания и повреждения (таким как оптические линзы, ювелирные изделия, стекла и поверхности престижных часов, или внешняя отделка престижных автомобилей). Часто бывает ограниченным время, отведенное на очистку, что является обязательным условием при перемещении объекта на следующий этап обработки или на использование после его очистки (либо ввиду ограниченного числа предметов, доступных для использования - как в случае эндоскопа -, либо вследствие того, что задержка с подачей сырья нарушает режим работы - как в примере салата).
При очистке расходуют огромное количество воды, даже для «натуральных» продуктов: производство 1 тонны шерсти в настоящее время требует использования примерно 500 тонн воды. Когда рассматривают биологически опасные отходы больницы или скотобойни, или очистку, связанную с химическими и ядерными реакторами, весьма острой проблемой становится охрана водных ресурсов. Требование тщательной очистки часто противоречит требованиям сохранить очищаемый целевой объект от повреждения, не использовать чрезмерное количество воды, не загрязнять окружающую среду химическими стоками и не применять избыточную энергию или рабочую силу или время.
Ультразвуковая очистка была известна в технологии в течение многих лет применением «ультразвуковых очистных ванн», при котором инерционная кавитация и генерирование высокоскоростных жидкостных струй в результате захлопывания пузырьков обусловливают удаление поверхностных загрязнений. Использование кавитации в ультразвуковых очистных ваннах в течение десятилетий привело к созданию ультразвуковых очистных установок, которые пригодны для таких вариантов применения, в которых очищали прочные объекты (то есть, где повреждение кавитационной эрозией не является проблемой), и где размер очищаемого объекта является достаточно малым для погружения, и где отсутствует срочность очистки, которая потребовала бы применения портативного дезактивационного устройства для проведения немедленной очистки прямо на месте, обусловленной, скажем, случайным загрязнением. Во многих ситуациях такой очистки образцы либо очищают перед дальнейшей обработкой, либо распределяют внутри подходящей среды как часть более масштабной методологии. Затем очистка или обработка упрощается применением ультразвуковой ванны. Это неизменно включает погружение подходящего контейнера внутри ванны.
Очищающее действие часто приписывают генерированию интенсивной кавитации внутри самого резервуара и взаимодействию этих событий со стенками обсуждаемого объекта. Очищающее действие относят на счет событий кавитации, где инерция жидкости проявляла доминирующее влияние на динамические характеристики пузырьков, например, когда высокоскоростная жидкостная струя проходит через пузырек в результате захлопывания стенок пузырька и генерирует взрывную волну при соударении с жидкостью или твердым телом; когда пузырьки захлопываются с почти сферической симметрией в событиях «переходной», или «инерционной», кавитации, создавая ударные волны в жидкости и химические частицы с высокой реакционной способностью, такие как свободные радикалы; и когда скопления пузырьков захлопываются в согласованном режиме, чем эти эффекты многократно усиливаются сравнительно с тем, чего можно было бы ожидать без кооперативного эффекта. Поэтому точный механизм часто связывают с «переходной кавитацией», или более точно, инерционной кавитацией, где фаза интенсивного захлопывания проявляется в локальном создании таких экстремальных условий.
Однако такие ультразвуковые очистные системы могут испытывать одну или более проблем с повреждением поверхностей, плохой очисткой, в особенности трехмерных поверхностей, например, щелей, и неспособностью очищать крупные объекты или поверхности. Кроме того, помещение очищаемого объекта в ультразвуковую очистную ванну может нарушать акустическое поле так, что ухудшается способность производить очистку.
Настоящее изобретение, по меньшей мере частично, нацелено на преодоление этих проблем известных способов очистки поверхностей, в частности, ультразвуковой очистки.
Настоящее изобретение представляет устройство для очистки поверхности, причем устройство включает корпус, определяющий камеру, впускной канал для течения жидкости в камеру, выпускной канал для течения жидкости из камеры, сопло, соединенное с выпускным каналом для формирования выходного потока жидкости для очистки поверхности, акустический преобразователь, связанный с корпусом, для введения акустической энергии в жидкость внутри камеры, в соответствии с чем акустическая энергия присутствует в жидкости, вытекающей из сопла, и генератор газовых пузырьков для создания газовых пузырьков внутри жидкости, вытекающей из сопла.
Генератор пузырьков предпочтительно включает электроды, которые предназначены для генерирования газовых пузырьков электролитическим путем внутри жидкости. Обычно электрод включает сетку из электропроводных проволок, протяженную поперек направления течения жидкости.
Необязательно, генератор газовых пузырьков размещают внутри сопла.
Устройство может дополнительно включать первое управляющее устройство для генератора газовых пузырьков, которое предназначено для управления генератором газовых пузырьков, чтобы генерировать импульсы газовых пузырьков.
Устройство может дополнительно включать второе управляющее устройство для акустического преобразователя, которое предназначено для управления акустическим преобразователем, чтобы генерировать импульсы акустической энергии. Второе управляющее устройство предпочтительно предназначено для периодического включения и выключения акустического преобразователя для создания импульсов акустической энергии. Устройство может дополнительно включать модулятор для амплитудной или частотной модуляции импульсов акустической энергии.
Первое и второе управляющие устройства предпочтительно согласованы так, что газовые пузырьки и импульсы акустической энергии генерируются во взаимно регулируемой временной взаимозависимости.
Этим согласованием обеспечивают то, что звук и пузырьки могут возникать в одно и то же время в местоположении очищаемой поверхности. Для достижения этого события можно варьировать их относительные временные режимы включения и выключения на сопле с учетом различных периодов времени распространения звука и перемещения пузырьков в жидкости, которая может представлять собой поток, и это зависит от длины жидкости между соплом и очищаемой поверхностью. Звук распространяется в жидкости со скоростью свыше 1 км/секунду, тогда как скорость пузырьков соотносится со скоростью течения жидкости. Как только звук включен, он также может быть подвергнут амплитудной или частотной модуляции. Таким образом, согласно этому особенно предпочтительному варианту исполнения, можно согласовывать во времени два эффекта: акустическое поле полностью отключается, в то время как скопление пузырьков генерируется и переносится на поверхность. Как только скопление достигло поверхности, активируется акустическое поле. Это акустическое поле может быть непрерывным или модулированным по амплитуде или частоте.
Акустическое поле выключается, пока пузырьки перемещаются по потоку, чтобы предотвратить захлопывание пузырьков во время их перемещения. Это является простейшим вариантом исполнения регулирования звука. Однако для некоторых вариантов применения (например, для малых объемов воды и надлежащих более высоких уровней содержания поверхностно-активного вещества) может оказаться ненужным полное отключение акустического поля в то время, как пузырьки перемещаются по потоку, и могут быть использованы другие варианты исполнения, например, переключение звука на гораздо более высокие частоты.
Корпус предпочтительно включает заднюю стенку, на которой монтируют акустический преобразователь, и протяженный от нее вперед по существу конический элемент со сформированным на нем наконечником с относительно малым радиусом, который сообщается с выпускным каналом, причем задняя стенка и по существу конический элемент определяют главным образом коническую камеру с уменьшающимся радиусом, протяженную от преобразователя в сторону выпускного канала. По существу конический элемент может иметь геометрическую форму конуса, или, альтернативно, может иметь негеометрическую форму, такую как форму рупора или форму колокола. По существу конический элемент может быть сформирован, например, из ячеистого вспененного материала или резины. Могут быть применены другие материалы. Выбор материала определяется требованием соответствия (настолько тесного, насколько это осуществимо) акустических граничных условий на стенке внутри конуса граничным условиям в сопле и потоке жидкости, как только она покидает сопло, во избежание резких несовпадений импеданса между конусом, соплом и потоком жидкости, которые воспрепятствовали бы прохождению акустической энергии вдоль потока.
Кроме того, конструктивный принцип, использованный для камеры и сопла, применяемых в предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, состоит в том, что акустическое граничное условие на внутренней стенке камеры и сопле должно соответствовать акустическому граничному условию, которое будет иметь место в потоке жидкости, когда она выходит из сопла. В раскрытых здесь вариантах исполнения создают поток жидкости в свободном воздухе, и поэтому внутренняя стенка камеры должна быть поглощающей давление, и тем самым для создания такой поглощающей давление границы использовали поглощающий давление материал, такой как ячеистый вспененный материал или резина. Однако если в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения очищающую струю жидкости (например, воды) не направляют в воздух, но вместо этого впрыскивают в еще одно очищаемое изделие, например, в трубку, например, для очистки эндоскопа с узким внутренним диаметром, в этом варианте исполнения применяли бы камеру с состоянием внутренней стенки, которое согласуется с соответствующим акустическим граничным условием изделия, и характеристика поглощения давления может не понадобиться.
Устройство может дополнительно включать впускной коллектор, который включает многочисленные впускные патрубки, каждый из которых на впускном конце соединен с впускным каналом, и на выпускном конце с корпусом и/или звукоизолирующим устройством во впускном канале.
Устройство также может включать устройство для добавления поверхностно-активного вещества к жидкости.
Настоящее изобретение дополнительно представляет способ очистки поверхности, причем способ включает стадию, в которой: направляют в сторону поверхности поток жидкости из сопла, причем поток жидкости включает акустическую энергию и увлеченные газовые пузырьки внутри жидкости, вытекающей из сопла.
Поверхность может представлять собой наружную поверхность или внутреннюю поверхность, например, полости. Поток жидкости может быть направлен на поверхность или вблизи поверхности, например, впрыскиванием жидкости внутрь трубки (например, эндоскопа) или трубы, такой как сопло автомата по продаже напитков.
Способ может дополнительно включать стадию, в которой газовые пузырьки генерируют внутри жидкости электролитическим путем.
Газовые пузырьки предпочтительно генерируют внутри открытого конца сопла или на расстоянии от него. Например, было найдено, что, если генератор газовых пузырьков, например, электролизные проволоки, образующие газовые пузырьки, был размещен на небольшом расстоянии, таком как около 1 см, от распылителя сопла, может быть повышена стабильность потока жидкости.
Газовые пузырьки предпочтительно генерируют в периодическом режиме.
Способ дополнительно может включать стадию, в которой генерируют импульсы акустической энергии.
Кроме того, акустическая энергия в пределах импульсов может быть модулирована по частоте или амплитуде.
Поток жидкости предпочтительно воздействует на поверхность волнами пузырьков и импульсами акустической энергии, которые по существу одновременно достигают поверхности.
Акустическую энергию предпочтительно сообщают жидкости с помощью акустического преобразователя, когда жидкость протекает через главным образом коническую камеру с уменьшающимся радиусом, протяженную от преобразователя в сторону сопла.
Такая коническая камера не является обязательной, и в определенных вариантах применения могут быть использованы камеры другой формы, например, с постоянным поперечным сечением, сформированные корпусом, таким как цилиндрическая труба.
Поступающий в камеру поток жидкости предпочтительно разделяют на многочисленные параллельные потоки с помощью впускного коллектора, который включает многочисленные впускные патрубки, каждый из которых на впускном конце соединен с впускным каналом, и на выпускном конце с камерой.
Способ может дополнительно включать стадию, в которой впускной трубопровод камеры акустически изолируют от акустического преобразователя.
Настоящее изобретение дополнительно включает способ очистки поверхности, причем способ включает стадию, в которой создают газовые пузырьки на поверхности и используют модулированную акустическую энергию для генерирования поверхностных волн в пузырьках, чтобы вызвать неинерционное захлопывание пузырьков.
Пузырьки и акустическая энергия предпочтительно находятся в потоке жидкости, направленном на поверхность.
Поверхность обычно включает по меньшей мере одну полость, выемку или пору, и пузырькам сообщают такие размеры, чтобы они были способны входить по меньшей мере в одну полость, выемку или пору.
Акустическая энергия предпочтительно возбуждает поверхность пузырьков, когда пузырьки находятся по меньшей мере в одной полости, выемке или поре.
Пузырьки и акустическую энергию предпочтительно направляют к поверхности в виде импульсов так, что импульсы пузырьков и акустической энергии попадают на поверхность по существу одновременно.
Настоящее изобретение, по меньшей мере частично, основывается на полученных авторами настоящего изобретения сведениях, что когда проводят ультразвуковую очистку, для очистки не требуется генерировать инерционную кавитацию. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения представлено очистное устройство, предназначенное для достижения поверхностной очистки (обеззараживания) применением действия пузырьков на поверхность (или внутри щели внутри поверхности), стимулированного акустическим воздействием. Этим избегают инерционного захлопывания на поверхности раздела и тем самым связанных с этим паразитных эрозионных механизмов известных систем и способов ультразвуковой очистки. Однако, необязательно, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения можно генерировать инерционную кавитацию, если очищаемая поверхность является достаточно прочной.
Без намерения вдаваться в теорию, представляется, что в соответствии с предпочтительными аспектами настоящего изобретения процесс перемещения пузырьков контролируется давлением внутри газовой фазы, которая обусловливается скорее неинерционной кавитацией, нежели инерционными силами по сходящимся направлениям в жидкости, которые приводят к инерционному захлопыванию. Очистка может быть дополнительно интенсифицирована созданием поверхностных волн на стенках пузырьков (иногда также называемых колебаниями формы пузырьков). Поэтому устройство и способ согласно настоящему изобретению предпочтительно предназначены для создания пузырьков вне поверхности раздела твердого тела и жидкости, но близко к ней на очищаемом объекте, и затем направления их на поверхность с помощью надлежащей акустической волны, достаточной, чтобы обусловить неинерционное захлопывание и, если это применимо, образование поверхностных волн на стенке пузырьков.
Однако, как описано выше, для некоторых особенно прочных поверхностей может быть дополнительно создано инерционное захлопывание на поверхности, которое может обеспечивать усиленную очистку без чрезмерного повреждения поверхности.
Дополнительным признаком предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения является передача такой очищающей способности, с использованием неинерционной кавитации, по потоку жидкости или шлангу/отводу, чем избегают необходимости в погружении и тем самым делают устройство портативным. Это может быть достигнуто надлежащим приспособлением существующих очистных систем, в которых в настоящее время применяют шланги или отводы для подачи потока очищающей текучей среды. Такое устройство предпочтительных вариантов исполнения системы согласно настоящему изобретению также может сберегать воду и/или энергию, по сравнению с известной погружной системой.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения могут представлять оборудование и способы, в которых привлекают новый вариант применения возбуждения газовых пузырьков внутри жидкостей с конечной целью обеззараживания поверхности. В соответствии с изобретением может быть очищена по существу любая поверхность, которая варьирует от внутренних или наружных поверхностей, твердых или мягких поверхностей, неорганических объектов (например, эндоскоп), органических или живых организмов, в том числе продуктов питания (например, складок на салате-латуке), человеческой кожи (например, под ногтями на пальцах рук у хирурга), с использованием переносных или закрепленных шлангов и отводов (например, для судебных экспертиз, аутопсии, археологических экспертиз). Поверхность для обеззараживания могла бы включать строения, оборудование, инфраструктуру (например, скотобойни, больничные палаты, операционные), и связанные с ними объекты, находящиеся внутри них (например, персонал, клавиатуры, телефоны и т.д.) или используемые снаружи. В частности, в этих устройстве и способах применяют целенаправленное возбуждение пузырьков на поверхности раздела фаз или внутри поры, полости, выемки, щели, трубки, трубы или камеры. Как было показано, эти пузырьки выполняют полезную работу, включающую очистку поверхности, поры, полости, выемки или щели внутри поверхности, или очистки в трубке, трубе или камере. По существу, этим представлен новый и эффективный способ очистки широкого многообразия поверхностей.
В частности, настоящее изобретение, по меньшей мере частично, основывается на полученных авторами настоящего изобретения сведениях, что очистка поверхности может быть достигнута созданием колебания пузырьков (включающего поверхностные волны), инициируемого надлежащим акустическим возбуждением. Кроме того, очистка щелей может быть достигнута в результате захвата пузырьков в порах и других особенностях поверхностного рельефа, включающего, но не ограничивающегося таковым, захват в результате процессов течения, гидродинамических эффектов или сил акустического излучения. Эти пузырьки колеблются и удаляют материал из щели. Акустическое возбуждение в этих событиях может быть достигнуто вдоль текущего потока жидкости. Эффекты совокупности пузырьков могут быть приспособлены для обеспечения возможности передачи звука по жидкости на очищаемую поверхность. Проточное устройство, геометрическая форма, материалы и акустические характеристики совокупности пузырьков могут обеспечить эффективный перенос акустической энергии на очищаемую поверхность. Могут быть применены относительно низкие скорости течения, сводя к минимуму отходы моющего раствора.
В качестве дополнительного предпочтительного механизма формирования пузырьков была разработана и эксплуатировалась технология электрохимического зародышеобразования пузырьков. Импульсное генерирование пузырьков (создающее скопление пузырьков) в сочетании с импульсным акустическим возбуждением может создавать «активные» пузырьки на очищаемой поверхности. Модулированное по амплитуде или частоте акустическое поле, связанное с акустической энергией, по выбору включаемое и выключаемое, может быть использовано для максимизации акустического давления, передаваемого устройством на поверхность раздела фаз в присутствии надлежащего скопления пузырьков. Импульсное генерирование пузырьков и импульсное акустическое возбуждение можно независимо регулировать так, чтобы на сопле генерирование пузырьков было независимым от генерирования импульсов акустического возбуждения, и таким независимым регулированием можно независимо варьировать импульсы пузырьков и импульсы акустической энергии, чтобы на очищаемой поверхности пузырьки и импульс акустической энергии могли поступать на поверхность или вблизи нее по существу одновременно для обеспечения эффективной очистки субстрата акустической энергией, вызывающей неинерционную кавитацию пузырьков на поверхности или вблизи нее.
Для такой пульсации акустической энергии нет необходимости в выключении акустического поля между импульсами, но вместо этого можно модулировать акустическую энергию путем амплитудной или частотной модуляции, чтобы создавать акустические импульсы с высокой энергией с интервалами низкоэнергетического фона.
В некоторых вариантах исполнения звук отключают, когда скопление пузырьков перемещается по потоку (для предотвращения акустически индуцируемого слияния пузырьков), и затем звук включают для создания модулированного импульса акустической энергии, как только скопление пузырьков достигает очищаемой поверхности. Как только эти пузырьки выполнили некоторую очистку и начали распределяться в потоке, звук выключают, и генерируют еще одно скопление пузырьков на сопле, и процесс повторяется.
Независимое регулирование может быть достигнуто, принимая во внимание тот факт, что звук распространяется в потоке жидкости с иной скоростью, нежели пузырьки. Согласование подачи тока, используемого для генерирования пузырьков и звука, является таким, чтобы обеспечивать поступление как скопления пузырьков, так и ультразвука на поверхности в одно и то же время. На основе этого критерия различные периоды времени перехода пузырьков и звука по трубе обусловливают временной режим активации токов, которые генерируют звук и пузырьки так, чтобы их включения могли быть ступенчатыми, если так предписывает согласование временного режима. Лежащая в основе этого техническая концепция состоит в использовании различных времен распространения их по потоку жидкости для обеспечения того, что пузырьки и акустическая энергия одновременно достигнут поверхности, которая должна очищена.
В дополнение, новые электрохимические способы могут быть использованы для мониторинга степени in situ очистки в результате воздействия потока текучей среды и пузырьков на поверхность. Изобретение также включает устройство для мониторинга эффективности очистки путем применения датчиков вблизи местоположения, где должна находиться очищаемая поверхность, или внедренных в эту поверхность.
Соответственно этому, очистное устройство может дополнительно включать устройство для мониторинга очистки поверхности, причем устройство включает первый и второй электроды, образующие гальванический элемент, предназначенные для соответственного размещения на участке поверхности и соединенные между собой через устройство для измерения электрического сопротивления.
Настоящее изобретение дополнительно представляет способ мониторинга очистки поверхности, устройство, включающее размещение первого и второго электродов, образующих гальванический элемент, на соответственных участках очищаемой поверхности, и измерение электрического сопротивления между ними.
Обычно первый электрод размещают в очищаемой полости, выемке или поре, и второй электрод размещают на наружном участке поверхности.
Способ предпочтительно включает стадию, в которой определяют снижение электрического сопротивления как показатель очистки полости, выемки или поры.
Для устройства в предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения материал и форма сопла, и частота акустического возбуждения могут быть выбраны так, чтобы по меньшей мере одна мода не была быстро затухающей в потоке жидкости. Сопло может быть сконструировано так, чтобы предотвращать сильное несовпадение импеданса между акустическим полем в коническом корпусе и акустическим полем в потоке жидкости. Для некоторых вариантов применения (например, если поток жидкости окружен газом, как только он покидает сопло) конкретное (но не исключительное) предпочтительное проявление этого состоит в использовании в конструкции сопла и/или конического корпуса материалов, которые являются всецело (или близко к этому) поглощающими давление. Скорость течения и конструкция сопла могут быть выбраны так, что поток жидкости не утрачивает целостности, прежде чем он достигнет целевой очищаемой поверхности (например, распадается на капли, увлекает нежелательные пузырьки и т.д.), до такой степени, что это затрудняло бы распространение звука от сопла до цели. Форма конического корпуса может быть скомпонована так, чтобы содействовать передаче звука от конуса до потока жидкости и впоследствии через сопло. Модулированное по амплитуде или частоте акустическое поле может резко улучшить передачу давления внутри текучей среды, протекающей через устройство к целевому субстрату.
Варианты осуществления настоящего изобретения теперь будут описаны только в порядке примера, с привлечением сопроводительных чертежей, где:
Фиг.1 представляет схематический вид сбоку очистного устройства в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 представляет схематический вид сбоку очистного устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 представляет схематический перспективный вид очистного устройства в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 представляет схематический вид альтернативной формы конуса для применения в любом из вариантов исполнения очистного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг.5 представляет схематическое изображение, как вид сбоку, последовательности стадий цикла очистки, показывающее генерирование импульсов акустической энергии и импульсов газовых пузырьков, производимых любым из вариантов исполнения очистного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг.6 показывает фазовое соотношение между (а) генерированием акустической энергии (звука) и (b) формированием пузырьков для создания импульсов относительно времени, на сопле в любом из вариантов исполнения очистного устройства согласно настоящему изобретению, и дополнительно показывает модуляцию акустической энергии;
Фиг.7 показывает сигнал акустического давления, зарегистрированный на целевой поверхности для последовательности модулированного и немодулированного давления, с использованием рабочего цикла, показанного в фиг.6;
Фиг.8 показывает взаимосвязь между давлением и временем, измеренным на гидрофоне, генерированным акустической энергией, либо в непрерывной, либо в модулированной моде, в очистном устройстве любого из вариантов осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.9 показывает взаимосвязь между сопротивлением и временем, измеренным на поверхности, либо чистой, либо загрязненной, для применения в способе мониторинга очистки поверхности согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
С привлечением фиг.1 показано очистное устройство в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Очистное устройство, в целом обозначенное кодовым номером 2 позиции, включает пустотелый корпус 4, определяющий центральную камеру 6. Корпус 4 имеет заднюю стенку 8 и по существу конический элемент 10, протяженный вперед от нее, который завершается размещенным спереди отверстием 12. Обычно как элемент 10, так и стенка 8 имеют вращательную симметрию, то есть, являются круглыми, хотя может быть использованы другие геометрические формы. В этом описании термин «по существу конический» следует толковать широко с включением конструкций, которые имеют не только геометрическую коническую форму, но и также конструкции, которые, например, являются колоколообразными, имеющими вогнутую внутреннюю стенку, если смотреть изнутри, как показано в фиг.1, или имеют постоянный угол полураствора, как показано в фиг.2, или являются подобными рупору, как показано в фиг.4 (то есть, имеет выпуклую внутреннюю стенку, если рассматривать изнутри). Соответственно этому, элемент 10 формирует конический корпус, такой как колоколообразная или рупорообразная конструкция, и для краткости может называться далее просто «рупор».
Сопло 14 выступает вперед из отверстия 12 и определяет жидкостный выпускной канал 16. Жидкостный впускной канал 18 размещен на задней стенке 8 или рядом с нею. Трубопровод 20 для подачи жидкости, обычно в форме гибкого шланга, сообщается с впускным каналом 18. На задней стенке 8 смонтирован акустический преобразователь 22. Работу преобразователя 22 контролирует управляющее устройство 23. Преобразователь 22 обычно установлен на наружной поверхности стенки 8 и занимает значительную часть площади поверхности стенки 8. В альтернативном варианте, преобразователь может быть встроен в камеру на задней стенке или сквозь нее. Действительно, тогда для достижения условия поглощения давления в стенках камеры (например, нужно было впрыснуть поток в полость, такую как внутренний канал эндоскопа) в устройстве либо может быть применен преобразователь на задней стенке, либо, альтернативно, делают внутреннюю поверхность рупора включающей преобразователь. Следует отметить, что преобразователь мог бы быть смонтирован где-то еще таким образом, как на стенках рупора или сопла, при условии, что для конкретного варианта применения не потребовалось бы согласование граничного условия поглощения давления, как только поток покинул сопло (например, если поток использовали бы для очистки внутренности эндоскопа).
При применении жидкость непрерывно протекает через питающий трубопровод 20 в центральную камеру 6 и затем вперед через выпускной канал 16 сопла 14 с образованием потока 24 жидкости, который направлен на поверхность 26 очищаемого субстрата 28. Поверхность 26, в частности, может иметь трехмерные поверхностные признаки, такие как щель 30, показанная в преувеличенной форме в фиг.1.
Генератор 32 пузырьков размещают внутри сопла 14 выше по потоку, по направлению течения текучей среды, относительно выпускного канала 16. Генератор 32 пузырьков создает газовые пузырьки внутри потока жидкости так, что поток жидкости, сталкивающийся с поверхностью 26 субстрата, включает не только акустическую энергию от преобразователя 22, но также газовые пузырьки.
Существуют несколько подходов к зародышеобразованию газовых пузырьков в потоке жидкости, включающие нагнетание газа и in situ электрохимическое генерирование газовых пузырьков электрохимическим разложением воды в жидкости. Для in situ электрохимического генерирования газовых пузырьков введение электродов в конструкцию позволяет регулировать зародышеобразование, и предпочтительно этого достигают продеванием платиновых (Pt) проволок с диаметром 50-100 мкм через струю сопла (примерно за 1 см до выхода). Другие подходы включают применение одного или более электродов в потоке жидкости или в стенке сопла.
С привлечением фиг.2, в этом модифицированном варианте исполнения задняя стенка 40 составлена пластиной, например, из пластика или металла, такого как алюминий или нержавеющая сталь, имеющей жидкостный впускной канал 42 в ней и акустический преобразователь 44, который сам может включать усеченный конус 46, закрепленный или иным образом удерживаемый на задней поверхности пластины 40. По существу конический элемент 48, включающий рупор, выступает вперед от пластины 40 и формирует встроенное сопло 50, на котором размещен генератор 52 пузырьков.
В варианте исполнения согласно фиг.1 пустотелый корпус 4 может быть сделан в виде цельной детали и изготовлен из единого материала с задней стенкой 8, которая составляет цельную деталь с рупором 10. В этом варианте исполнения рупор состоит из материала, который может действовать как поглощающая давление поверхность раздела, когда на него направляют текучую среду, чтобы акустическая энергия в материале рупора эффективно и рационально передавалась в текущую жидкость на внутренней поверхности рупора. Назначение устройства согласно этому варианту исполнения состоит во введении акустической энергии в поток протекающей текучей среды и затем для направления этого потока через выпускной канал на обрабатываемую поверхность с использованием конической формы рупора, чтобы сконцентрировать как акустическую энергию, так и поток текучей среды, в то же время сводя к минимуму акустические потери или потери на трение на конической поверхности.
Обсуждаемый выше вариант исполнения направлен на конкретный вариант применения с введением акустической энергии в поток жидкости, когда жидкость окружена воздухом после ее выхода из сопла. Это применимо, например, для очистки под ногтями на пальцах рук хирурга или для очистки салата-латука. Однако для других вариантов применения, в которых поток жидкости направляют внутрь очищаемого изделия (таких как очистка эндоскопа), поток жидкости после выхода из сопла может не иметь граничного условия поглощения давления, и для этого варианта исполнения может быть использован рупор, сделанный из иного материала, не поглощающего давление.
Соплу и выпускному каналу придают такие форму и размеры, чтобы обеспечить возможность передачи звука вдоль потока текучей среды. Преимущественным является формирование равномерного течения потока. Квалифицированный специалист в этой области технологии является вполне компетентным в создании подходящего сочетания формы и размеров рупора, выпускного канала и впускного канала для достижения желательного равномерного потока жидкости, содержащего акустическую энергию из преобразователя.
Как описано выше, новые электрохимические способы могут быть использованы для in situ отслеживания степени очистки как результата воздействия потока текучей среды и пузырьков на поверхность.
В этом варианте исполнения очистное устройство дополнительно включает устройство для мониторинга очистки поверхности, причем устройство включает первый и второй электроды 200, 202, образующие гальванический элемент, предназначенные для соответственного размещения на участке поверхности и соединенные между собой через устройство 204 для измерения электрического сопротивления. В способе мониторинга очистки поверхности первый электрод 200 размещают на наружном участке поверхности, и второй электрод 202 размещают в очищаемой полости или выемке. Электрическое сопротивление между ними измеряют с использованием устройства 204 для измерения электрического сопротивления, чтобы определить снижение электрического сопротивления как показателя очистки полости или выемки. Как показано в фиг.9, исходное значение А электрического сопротивления изменяется согласно значению В, значительно сокращаясь, когда обследуемый участок поверхности был очищен.
В этом аспекте изобретения для электрохимических измерений очистки под наконечником ультразвукового рупора, с использованием либо плоских, углубленных, либо трубчатых электродов, применяют гальванический элемент, состоящий из двух или более электродов. Очищающая жидкость действует как электролит. Электрическое сопротивление загрязненного рабочего электрода отслеживают так, что, когда полость или выемка были загрязнены, рабочий электрод не имел бы или имел только плохой электрический контакт с жидкостным электролитом, и тем самым между двумя электродами существовало бы относительно высокое электрическое сопротивление, тогда как, когда полость или выемка были очищены, и поэтому рабочий электрод приходил бы в контакт с раствором, измерялось бы низкое электрическое сопротивление. Этим создан очень эффективный способ количественного измерения продолжительности очистки. Этот способ основывается на измерении некомпенсированного электрического сопротивления системы.
Поэтому, если некомпенсированное электрическое сопротивление системы можно отследить как функцию времени, то можно использовать этот способ для детектирования очистки полости, выемки или поры. Этот метод способен давать количественные данные об очистке полости, выемки или поры. Чтобы устранить емкостный эффект электрода, между рабочим электродом (например, утопленный электрод из платиновой (Pt) проволоки с диаметром 0,5 мм) и электродом сравнения (обычно большой кусок металлического материала, например, медная (Cu) пластина) прилагают сигнал высокочастотного переменного тока с низкой амплитудой (100 кГц, 200 мВ от нулевой до максимальной амплитуды). Проходящий электрический ток затем может быть использован непосредственно для определения электрического сопротивления системы как функции времени. При применении этой системы в качестве поддерживающего электролита требуется только химическое вещество, чтобы сделать раствор электропроводным, такое как хлорид калия (KCl) или обычная соль (NaCl), оба из которых являются относительно дешевыми и не создающими проблем с утилизацией. Этот способ, предназначенный для исследования эффективности целевой ультразвуковой очистки, применяют для мониторинга очистки поверхности с разнообразными структурными особенностями.
Если для конкретного варианта применения, когда исполняют способ очистки согласно изобретению, и требуется только очистка, то компонент мониторинга не требуется, и такой электролит, как KCl или NaCl, или эквивалентный, не нужно вносить в очищающую жидкость.
С привлечением фиг.3, в альтернативном варианте исполнения, впускной трубопровод 60, в форме шланга, соединяют с коллектором 62, который разделяет поступающий поток жидкости на многочисленные различные впускные протоки, каждый в соответствующий вторичный впускной трубопровод 64, причем каждый вторичный впускной трубопровод 64 соединяет впускной трубопровод 60 с соответствующим впускным каналом 66 на задней стенке 68, соединенной с рупором 70. Сборный узел из задней стенки 68 и рупора 70, и коллектор 62, могут быть соединены между собой внутри общего корпуса 72. Рупор 70 соединяют с выпускным каналом 74.
С привлечением фиг.4 представлена альтернативная форма рупора 80, в которой рупор 80 имеет цилиндрическую часть 82 ниже по потоку и гиперболическую (или некоторую другую рупорообразную, такую как параболическая, катеноидальная и т.д.), расширяющуюся наружу часть 84 выше по потоку.
Из всех фиг.1-4 можно видеть, что могут быть использованы многообразные различные формы конструкций рупора, при условии, что рупор имеет форму для создания постоянного выходного потока текучей среды, сводящего к минимуму как потерю акустической энергии, так и потери на трение. Это обеспечило бы оптимальные акустические и реологические характеристики потока текучей среды, который сталкивается с очищаемой поверхностью. Кроме того, такая рупорообразная конструкция не является существенной для некоторых вариантов применения, и камера может иметь любую другую форму, и ее корпус может быть сделан из любого материала, который обеспечивает возможность введения акустической энергии в поток текучей среды и выхода из сопла.
Если поток жидкости при выходе из сопла должен протекать через газ, и поэтому внутренние стенки рупора должны поглощать давление, то в особенности предпочтительным материалом для рупора является ячеистый вспененный материал или резина, которые могут избежать рассогласования импеданса между акустическим полем в рупоре и акустическим полем в потоке жидкости, протекающей через него. Скорость течения и конструкцию сопла выбирают так, чтобы поток жидкости не утрачивал целостности, прежде чем он достигнет очищаемой поверхности. Форму рупора конструируют, чтобы содействовать передаче звука от рупора к потоку жидкости, протекающему через сопло. Например, когда рупор состоит из ячеистого вспененного материала, рупор формируют литьевым формованием конической полости внутри твердого блока вспененного материала (хотя могут быть применены другие способы изготовления, такие как вырезание из блока).
Наиболее типично рупор и сопло являются осесимметричными.
В любом из вариантов исполнения впускной канал может быть оснащен звукоизолирующим устройством, которое предотвращает передачу акустической энергии обратно вдоль подводящего жидкость трубопровода 20. Звукоизолирующее устройство, схематически показанное в фиг.1 кодовым номером 25 позиции, может включать акустический фильтр, необязательно имеющий выбранный частотный диапазон, и/или сужение в виде диффузора в трубопроводе 20, и/или расширительную камеру, и/или регулятор диаметра трубопровода, для обеспечения того, что частота возбуждения будет ниже граничной частоты для всех режимов для впускного канала (как случилось бы для впускных патрубков коллектора с достаточно малым каналом, сделанных из поглощающего давление материала).
В этих вариантах исполнения размер устройства может варьировать для создания переменных объемов потока жидкости. Меньшие или большие объемы могут быть получены масштабированием скорости течения, размером сопла и акустической частоты возбуждения, наряду с обеспечением того, что по меньшей мере одна мода не является быстро затухающей в потоке жидкости, тем самым создавая поток очищающего раствора, который воздействует на поверхность, сопровождаемый надлежащим акустическим полем и активными пузырьками. Эта мода может представлять собой плосковолновую моду, если позволяют акустические граничные условия на стенках. Для достижения требуемого объемного расхода потока, а также чтобы обеспечить выбрасывание потока на достаточное расстояние за пределы открытого конца сопла, требуется малое выходное отверстие. За исключением моды плоских волн (если акустические граничные условия допускают их распространение, что не имеет места, если поток жидкости протекает через воздух), для каждой моды передача звука по струе жидкости будет нежелательно ограничена ниже характеристической «граничной» частоты (Fco). Если поток был должен проходить в твердой трубе так, что поток окружали бы твердые стенки, то низшая частотная полоса моды представляла бы собой плоскую волну, и для этой моды не было бы граничной частоты, хотя моды более высокого порядка имели бы свои собственные граничные частоты. В конкретном случае, где поток жидкости после выхода из сопла протекает через заполненное газом пространство, граничным условием на изогнутых стенках потока было бы поглощение давления, и для такого условия граничная частота (Fco) для низшей моды рассчитывается согласно уравнению
F co =2,4048с/2πа (Уравнение 1)
где «с» представляет скорость звука в текучей среде, и «а» представляет радиус потока жидкости. Например, для выпускного протока с внутренним диаметром около 10 мм, и при допущении скорости звука в жидкости 1500 м/сек, граничная частота потока жидкости для низшей моды была бы порядка 114 кГц (моды более высокого порядка имели бы более высокие граничные частоты). Однако на эту граничную частоту влияли бы свойства текучей среды и любое захватывание пузырьков, как обсуждается далее. Пузырьки, например, могут снижать скорость звука в жидкости, и тем самым понижать граничную частоту моды.
Генератор 32 пузырьков предназначен для создания газовых пузырьков, которые затем акустически возбуждаются и сталкиваются с очищаемой поверхностью. Пузырьки приводятся в колебание акустической энергией и могут внедряться в щели и поры на очищаемой поверхности так, что они эффективно очищают поверхность субстрата.
Генератор 32 пузырьков может действовать непосредственно для впрыскивания газовых пузырьков в поток текучей среды, например, через иглу, причем игла необязательно вибрирует. Другие варианты генерирования пузырьков включают применение кавитации (гидродинамической или акустической), или захват пузырьков свободной поверхностью, или химическое образование газа, или более предпочтительный путь электрохимического in situ генерирования газовых пузырьков электролитическим разложением воды в потоке жидкости. Генератор 32 пузырьков, предназначенный для электрохимического генерирования пузырьков, включает электрод, включающий сетку из электропроводных проволок, например, платиновой проволоки, имеющей диаметр 50 мкм, протяженной поперек выпускного канала. Электрод соединяют с источником электрической энергии (не показан), и, когда подключают электрический ток, электрическая энергия электролитически разлагает воду в потоке текучей среды с образованием потоков пузырьков как из кислорода, так и из газообразного водорода, которые захватываются протекающей текучей средой и направляются в сторону целевой очищаемой поверхности.
Фиг.5 показывает последовательность стадий в цикле очистки для соответствующего скопления пузырьков.
Как показано в фиг.5(A), управляющее устройство 98 так управляет генератором пузырьков, что пузырьки формируются периодически с образованием скоплений 100 (или волн) пузырьков, которые затем наталкиваются на очищаемую поверхность 102. Когда пузырьки ударяются об очищаемую поверхность 102, пузырьки возбуждаются акустической энергией и начинают колебаться, тем самым проникая в щели, которые очищаются с помощью акустической энергии.
Как также показано в фиг.5, модулированная по амплитуде или частоте акустическая энергия испускается преобразователем периодическими импульсами. Он производит импульсы акустической энергии, которые взаимодействуют с вышеописанными периодическими скоплениями 100 пузырьков, в согласованном режиме.
Фиг.5(B) показывает, что, когда акустический преобразователь отключается, скопление 100 пузырьков перемещается по направлению ниже по потоку вместе с потоком жидкости, направленным к поверхности 102. Скопление 100 пузырьков достигает поверхности 102, как показано в фиг.5(C). Фиг.5(D) показывает, что, как только скопление 100 пузырьков достигает поверхности 102, акустический преобразователь включается для генерирования импульса акустического поля, необязательно модулированного по амплитуде или частоте, который передается в сторону поверхности 102 со скоростью звука в жидкости. Акустическая энергия импульса активирует пузырьки в скоплении на поверхности 102 для обеспечения усиленной очистки, с неинерционным захлопыванием пузырьков на поверхности, и необязательным генерированием поверхностных волн в пузырьках, и/или необязательным созданием событий высокоэнергетической очистки (например, инерционным захлопыванием пузырьков, гидромониторным эффектом и т.д.). Этим цикл очистки для единичного скопления пузырьков завершается. Затем следующий цикл очистки для последующего скопления пузырьков инициируется генерированием следующего скопления пузырьков, как показано в фиг.5(A).
Как показано в фиг.6, на сопле имеет место конкретное фазовое соотношение между генерированием акустического импульса и формированием пакета пузырьков. Фазовое соотношение изменяется, когда звук и пузырьки передаются от сопла по жидкости, поскольку акустическая энергия и пузырьки передаются с различными скоростями по жидкости в сторону очищаемой поверхности. Цель состоит в создании соотношения по фазе, которое обычно включает время td запаздывания между формированием пузырьков и генерированием импульса акустической энергии, чтобы акустическая энергия и пузырьки достигали очищаемой поверхности синфазно и в одно и то же время. В иллюстрированном примере приведено время td запаздывания, которое варьировало бы в зависимости от скорости течения и расстояния до цели.
В этом варианте исполнения звук отключается на время генерирования пузырьков и переноса пузырьков на очищаемую поверхность. Возбуждение этих пузырьком происходит периодически, и синхронно с периодической природой включения-выключения электрохимического генерирования пузырьков. В варианте исполнения согласно фиг.6 пузырьки могут формироваться в течение периода генерирования, обычно 10 миллисекунд, с периодичностью в 100 миллисекунд. По завершении каждого генерирования пузырьков имеет место задержка, обычно 30 миллисекунд, после которой звук включается (или, в других вариантах исполнения, модулируется для создания импульса с высокой энергией) в течение периода 60 миллисекунд. Затем звук отключается, и одновременно включаются пузырьки в последующем цикле очистки.
Эти значения применимы к одному конкретному устройству, но были бы более длительными или более короткими, если бы устройство было более крупным или меньшим по размеру, соответственно. Это запаздывание зависит от скорости течения и расстояния. Оно может варьировать, и, например, если целью очистки является длинная трубка (эндоскоп), запаздывание может варьировать для достижения очистки в различных местоположениях вдоль направления течения жидкости.
В пределах каждого импульса акустической энергии акустическая энергия является модулированной по амплитуде или частоте, как также показано в фиг.6 (приведен пример амплитудной модуляции изменением возбуждающего напряжения преобразователя). Период модуляции, который зависит от частоты, обычно составляет 1 миллисекунду.
Как показано в фиг.7, импульсное генерирование таких скоплений пузырьков обусловливает приложение модулированного давления к очищенной поверхности каждым скоплением пузырьков, когда соответственное скопление пузырьков сталкивается с очищаемой поверхностью. Воздействие такого модулированного давления обычно происходит каждые 100 миллисекунд. Как было разъяснено ранее, каждое скопление пузырьков приводится в колебательное движение акустической энергией, чем обеспечивается эффект очистки.
Фиг.8 показывает давление на гидрофоне для постоянного возбуждающего акустического поля, либо в непрерывной моде, либо в модулированной моде. Как показано в фиг.8, когда на поверхность воздействует непрерывная акустическая энергия, генерируемое на поверхности давление является относительно низким и постоянным, тогда как при воздействии на поверхность модулированных волн акустической энергии максимальная энергия, высвобождаемая на поверхности с каждой волной, является значительно более высокой.
Поэтому при применении пульсирующего генерирования пузырьков и импульсного генерирования акустической энергии в согласованном режиме пузырьки возбуждаются с поверхности так, что пузырьки присутствуют на поверхности, когда акустическая энергия также находится на поверхности, и, кроме того, очищающее воздействие, достигаемое как пузырьками, так и акустической энергией, усиливается дополнительным обеспечением того, что акустическая энергия является модулированной по амплитуде или частоте при более высокой частоте этих импульсов, значительно повышая эффективность очистки. Присутствие скопления пузырьков, сформированных между парой импульсов акустической энергии, разделяет эти импульсы акустической энергии. Каждое скопление пузырьков независимо воздействует на обрабатываемую поверхность и независимо возбуждается акустической энергией последующего импульса акустической энергии.
В соответствии с дополнительным аспектом устройства и способа согласно настоящему изобретению, было найдено, что добавление поверхностно-активного вещества к жидкости может влиять на размер пузырьков, достигаемый без слияния пузырьков. Если необходимо, может быть добавлено количество поверхностно-активного вещества, достаточное, чтобы предотвратить слияние пузырьков, когда они протекают с потоком, если без поверхностно-активного вещества такое слияние образует пузырьки, слишком крупные для надлежащей очистки; но не так много поверхностно-активного вещества, чтобы пузырьки были слишком мелкими для очистки, когда они достигают целевого места.
Нижеследующая Таблица 1 показывает, как размер пузырьков (оцененный экспериментами с использованием высокоскоростной камеры) обусловливается уровнем содержания поверхностно-активного вещества, и как активность, определенная как нерегулярное перемещение пузырьков по поверхности, которое является показательным для колебаний пузырьков под действием акустической энергии, варьирует в зависимости от диаметра пузырьков.
| Таблица 1 | |||
| Общее количество поверхностно-активного вещества, мкл | Концентрация, % по объему | Диаметр пузырьков, мкм | Комментарий |
| 0 | 0 | 190 | Пузырьки сливаются |
| 20 | 0,0004 | 140 | Некоторая активность |
| 40 | 0,0008 | 75 | Низкая активность |
| 100 | 0,002 | 50 | Низкая активность |
| 150 | 0,003 | 40 | Высокая активность |
| 250 | 0,005 | 40 | Высокая активность |
| 500 | 0,01 | 45 | Высокая активность |
| 750 | 0,015 | 40 | Высокая активность |
| 1000 | 0,02 | 25 | Низкая активность |
| 2000 | 0,04 | 25 | Пониженная активность |
| 5000 | 0,01 | 15 | Активность слишком мала для обнаружения |
Диапазон общего объема поверхностно-активного вещества от 150 до 750 мкл для создания концентрации поверхностно-активного вещества от 0,003 до 0,015% по объему имеет результатом диаметр пузырьков от около 40 до 45 мкм, при условии, что наблюдались условия, где была наивысшая активность очистки. Конкретные значения общего количества поверхностно-активного вещества и концентрации поверхностно-активного вещества для достижения желательной активности пузырьков могут быть зависимыми от типа используемого поверхностно-активного вещества.
Без намерения вдаваться в какую-либо теорию, авторы настоящего изобретения тем не менее обнаружили, что ряд явлений имеет отношение к достижению эффективной ультразвуковой очистки.
Во-первых, когда наблюдали пузырьки внутри поры, полости или щели на очищаемой поверхности, было отмечено колебание пузырьков в ультразвуковом поле, и представляется, что такое колебание играет решающую роль в обеззараживании этих более сложных поверхностей. Хотя такие пульсирующие колебания могут оказывать очищающее действие, настоящее изобретение дополнительно, и это важно, основывается на использовании поверхностных волн на стенке пузырьков для достижения очищающего действия.
Во-вторых, было найдено, что акустическое поле играет важную роль в улавливании пузырьков в такой поре, полости или щели, поскольку, хотя объемный поток может транспортировать пузырьки из одной области жидкости в сторону твердой поверхности, акустическое возбуждение создает дополнительные благоприятные условия для увлечения пузырька в щель и захвата его там силами излучения, и, кроме того, инициирования роста общего размера надлежащих пузырьков в порах, несмотря на дегазирование и выпрямленную диффузию. По существу, применение акустических полей предоставляет значительное преимущество перед использованием только самой текущей жидкости.
Конечно, ультразвуковую очистку применяли в течение многих лет в «ультразвуковых очистных ваннах», в соответствии с чем, инерционная кавитация и формирование жидкостных струй с высокой энергией в результате сокращения пузырьков вызывают удаление поверхностных загрязнений.
Однако, в соответствии с предпочтительными аспектами настоящего изобретения, и как было обнаружено авторами настоящего изобретения в их экспериментальных исследованиях, очистка происходит не в результате такого пузырькового эффекта, который в нормальных комнатных условиях требует создания акустических давлений с перепадами от нуля до максимума порядка 1 бар (0,1 МПа), чтобы вызвать инерционную кавитацию, но вместо этого акустические поля с меньшей амплитудой используются для генерирования неинерционных пульсаций пузырьков и, необязательно, поверхностных волн на стенках некоторых пузырьков. Это такие поверхностные волны и связанное с ними движение жидкости, которые реализуются в очистке пор, применяемой в предпочтительных аспектах настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение дополнительно представляет, что, в дополнение к очистке с использованием неинерционной кавитации, дополнительно может быть достигнута инерционная кавитация, а также неинерционная кавитация, для подведения мощности очистной ванны, которая включала бы инерционную кавитацию и струйные эффекты, к концу протекающего по шлангу потока воды, и очистки на расстоянии (например, для мощной очистки труднодоступных мест и щелей авиационного двигателя, который нельзя погрузить в очистную ванну, или для обеззараживания больничной палаты). Это является чрезвычайно мощным способом очистки.
Как сверх того обсуждается ниже, изобретение тем не менее может быть дополнительно модифицировано для создания такого инерционного захлопывания на особенно прочных поверхностях.
В соответствии с предпочтительными аспектами настоящего изобретения, пузырьки независимо формируют в месте, отдаленном от очищаемой поверхности, перемещают к очищаемой поверхности внутри потока текучей среды, и возбуждают акустической энергией на поверхности так, чтобы обеспечить повышенную эффективность очистки по всей поверхности, в особенности, когда поверхность имеет трехмерные структурные особенности, включающие поры, выемки, полости или щели, и внутри трубок и труб.
В соответствии с предпочтительными аспектами настоящего изобретения, на обсуждаемой поверхности развивается достаточная амплитуда акустического давления без необходимости в генерировании инерционного захлопывания на поверхности раздела фаз, хотя изобретение может быть модифицировано с дополнительным привлечением такого инерционного захлопывания на особенно прочных поверхностях. Это будет инициировать поверхностные волны и надлежащее колебание пузырьков для очистки поверхности раздела фаз и связанной с нею структуры без причинения повреждения и эрозии, которые потенциально могут возникать, когда инерционная кавитация или генерирование высокоскоростных струй пузырьками возбуждаются вблизи твердой поверхности или на ней. Любое увлечение пузырьков в щели содействует очистке: акустическое поле, используемое в вариантах исполнения, способствует транспорту пузырьков из объема жидкости на целевую поверхность, и затем увлекает надлежащие пузырьки в щель под действием сил акустического излучения. Будучи захваченными в пору, эти пузырьки эффективно опустошают/очищают обсуждаемую полость. На поверхность материалов для очистки должно быть создано или доставлено достаточное количество пузырьков. Это должно обеспечить возбуждение пузырьков на поверхности раздела твердой и жидкостной фаз, обусловленное целенаправленным акустическим полем в обсуждаемом устройстве.
Принимая во внимание передачу звука по проточной системе, желательно согласовывать граничные условия на сопле (и рупоре) с граничными условиями в потоке, как только он покидает сопло. В конкретном примере, где поток жидкости после выхода из сопла проходит через заполненное газом пространство, является желательным достижение условия поглощения давления на стенках проточной системы и работы выше «граничной» частоты по меньшей мере одной моды (которая не может быть плосковолновой модой, поскольку эта мода быстро угасает при всех частотах для поглощающих давление стенок), и что граничная частота определяется апертурой, но является различной для каждой моды, даже если все имеют одну и ту же апертуру. Однако плосковолновая мода (которая не может распространяться в потоке жидкости, протекающем сквозь газ, но может распространяться в закрытой трубе) может существовать при всех частотах в трубе с жесткими стенками. Было найдено, что передачу звука по надлежащему потоку жидкости можно облегчить несколькими путями.
Во-первых, частоту приложенного акустического поля выбирают более высокой, чем граничная частота по меньшей мере одной распространяющейся моды (предпочтительно больше) для распространения звука вдоль потока жидкости. Во-вторых, пузырьки, вызывающие возмущение системы, могут содействовать передаче звука по потоку жидкости. В-третьих, модулированный по амплитуде или частоте звук может быть использован для повышения акустического давления на поверхность очищаемого объекта и тем самым достижения колебаний пузырьков.
Скорость течения и конструкцию сопла предпочтительно выбирают так, чтобы поток жидкости не утрачивал целостности, пока он не достигнет цели (например, разрушением на капли, увлечением пузырьков и т.д.), до такой степени, чтобы это препятствовало передаче звука от сопла к цели. Симметричные конструкции сопла и низкие скорости течения представляют собой один предпочтительный путь к достижению этой цели. Хотя в предпочтительных вариантах исполнения камера выше по потоку относительно сопла является по существу конической по форме, в других вариантах исполнения камера может иметь иную форму, при условии, что акустическая энергия сообщается потоку жидкости при желательных граничных условиях для конкретного варианта применения очистки.
Устройство предпочтительно предназначено для электрохимического генерирования скопления пузырьков с надлежащими размерами, и затем для переноса этого скопления по течению текучей среды в потоке к очищаемой поверхности в отсутствие акустически возбуждаемого слияния пузырьков. Затем акустическая энергия создает акустически возбужденное движение/поверхностные волны на пузырьках в скоплении на целевом субстрате.
Зародышеобразование пузырьков в потоке содействует очистке тем, что: возмущает систему для облегчения передачи звука в поток жидкости; искажает скорость звука для облегчения передачи звука в поток жидкости; возмущает акустический импеданс в жидкости для облегчения передачи звука в поток жидкости; нарушает нагрузки текучей среды для облегчения передачи звука в поток жидкости; создает пузырьки, которые транспортируются к цели, где эти пузырьки производят очистку; и добавлением поверхностно-активного вещества к жидкости, которое может влиять на достижение стабильного диаметра пузырьков без слияния пузырьков.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечивать улучшенную очистку изделий или объектов, например, таких как хирургическое оборудование и протезы, инструменты, детали изделий (например, микрочипы), пищевые продукты, упаковка, литейные формы, материалы и упаковки для фармацевтических препаратов, лабораторное оборудование, и оборудование для судебных экспертиз. Надлежащими вариантами применения являются также инфраструктура и учреждения (например, больничные палаты и их клавишные пульты, телефоны; скотобойни; ядерные и химические реакторы, и т.д.), и персонал (например, под ногтями на пальцах хирургов, для очистки персонала или транспортных средств, загрязненных биологическими, химическими или ядерными опасными загрязнителями, и т.д.).
Примеры изделий, которые были бы в особенности преимущественными для проявления «потока жидкости» в предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения (например, приспособленные к шлангу или отводу), включают: транспортные средства, продукты домашнего обихода (в доме и в выставочном зале или предприятии), руки человека; оптические линзы; поверхности со специализированными или деликатными покрытиями, например, покрытиями из тефлона (Teflon, зарегистрированная торговая марка) на антипригарных сковородках или оптическими покрытиями на линзах; и для очистки (например, путем удаления биопленки) без повреждения изделий перед хирургической имплантацией, таких как имплантаты, протезы, органы и т.д.
Такая очистка может быть достигнута без любых абразивных частиц, исключительно потоком жидкости, содержащим газовые пузырьки. Абразивный износ и повреждение разрушают детали и повышают вероятность последующего загрязнения (например, роста биопленок), и, кроме того, затрудняют последующую очистку.
Характеристики портативности и сохраняемости очистного устройства предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения делают его особенно удобным для обеззараживания и очистки строений (или другого оборудования, где объект нельзя погрузить, или где предпочтительно не транспортировать его на специальную очистную установку), либо как часть планового режима очистки (например, для скотобоен, больниц, учреждений и т.д.), либо как инструмент для обеззараживания крупных установок (например, при выводе из эксплуатации химических и ядерных установок, или областей, загрязненных в результате террористических акций или военных действий).
Технология потока жидкости, как используемая в предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, в особенности привлекательна для очистки помещений, коридоров и фиксированных сооружений. Живой материал (персонал, животные) также мог бы быть обеззаражен с использованием настоящего изобретения, где портативность (или введение изобретения в существующую душевую установку или гибкие трубопроводные системы) устраняет задержку, которая могла бы стать следствием перевозки загрязненного человека к стационарной установке для обеззараживания.
1. Устройство для очистки поверхности, содержащее корпус, образующий камеру, впускной канал для течения жидкости в камеру, выпускной канал для течения жидкости из камеры, сопло, соединенное с выпускным каналом для формирования выходного потока жидкости для очистки поверхности, акустический преобразователь, соединенный с корпусом для введения акустической энергии в жидкость внутри камеры, в соответствии с чем акустическая энергия присутствует в жидкости, вытекающей из сопла, и генератор газовых пузырьков для создания газовых пузырьков внутри жидкости, вытекающей из сопла, причем корпус и/или сопло выполнены из материала, образующего границу, поглощающую давление.
2. Устройство по п. 1, в котором генератор пузырьков содержит электроды, предназначенные для генерирования газовых пузырьков электролитическим путем внутри жидкости.
3. Устройство по п. 2, в котором электрод содержит сетку из электропроводных проволок, простирающихся поперек направления течения жидкости.
4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором генератор газовых пузырьков размещен внутри сопла.
5. Устройство по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащее первое управляющее устройство для генератора газовых пузырьков, предназначенное для управления генератором газовых пузырьков, чтобы генерировать импульсы газовых пузырьков.
6. Устройство по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащее второе управляющее устройство для акустического преобразователя, предназначенное для управления акустическим преобразователем, чтобы генерировать импульсы акустической энергии.
7. Устройство по п. 6, в котором второе управляющее устройство предназначено для периодического включения и выключения акустического преобразователя для создания импульсов акустической энергии.
8. Устройство по п. 7, дополнительно содержащее модулятор для амплитудной или частотной модуляции импульсов акустической энергии.
9. Устройство по п. 6, дополнительно содержащее первое управляющее устройство для генератора газовых пузырьков, предназначенное для управления генератором газовых пузырьков, чтобы генерировать импульсы газовых пузырьков, причем первое и второе управляющие устройства согласованы так, что импульсы газовых пузырьков и импульсы акустической энергии генерируются во взаимно регулируемой временной взаимозависимости.
10. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором корпус содержит стенку, на которой расположен акустический преобразователь, и элемент, простирающийся вперед от нее, причем стенка и элемент образуют камеру, простирающуюся от преобразователя в сторону выпускного канала.
11. Устройство по п. 10, в котором стенка представляет собой заднюю стенку, а элемент является по существу коническим, проходящим вперед от задней стенки с образованием на нем наконечника с относительно малым радиусом, который сообщен с выпускным каналом, причем задняя стенка и конический элемент образуют по существу коническую камеру с уменьшающимся радиусом, простирающуюся от преобразователя в сторону выпускного канала, и/или в котором элемент формируют из поглощающего давление материала, например ячеистого вспененного материала или резины.
12. Устройство по любому из пп. 1-3, дополнительно включающее впускной коллектор, содержащий многочисленные впускные патрубки, каждый из которых на впускном конце соединен с впускным каналом и на выпускном конце с корпусом.
13. Устройство по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащее звукоизолирующее устройство во впускном канале.
14. Устройство по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащее устройство для мониторинга очистки поверхности, причем устройство включает первый и второй электроды, образующие гальванический элемент, предназначенные для соответственного размещения на участке поверхности и соединенные между собой через устройство для измерения электрического сопротивления.
15. Устройство по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащее устройство для добавления поверхностно-активного вещества к жидкости.
16. Способ очистки поверхности, включающий стадию, в которой направляют в сторону поверхности поток жидкости из сопла, выполненного из материала, образующего границу, поглощающую давление, причем поток жидкости включает акустическую энергию и увлеченные газовые пузырьки внутри жидкости, вытекающей из сопла.
17. Способ по п. 16, дополнительно включающий стадию, в которой генерируют газовые пузырьки внутри жидкости, причем необязательно газовые пузырьки генерируют электролитическим путем внутри жидкости, и/или в котором газовые пузырьки генерируют внутри открытого конца сопла или на расстоянии от него.
18. Способ по п. 16 или 17, дополнительно включающий стадию, в которой генерируют импульсы акустической энергии, которую направляют в сторону поверхности, причем необязательно акустическую энергию в пределах импульсов модулируют по амплитуде или частоте.
19. Способ по п. 16 или 17, в котором импульсы газовых пузырьков и импульсы акустической энергии генерируют во взаимно регулируемой временной взаимозависимости, причем необязательно импульсы газовых пузырьков и импульсы акустической энергии сталкиваются с поверхностью по существу одновременно.
20. Способ по п. 16 или 17, в котором акустическую энергию вводят в жидкость акустическим преобразователем, когда жидкость протекает через камеру и проходит от преобразователя в сторону сопла, причем необязательно камера представляет собой по существу коническую камеру с уменьшающимся радиусом, проходящую от преобразователя в сторону сопла, и/или в котором жидкостный входной поток в камеру разделяют на многочисленные параллельные потоки с помощью впускного коллектора, содержащего многочисленные впускные патрубки, каждый из которых соединен на впускном конце с впускным каналом и на выпускном конце с камерой, и/или дополнительно включающий стадию, в которой впускной трубопровод камеры акустически изолируют от акустического преобразователя.
21. Способ по п. 16 или 17, в котором акустическую энергию регулируют для инициирования неинерционного захлопывания пузырьков на поверхности или в котором акустическую энергию регулируют для инициирования инерционного захлопывания пузырьков на расстоянии от поверхности.
22. Способ очистки поверхности, включающий стадию, в которой создают газовые пузырьки на поверхности и используют модулированную акустическую энергию для инициирования неинерционного захлопывания пузырьков.
23. Способ по п. 22, в котором пузырьки дополнительно подвергают инерционной кавитации на расстоянии от поверхности, и/или в котором акустическая энергия генерирует поверхностные волны в пузырьках, и/или в котором пузырьки и акустическая энергия находятся в потоке жидкости, направленном на поверхность, и/или в котором поверхность включает по меньшей мере одну полость, выемку или пору, и пузырькам придают размеры, чтобы они были способны входить по меньшей мере в одну полость, выемку или пору, и/или в котором пузырьки и акустическую энергию направляют на поверхность в виде импульсов так, что импульсы пузырьков и акустической энергии сталкиваются с поверхностью по существу одновременно.
