Камера для ультразвуковой обработки жидкости (варианты) - RU2446869C2

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение касается, в общем, систем для ультразвуковой обработки жидкостей, более конкретно для ультразвуковой обработки текучей жидкости и еще более конкретно системы непрерывного смешивания потока для ультразвукового смешивания вместе двух или более компонентов, в которых по меньшей мере один из компонентов является жидкостью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Смешивание растворов жидкостей находит множество применений для улучшения обработки жидкости, таких как однокомпонентные жидкости, смесь жидкость-жидкость, смесь жидкость-газ и смесь жидкость-материал в виде частиц. Например, при производстве чернил, красок или других вязких материалов два или более компонентов (причем один из них является жидкостью) смешивают вместе с образованием подходящего раствора. Другие примеры включают одновременное введение различных жидкостей и газов в камеру для поддержания некоторых реакций. Они включают поток воды в камеру с введением газов, таких как воздух и/или кислород и/или озон, упоминая только некоторые из них. Также эту камеру можно использовать для проведения различных химических реакций, таких как разложение перекиси водорода, реакции эмульсионной полимеризации и образование эмульсий для механизмов эмульсионной полимеризации.

В других применениях эту систему можно использовать для деаггломерации частиц в потоке жидкости. Она включает деаггломерацию наночастиц, таких как пигменты, используемые при производстве чернил. И, кроме того, одновременное образование чернил при использовании этих нанопигментных частиц. Эта система также может быть открыта действию ультрафиолетовых (УФ) лучей, чтобы способствовать конкретным реакциям систем жидкостей или жидкость/газ или жидкость/газ/твердые вещества в ультразвуковой камере. Другие применения могут осуществляться в области медицины, где эти смешивающие системы используют при изготовлении фармацевтических композиций, которые состоят из порошков/жидкостей и жидкостей для выдачи для использования.

Более конкретно такие смешивающие обработки сами обеспечивают системы обработки потока непрерывного типа, в которых жидкость обрабатывают при непрерывном перемещении через систему, обычно через колонну или удлиненную камеру. При смешивании жидкости желаемая реакция (например, смешивание или другой результат) может быть ускорена и, таким образом, проведена при непрерывном течении.

Смешивание жидкости может упоминаться как статическое смешивание, в котором смешивание вызывают конкретными параметрами потока (например, скорость потока, давление и т.д.) одного или более компонентов жидкости через колонну. Статическое смешивание может также осуществляться путем направления потока жидкости мимо элементов стационарного смешивания, таких как спиральная конструкция лопастного типа или других конструкций, расположенных в колонне для потока или камере, которая разрушает и, таким образом, образует турбулентность потока жидкости, подлежащего обработке. Динамическое смешивание осуществляют посредством перемещения, например вращения, колебания, вибрации и т.д. одного или более смешивающих элементов (например, лопастей, лопастей вентилятора и т.д.) внутри камеры для обработки, через которую протекает жидкость.

Один конкретный используемый вид динамического смешивания жидкости получают с помощью ультразвуковой кавитации, более точного смешивания, в жидкости. Ультразвуковая кавитация относится к образованию, росту и имплозивному разрушению пузырьков в жидкости в процессе ее ультразвукового возбуждения (активации). Такая кавитация является результатом ранее существовавших ослабленных мест в жидкости, таких как наполненные газом трещинки во взвеси частиц или перемещающиеся микропузырьки от предыдущей кавитации. Когда ультразвук проходит через жидкость, циклы расширения оказывают отрицательное давление на жидкость, отталкивая молекулы друг от друга. Когда ультразвуковая энергия является достаточно интенсивной, цикл расширения создает пустоты в жидкости, когда отрицательное давление повышает локальную вязкость жидкости, которая меняется в соответствии с типом и чистотой жидкости.

Маленькие газовые пузырьки, образованные исходными пустотами, увеличиваются при дальнейшей абсорбции ультразвуковой энергии. При правильных условиях эти пузырьки подвергаются интенсивному разрушению, образуя очень высокие давления и температуры. В некоторых областях, таких как сонохимия (ультразвуковая химия), известно использование в химических реакциях этих высоких давлений и температур, производимых кавитацией. Однако рост и интенсивное разрушение самих пузырьков обеспечивает предпочтительно тщательное смешивание жидкости. Кавитация, которая возникает на границе раздела между активированной ультразвуком жидкостью и твердой поверхностью является ассиметричной и образует высокоскоростные струи жидкости, дополнительно смешивая жидкость. Этот типа кавитации особенно полезен, например, для облегчения более сложного смешивания вместе двух или более компонентов жидкого раствора.

Поэтому существует необходимость в камере для ультразвуковой обработки непрерывного потока жидкости и смешивающей системы, которая использует преимущества ультразвуковой кавитации для обработки текучей жидкости.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном объекте камера ультразвуковой обработки для ультразвуковой обработки жидкости, в общем, содержит удлиненный корпус, имеющий продольно противоположные концы и внутреннее пространство. Корпус, в общем, закрыт на его продольных концах и имеет входное отверстие для приема жидкости во внутреннее пространство корпуса и выходное отверстием, через которое жидкость выпускают из корпуса после ультразвуковой обработки жидкости. Выходное отверстие продольно разнесено от входного отверстия. Так что жидкость протекает продольно во внутреннем пространстве корпуса от входного отверстия к выходному отверстию. Удлиненный ультразвуковой волноводный узел продолжается продольно во внутреннем пространстве корпуса и может работать при заданной частоте ультразвука для ультразвуковой активации жидкости, протекающей внутри корпуса.

Волноводный узел содержит удлиненный ультразвуковой волновод, расположенный, по меньшей мере частично, в промежутке между входным отверстием и выходным отверстием корпуса, и имеет наружную поверхность, расположенную для контакта с жидкостью, протекающей внутри корпуса от входного отверстия к выходному отверстию.

Множество смешивающих элементов находятся в контакте с наружной поверхностью волновода между входным отверстием и выходным отверстием и продолжаются поперечно наружу от этой поверхности в продольно разнесенном отношении друг с другом. Смешивающие элементы и волновод выполнены и расположены для динамического перемещения смешивающих элементов относительно волновода при ультразвуковой вибрации волновода в заданной частоте и для работы в режиме ультразвуковой кавитации смешивающих элементов в соответствии с заданной частотой и жидкости, обрабатываемой в камере.

В другом объекте камера ультразвуковой обработки для ультразвуковой обработки жидкости, в общем, содержит удлиненный корпус, имеющий продольно противоположные концы, внутреннее пространство и входное отверстие для приема жидкости во внутреннее пространство корпуса и выходное отверстие, через которое жидкость выпускают из корпуса после ультразвуковой обработки жидкости. Выходное отверстие продольно разнесено от входного отверстия, так что жидкость протекает продольно во внутреннем пространстве корпуса от входного отверстия к выходному отверстию. Удлиненный ультразвуковой волноводный узел продолжается продольно во внутреннем пространстве корпуса и может работать при заданной частоте ультразвука для ультразвуковой активации жидкости, протекающей в корпусе.

Волноводный узел содержит удлиненный ультразвуковой волновод, расположенный, по меньшей мере частично, между входным отверстием и выходным отверстием корпуса и имеет наружную поверхность, расположенную для контакта с жидкостью, протекающей внутри корпуса от входного отверстия к выходному отверстию. Волновод выполнен как для продольного смещения, так и для радиального смещения в ответ на ультразвуковую вибрацию волновода при заданной частоте ультразвука. Смешивающий элемент находится в контакте с наружной поверхностью волновода между входным отверстием и выходным отверстием и продолжается поперечно наружу от этой поверхности. Смешивающий элемент содержит поперечный компонент, продолжающийся, в общем, поперечно наружу от наружной поверхности волновода, и продольный компонент, соединенный с поперечным компонентом в поперечно разнесенном соотношении с другой поверхностью волновода, и продолжается в направлении, которое отличается от направления поперечного компонента, и, по меньшей мере частично, отличен от поперечного к наружной поверхности волновода.

В еще одном объекте камера ультразвуковой обработки для ультразвуковой обработки жидкости, в общем содержит удлиненный корпус, имеющий продольно противоположные концы, внутреннее пространство, входное отверстие для приема жидкости во внутреннее пространство корпуса и выходное отверстие, через которое жидкость выпускают из корпуса после ультразвуковой обработки жидкости. Выходное отверстие продольно разнесено от входного отверстия так, что жидкость протекает продольно во внутреннем пространстве корпуса от входного отверстия к выходному отверстию. Удлиненный ультразвуковой волноводный узел продолжается продольно во внутреннем пространстве корпуса и может работать при заданной частоте ультразвука для ультразвуковой активации жидкости, протекающей внутри корпуса.

Волноводный узел содержит удлиненный ультразвуковой волновод, расположенный, по меньшей мере частично, между входным отверстием и выходным отверстием корпуса и имеющий наружную поверхность, расположенную для контактирования с жидкостью, протекающей внутри корпуса от входного отверстия к выходному отверстию. Множество отдельных смешивающих элементов находятся в контакте с наружной поверхностью волновода и продолжаются поперечно наружу от нее в продольно разнесенном соотношении друг с другом между входным отверстием и выходным отверстием. Смешивающие средства и волновод выполнены и расположены для динамического перемещения смешивающих элементов относительно волновода при ультразвуковой вибрации волновода с заданной частотой. Смешивающие элементы, каждый, являются кольцевыми и продолжаются непрерывно по периметру волновода.

В еще одном объекте камера ультразвуковой обработки для ультразвуковой обработки жидкости, в общем, содержит удлиненный корпус, имеющий продольно противоположные концы, внутреннее пространство, входное отверстие для приема жидкости во внутреннее пространство в корпусе и выходное отверстие, через которое жидкость выпускают из корпуса после ультразвуковой обработки жидкости. Выходное отверстие продольно разнесено от входного отверстия, так что жидкость протекает продольно во внутреннем пространстве корпуса от входного отверстия к выходному отверстию. Удлиненный ультразвуковой волноводный узел продолжается во внутреннем пространстве корпуса и может работать при заданной частоте ультразвука для ультразвуковой активации жидкости, протекающей внутри корпуса.

Волноводный узел содержит удлиненный ультразвуковой волновод, имеющий граничный конец, продольно разнесенный от выходного отверстия, и наружную поверхность, расположенную для контакта с жидкостью, протекающей внутри корпуса от входного отверстия к выходному отверстию. Множество отдельных смешивающих элементов находятся в контакте с наружной поверхностью волновода и продолжаются поперечно наружу от этой поверхности в продольно разнесенном отношении друг к другу, между входным отверстием и выходным отверстием. Один из смешивающих элементов продольно расположен на граничном конце волновода и смежно ему в продольно разнесенном соотношении с выходным отверстием.

В другом объекте камера ультразвуковой обработки для ультразвуковой обработки жидкости, в общем, содержит удлиненный корпус, имеющий продольно противоположные концы, внутреннее пространство, входное отверстие для приема жидкости во внутреннее пространство корпуса и выходное отверстие, через которое жидкость выпускают из корпуса после ультразвуковой обработки жидкости. Выходное отверстие продольно разнесено от входного отверстия, так что жидкость протекает продольно во внутреннем пространстве корпуса от входного отверстия к выходному отверстию. Удлиненный ультразвуковой волноводный узел продолжается продольно во внутреннем пространстве корпуса и может работать при заданной частоте ультразвука для ультразвуковой активации жидкости внутри корпуса.

Волноводный узел содержит удлиненный ультразвуковой волновод, имеющий наружную поверхность, расположенную для контакта с жидкостью, протекающей в корпусе от входного отверстия к выходному отверстию. Множество отдельных смешивающих элементов находятся в контакте с наружной поверхностью волновода и продолжаются поперечно наружу от этой наружной поверхности в продольно разнесенном соотношении друг с другом между входным отверстием и выходным отверстием. Разделительный узел камеры для обработки содержит множество отдельных разделительных элементов, продолжающихся, в общем, поперечно внутрь от корпуса в направлении волновода во внутреннем пространстве корпуса. Разделительные элементы, в общем, продольно разнесены друг с другом и продольно пересекаются со смешивающимися элементами волноводного узла.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схематичный вид смешивающей системы в соответствии с одним вариантом выполнения системы для ультразвуковой обработки жидкости, показанной в виде системы смешивания раствора чернил, и включающей камеру ультразвуковой обработки для ультразвуковой обработки жидкости;

Фиг.2 - вид сбоку камеры ультразвуковой обработки для ультразвуковой обработки жидкости;

Фиг.3 - вид в продольном (например, вертикальном) сечении камеры ультразвуковой обработки;

Фиг.3А - увеличенный, фрагментарный вид участка сечения по Фиг.3;

Фиг.3В - вид сверху буртика, который образует часть корпуса камеры ультразвуковой обработки по Фиг.2;

Фиг.4 - покомпонентный вид в перспективе узла волновода и разделительного узла камеры ультразвуковой обработки по Фиг.2;

Фиг.5 - вид спереди в перспективе альтернативного варианта выполнения узла волновода;

Фиг.6 - покомпонентный и увеличенный вид в продольном сечении, аналогичный Фиг.3А, но показывающий альтернативный вариант выполнения разделительного узла;

Фиг.7 - вид спереди в перспективе другого альтернативного варианта выполнения разделительного узла;

Фиг.8 - его покомпонентный вид и

Фиг.9 - его продольный вид в сечении.

Соответствующие ссылочные позиции обозначают соответствующие части на всех чертежах.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Со ссылкой на Фиг.1 в одном варианте выполнения системы для ультразвуковой обработки жидкости, в общем, содержит камеру ультразвуковой обработки, в общем обозначенную позицией 21, которая может работать для ультразвуковой обработки жидкости. Термин «жидкость», как используют здесь, предназначен для обозначения однокомпонентной жидкости, раствора, состоящего из двух или более компонентов, в котором по меньшей мере один из компонентов является жидкостью, такой как смесь жидкость-жидкость, смесь жидкость-газ или жидкость, в которую введены твердые частицы или другие вязкие текучие среды.

Камера 21 ультразвуковой обработки показана схематично на Фиг.1 и дополнительно описана здесь со ссылкой на использование камеры для обработки в системе смешивания, в общем обозначенной позицией 23, используемой для образования жидкостного раствора путем смешивания вместе двух или более компонентов, в которых по меньшей мере один из компонентов представляет собой жидкость, путем приложения ультразвуковой энергии к раствору внутри камеры, и более конкретно в такой системе смешивания, которая образует жидкий чернильный раствор из двух или более чернильных компонентов. Понятно, однако, что камера 21 ультразвуковой обработки, показанная и описанная здесь, может быть использована с системой смешивания для образования раствора жидкостного раствора, отличного от жидкостных чернильных растворов. Также понятно, что камера 21 ультразвуковой обработки может быть использована в системах ультразвуковой обработки жидкости, отличных от смешивающих, но в которых ультразвуковое смешивание жидкости, по меньшей мере частично, предусматривает обработку жидкости.

Более конкретно камера 21 ультразвуковой обработки подходит для использования в системах обработки жидкости, в которых предпочтительно ультразвуковое смешивание жидкости в соответствующем, например, непрерывном поточном процессе, в котором жидкость протекает непрерывно через камеру. Примеры рассматриваемых применений камеры для ультразвуковой обработки включают без ограничений смешивание растворов, красок и других вязких материалов (например, отличных от растворов чернил), производство и обработку пищевых продуктов; дегазацию растворов (например, извлечение растворенных газов из жидкостных растворов, таких как кислород, азот, аммиак и т.д.) и улучшение химических реакций, например, как это принято в сонохимии, где химическую реакцию активируют для ускорения реакции. Предполагается, однако, что камеру 21 для обработки можно использовать в системах обработки жидкости, в которых жидкость обрабатывают в соответствии с периодическим процессом, вместо непрерывного процесса протекания и это остается в объеме изобретения.

Дополнительные примеры рассматриваемых применений смешивания для камеры 21 ультразвуковой обработки включают, без ограничений, смешивание полимеров и отверждающих агентов для производства пластмасс; смешивание суспензий пульпы с химическими добавками, такими как отбеливающие агенты, агенты, придающие прочность во влажном состоянии, крахмалы, красители, ферменты, наполнители, агенты против слипания, силиконовые добавки и т.д.; смешивание композиций, используемых в бумажной и салфеточной промышленностях, таких как глинистые суспензии для покрытий, полимерные добавки, такие как придающие прочность во влажном состоянии полимеры, суспензии крахмала, силиконовые композиции, лосьоны, суспензии наполнителей и т.д.; смешивание полимеров и окрашивающих агентов, наполнителей и других композиций; смешивание несмешиваемых фаз для изготовления эмульсий, таких как пищевые эмульсии (например, для солнцезащитных продуктов, лосьонов для рук, композиций для помады и т.д.), косметические средства, чистящие агенты (включающие наноэмульсии масла и воды), фармацевтические композиции и т.д., и смешивание окрашивающих агентов и других композиций с образованием косметических средств, таких как краски для волос.

Другие рассматриваемые применения камеры 21 ультразвуковой обработки включают без ограничения дегазацию смеси для упрощения последующей обработки и снижения образования пустот, удаление печатной краски с повторно используемых волокон для изготовления бумаги, в котором ультразвуковая энергия может способствовать удалению чернил (особенно в присутствии ферментов, детергентов или других химических веществ); гидрирование масел, сыра или других пищевых продуктов, в котором газ и суспензии или жидкости должны быть смешены; гидрирование молочных и других композиций; включением в биореакторы и ферментационные узлы, в которых хрупкие клетки должны быть смешаны с питательными веществами и другими композициями без интенсивного механического встряхивания, которое может повредить клетки; обработка сточных вод и/или удобрений, в которых различные добавки и пузырьки воздуха может быть необходимо смешивать с суспензиями; производство нефтехимических веществ, таких как смеси для смазки, бензиновые смеси, восковые смеси и т.д. (например, смешивание комбинаций агентов, которые должны быть добавлены для измельчения или обработки самой тестообразной массы, которое может привести к улучшенному расщеплению глютена и т.д.). Камеру 21 для ультразвуковой обработки также можно использовать в химических реакторах, включающих одну или множество фаз, включая суспензии.

В других рассматриваемых применениях камера 21 для ультразвуковой обработки может использоваться для удаления захваченных пузырьков газа из покрывающих растворов, которые используют при гравюрных покрытиях, при способе нанесения покрытия с удалением излишек с помощью планки Мейера или любых других применений для нанесения покрытий, где предпочтительно удалять пузырьки воздуха из раствора.

В показанном варианте выполнения по Фиг.1, камера 21 для ультразвуковой обработки, в общем, является удлиненной и имеет общий входной конец 25 (нижний конец в ориентации показанного варианта выполнения) и общий выходной конец 27 (верхний конец в ориентации показанного варианта выполнения). Система 23 выполнена так, что жидкость входит в камеру 21 для обработки, в общем, на ее входном конце 25, протекает, в общем, продольно внутри камеры (например, вверх в ориентации показанного варианта выполнения) и выходит из камеры, в общем, на выходном конце камеры.

Термины «верхний», «нижний» используют здесь в соответствии с вертикальной ориентацией камеры 21 для ультразвуковой обработки, показанной на различных чертежах, и они не предназначены для описания необходимой ориентации камеры при использовании. То есть, хотя камера 21 наиболее подходящим образом ориентирована вертикально, с выходным концом 27 камеры над входным концом 25, как показано на разных чертежах, понятно, что камера может быть ориентирована входным концом вверх, над выходным концом или может быть ориентирована иначе, чем в вертикальной ориентации и остается в объеме настоящего изобретения.

Термины аксиальный и продольный направленно относятся здесь к продольному направлению камеры 21 (например «конец к концу», как в вертикальном направлении в показанных вариантах выполнения). Термины поперечный, латеральный и радиальный относятся здесь к направлению, нормальному к аксиальному (например, продольному) направлению. Термины внутренний и наружный также используют здесь со ссылкой на направление, поперечное аксиальному направлению камеры 21 для ультразвуковой обработки, причем термин «внутренний» относится к направлению внутренней части камеры (например, в направлении продольной оси камеры), а термин «наружный» относится к направлению к наружной части камеры (например, от продольной оси камеры).

Входной конец 25 камеры 21 для ультразвуковой обработки находится в жидкостном сообщении с подходящей системой подачи, в общем, обозначенной позицией 29, которая может работать для направления одного или более жидкостных компонентов к и более предпочтительно через камеру 21. Например, в показанной системе 23 смешивания жидкого чернильного раствора по Фиг.1 система подачи 29 содержит множество насосов 31 (например, один насос для каждого компонента чернил, подлежащего смешиванию), работающих для накачивания соответствующих компонентов из соответствующего источника (показан схематично на Фиг.1, под ссылочной позицией 32) к входному концу 25 камеры 21 через соответствующие трубопроводы (показаны схематично на Фиг.1 ссылочной позицией 33) В качестве примера четыре таких насоса 31, источник компонента и соответствующие трубопроводы 33 показаны на Фиг.1 для подачи комбинации компонентов чернил, включающих, например, компоненты, используемые для формирования пигментированного раствора чернил, такого как без ограничения дисперсия пигмента, вода, глицерин, связующие, поверхностно-активное вещество и/или биоцид, или компоненты для образования реактивного раствора чернил, такого как без ограничений краска или пигмент, вода, глицерин, поверхностно-активное вещество, биоцид и связующее, или компоненты для формирования других жидкостных растворов чернил.

Понятно, что система 29 подачи может быть выполнена для подачи менее чем четырех (включая один) или более чем четырех компонентов в камеру 21 для обработки, без отхода объема изобретения. Также предполагают, что системы подачи, отличные от показанной на Фиг.1 и описанные здесь, можно использовать для подачи одного или более компонентов к входному концу 25 камеры 21 для ультразвуковой обработки без отхода от объема изобретения.

Система 23 смешивания чернил по показанному варианту выполнения также содержит систему последующей обработки, в общем, обозначенную позицией 35, в жидкостном сообщении с выходным концом 27 камеры 21 ультразвуковой обработки для обработки жидкостного раствора (например, раствора чернил) после того, как жидкостной раствор выходит из камеры. Показанная смешивающая система 23 содержит один или более датчик давления 37 (два показаны на Фиг.1) для контроля за давлением жидкости в смешивающей системе. Один или более фильтрующих узлов 39а, 39b также могут быть расположены вдоль пути потока раствора жидкости вниз по ходу потока от камеры 21 обработки для отфильтровывания частиц материалов, таких как грязь, мусор или другие загрязнения, которые могут присутствовать в растворе жидкости (например, изначально присутствующие в одном или более компонентах, подаваемых в камеру) из раствора жидкости. Например, в показанном варианте выполнения первый фильтрационный узел 39а выполнен для фильтрации частиц, размер которых превышает около 0,5 микрон, а второй фильтрационный узел 39b, расположенный внизу по ходу потока от первого фильтрационного узла, выполнен для дополнительной фильтрации частиц, размер которых превышает 0,2 микрона. Понятно, однако, что только один или более чем два фильтрационных узла 39а, 39b можно использовать или что все фильтрационные узлы могут быть опущены без отхода от объема изобретения.

Еще ссылаясь на Фиг.1, система 35 последующей обработки дополнительно содержит узел дегазации и удаления пузырьков 41, который работает для удаления пузырьков газа из раствора жидкости (например, раствора чернил) после ультразвуковой обработки в камере 21 для обработки. В одном особенно предпочтительном варианте выполнения узел 41 дегазации и удаления пузырьков содержит традиционный мембранный контактор. Конструкция и работа мембранного контактора хорошо известны специалистам в данной области и поэтому не описаны здесь более подробно. Один пример подходящего мембранного контактора представляет собой контактор, доступный от Membrana of Charlotte, Северная Каролина, США, под торговым обозначением SuperPhobic. Один или более сенсорных узлов 43 также могут быть обеспечены для контроля различных характеристик раствора жидкости (например, раствора чернил), таких как без ограничений pH, проводимость, вязкость, температура, цвет, поверхностное натяжение и другие характеристики.

После последующей обработки жидкость, обрабатываемая в камере 21 для ультразвуковой обработки, может быть направлена к контейнеру для хранения или оперативному устройству (каждый из которых схематично обозначен одной ссылочной позицией 45), имеющему любое из множества применений. Например, система 23 для смешивания раствора чернил по Фиг.1 может подавать раствор чернил непосредственно в головку для струйной печати для непрерывной подачи раствора чернил на субстрат или накачивать насосом непосредственно в устройство для нанесения покрытия, такое как щелевая экструзионная головка, устройство для глубокой печати (гравюра), шелковый сетчатый трафарет, стержневое устройство, ролик, распылитель или другое подходящее устройство для нанесения покрытия для использования в нанесении покрытия из раствора чернил на субстраты. Примеры других применений включают без ограничений подачу обработанной жидкости к распылительному соплу для распыления или подачу обработанной жидкости для инжекционного формования или реактивного инжекционного формования. Любая система (не показана), используемая для подачи обработанной жидкости к аппликатору, может быть расположена вниз по ходу потока от системы последующей обработки (такой как система последующей обработки 35) или система последующей обработки может быть пропущена и система (не показана) может сообщаться непосредственно с выходным отверстием 65 камеры 21 для подачи обработанной жидкости к последующему аппликатору.

Теперь со ссылкой на Фиг.2 камера 21 для ультразвуковой обработки системы 23 для обработки жидкости содержит корпус 51, образующий внутреннее пространство 53 камеры, через которое жидкость, подаваемая к камере, протекает от ее входного конца 25 к выходному концу 27. Корпус 51 подходящим образом содержит удлиненную трубку 55, в общем, образующую, по меньшей мере частично, боковую стенку 57 камеры 21. Трубка 55 может иметь одно или более входных отверстий (одно такое входное отверстие показано на Фиг.2 и обозначено позицией 59), образованных в ней, через которые один или более компонентов, подлежащих обработке в камере 21, подают к ее внутреннему пространству 53. В показанном варианте выполнения корпус 51, кроме того, содержит буртик 61, который соединен с одним концом трубки 55 и установлен на нем для дальнейшего образования (вместе с входным отверстием 59) входного конца 25 камеры 21.

Корпус 51 также содержит крышку 63, соединенную с продольно противоположным концом боковой стенки 57 и по существу закрывающую его и имеющую по меньшей мере одно выходное отверстие 65 в ней, в общем, для образования выходного конца 27 камеры 21 для обработки. Боковая стенка 57 (например, образованная удлиненной трубкой 55) камеры 21 имеет внутреннюю поверхность 67, которая вместе с буртиком 61 и крышкой 63 образует внутреннее пространство 53 камеры. В показанном варианте выполнения трубка 55 является, в общем, цилиндрической, так что боковая стенка 57 камеры является, в общем, кольцевой в сечении. Однако полагают, что поперечное сечение боковой стенки 57 камеры может быть отличным от кольцевого, таким как многоугольное, или другой подходящей формы, и при этом оставаться в объеме настоящего изобретения. Боковая стенка 57 камеры показанной камеры 21 подходящим образом выполнена из прозрачного материала, хотя понятно, что можно использовать любой материал, если материал совместим с компонентами жидкости, подлежащей обработке в камере, с давлением, при котором работает камера, и другими условиями окружающей среды, такими как температура.

Со ссылкой на Фиг.3В входной буртик 61 на входном конце 25 камеры 21, в общем, является кольцевым и имеет по меньшей мере одно и более предпочтительно множество входных отверстий 69а, 69b, образованных в нем, для приема раствора компонентов жидкости во внутреннее пространство 53 камеры 21. По меньшей мере одно входное отверстие 69а ориентировано, в общем, тангенциально относительно кольцевого буртика 61, так что жидкость протекает во внутреннее пространство 53 камеры 21, в общем, тангенциально к ней, для придания закрученного действия жидкости при ее входе в камеру. Более предпочтительно в показанном варианте выполнения пара входных отверстий 69а, 69b расположена в параллельном выравнивании друг с другом и продолжается, в общем, тангенциально относительно кольцевого буртика 61, причем одно отверстие 69а обозначено здесь как наружное входное отверстие, а другое отверстие 69b обозначено здесь как внутреннее входное отверстие.

Это двойное тангенциальное расположение входного отверстия 69а, 69b особенно полезно при начале смешивании двух или более компонентов вместе перед тем, как раствор жидкости подвергают дальнейшей ультразвуковой обработке в камере 21. В особенно подходящем использовании такого расположения, где жидкость, подлежащая обработке в камере 21, содержит две или более жидкостей, причем жидкость, имеющую самую низкую вязкость, направляют для прохождения в камеру через наружное входное отверстие 69а, тогда как жидкость, имеющую самую высокую вязкость, направляют для прохождения в камеру через внутреннее входное отверстие 69b. Прохождение ингредиента с меньшей вязкостью через наружное входное отверстие 69а имеет тенденцию втягивать ингредиент с более высокой вязкостью во внутреннее пространство 53 камеры 21 для повышения скорости, с которой ингредиент с более высокой вязкостью вводят в камеру.

Это действие, объединенное с закручивающим действием, являющимся результатом тангенциального направления, в котором компоненты жидкости направляют в камеру 21, облегчает исходной смешивание этих двух компонентов перед тем, как раствор жидкости проходит дальше через камеру для ультразвуковой обработки. Если дополнительные компоненты должны быть добавлены к смеси, такие компоненты могут подаваться во внутреннее пространство 53 камеры 21 через входное отверстие 59, образованное в боковой стенке 57 камеры. В показанном варианте выполнения буртик 61 также имеет дополнительную тангенциальную группу входных отверстий и пару, в общем, вертикально ориентированных входных отверстий 71. Понятно, однако, что ни одно из отверстий 69а, 69b не должно быть ориентировано тангенциально относительно буртика 61, чтобы оставаться в объеме настоящего изобретении. Также полагают, буртик 61 может быть полностью пропущен, так что все компоненты, подлежащие смешиванию, подают во входное отверстие 59, образованное в боковой стенке 57 камеры.

Ультразвуковой волноводный узел, в общем, обозначенный позицией 101, продолжается продольно, по меньшей мере частично, во внутреннем пространстве 53 камеры 21 для ультразвуковой активации жидкости (и любых других компонентов раствора жидкости), протекающей через внутреннее пространство 53 камеры. Более конкретно ультразвуковой волноводный узел 101 показанного варианта выполнения продолжается продольно от нижнего или входного конца 25 камеры 21 вверх в ее внутреннее пространство 53 к граничному концу 103 волноводного узла, расположенному между самым верхним входным отверстием (например, входное отверстие 59, когда оно присутствует, или, в ином случае, входные отверстия 69а, 69b). Более предпочтительно волноводный узел 101 установлен либо непосредственно, либо опосредованно, в корпусе 51 камеры, как будет описано здесь ниже.

Ультразвуковой волноводный узел 101 подходящим образом содержит удлиненный узел волновода, в общем обозначенный позицией 105, расположенный полностью во внутреннем пространстве 53 корпуса 51 между самым верхним входным отверстием и выходным отверстием для полного погружения в жидкость, обрабатываемую в камере 21, и более предпочтительно он коаксиально выровнен с боковой стенкой 57 камеры. Узел волновода 105 имеет наружную поверхность 107, которая вместе с внутренней поверхностью 107 боковой стенки 57 образует путь потока во внутреннем пространстве 53 камеры 21, вдоль которого жидкость и другие компоненты проходят мимо узла волновода в камере (этот участок пути потока широко упоминается здесь как область ультразвуковой обработки). Узел волновода 105 имеет верхний конец 109, образующий граничный конец узла волновода (и поэтому граничный конец 103 волноводного узла) и продольно противоположный нижний конец 111. Волноводный узел 101 в показанном варианте выполнения также содержит вспомогательное устройство 113, коаксиально выровненное на его верхнем конце и соединенное с нижним концом 11 узла волновода 105. Понятно, однако, что волноводный узел 101 может содержать только узел волновода 105 и при этом оставаться в объеме настоящего изобретения. Также полагают, что вспомогательное устройство 113 может быть расположено полностью снаружи корпуса 51 камеры, с узлом волновода 105, установленным на корпусе 51 камеры, без отхода от объема настоящего изобретения.

Ультразвуковой волноводный узел 101 и более конкретно вспомогательное устройство 113 в показанном варианте выполнения по Фиг.3 подходящим образом установлены на корпусе 51 камеры, например на трубке 55, образующей боковую стенку 57 камеры, на верхнем ее конце, с помощью установочного элемента 115, который выполнен, чтобы вибрационно изолировать волноводный узел (который производит ультразвуковые вибрации в процессе его работы) от корпуса камеры ультразвуковой обработки. То есть установочный элемент 115 препятствует переносу продольной и поперечной механической вибрации волноводного узла 101 к корпусу 51 камеры, при этом поддерживая желаемое поперечное положение волноводного узла (и в частности узла волновода 105) во внутреннем пространстве 53 корпуса камеры и позволяя как продольное, так и поперечное смещение узла волновода в корпусе камеры. В показанном варианте выполнения установочный элемент 115 также, по меньшей мере частично, (например, вместе со вспомогательным устройством 113) закрывает входной конец 25 камеры 21.

В качестве одного примера установочный элемент 115 показанного варианта выполнения, в общем, содержит кольцевой наружный сегмент 117, продолжающийся поперечно волноводному узлу 101 в поперечно разнесенном отношении с ним, и фланцевый элемент 119, взаимно соединяющий наружный сегмент с волноводным узлом. Хотя фланцевый элемент 119 и поперечный наружный сегмент 117 установочного элемента 115 продолжаются непрерывно по периметру волноводного узла 101, понятно, что один или более из этих элементов могут быть прерывистыми вокруг волноводного узла, так как, например, спицы колеса, без отхода от объема настоящего изобретения. Наружный сегмент 117 установочного элемента 115 более конкретно выполнен для установки на заплечик 121, образованный входным буртиком 61.

Как лучше всего видно на Фиг.6, диаметр внутреннего поперечного сечения (например, внутренний диаметр) буртика 61 ступенчато продолжается наружу по мере того, как буртик продолжается продольно вниз от боковой стенки 57 камеры для вмещения фланцевого элемента. В одном особенно предпочтительном варианте выполнения буртик 61 имеет достаточный размер, чтобы быть поперечно разнесенным от фланцевого элемента 119 с образованием, в общем, кольцевого зазора 123 между ними, в котором жидкость, подаваемая к камере 21 через входные отверстия 69а, 69b буртика, входит во внутреннее пространство 53 камеры. Этот кольцевой зазор 123 дополнительно облегчает закручивание жидкости при входе в камеру 21 через входные отверстия 69а, 69b буртика.

Установочный элемент 115 имеет подходящий размер в поперечном сечении, так что по меньшей мере область наружного края наружного сегмента 117 и более предпочтительно по существу поперечный участок наружного сегмента установлен на заплечике 121, образованном на буртике 61. Подходящая система крепления (не показана), такая как множество болтов и соответствующих гаек (не показаны), прикрепляет наружный сегмент 117 установочного элемента 115 к заплечику 121, образованному буртиком 61 для соединения таким образом вспомогательного устройства 113 (и более широко волноводного узла 101) к корпусу 51 камеры.

Фланцевый элемент 119 может подходящим образом быть выполнен относительно более тонким, чем наружный сегмент 117 установочного элемента 115 для облегчения складывания или сгибания фланцевого элемента 119 в ответ на ультразвуковую вибрацию волноводного узла 101. В качестве примера в одном варианте выполнения толщина фланцевого элемента 119 может находиться в диапазоне от около 0,2 до около 5 мм и более предпочтительно около 2,5 мм. Фланцевый элемент 119 показанного установочного элемента 125 подходящим образом имеет внутренний поперечный компонент 125, соединенный с волноводным узлом 101 и продолжающийся, в общем, наружу от него, но внутрь от наружного сегмента 117 установочного элемента, и аксиальный или продольный компонент 127, взаимно соединяющий поперечный внутренний компонент с наружным сегментом установочного элемента и вместе с поперечным внутренним компонентом, в общем, образующий, в общем, L-образное поперечное сечение фланцевого элемента 119. Полагают, однако, что фланцевый элемент 119 может вместо этого иметь, в общем, U-образное сечение или другую подходящую форму сечения, такую как Н-образную форму, L-образную форму, форму перевернутой буквы U и т.п., и при этом оставаться в объеме настоящего изобретения. Дополнительные примеры подходящих конфигураций установочного элемента 115 показаны и описаны в патенте США №6676003, полное описание которого включено сюда посредством ссылки в той степени, в которой не противоречит указанному здесь.

Продольный компонент 127 показанного фланцевого элемента 119 подходящим образом консольно прикреплен к поперечному наружному сегменту 117 и к поперечному внутреннему компоненту 125 фланцевого элемента, при этом внутренний компонент фланцевого элемента консольно прикреплен к волноводному узлу 101. Соответственно, фланцевый элемент 119 может динамически сгибаться и/или изгибаться относительно наружного сегмента 117 установочного элемента 115 в ответ на вибрационное смещение волноводного узла 101 для соответствующей изоляции корпуса 51 камеры от поперечного и продольного смещения волноводного узла.

Хотя в показанном варианте выполнения поперечный наружный сегмент 117 установочного элемента 115 и поперечный внутренний компонент 125 фланцевого элемента 119 расположены, в общем, в продольно смещенных положениях относительно друг друга, понятно, что они могут быть расположен, в общем, в одном месте (например, когда фланцевый элемент имеет, в общем, U-образную форму в сечении) или в положениях, отличных от показанных на Фиг.3), без отхода от объема настоящего изобретения.

В одном особенно предпочтительном варианте выполнения установочный элемент 115 представляет собой цельную конструкцию. Даже более предпочтительно установочный элемент 115 может быть выполнен за одно целое со вспомогательным средством 113 (и более широко, с волноводным узлом 101), как показано на Фиг.3. Однако понятно, что установочный элемент 115 может быть выполнен отдельно от волноводного узла 101 и при этом оставаться в объеме настоящего изобретения. Также понятно, что один или более компонентов установочного элемента 115 могут быть выполнены отдельно и соответствующим образом соединены или иначе собраны вместе.

В одном предпочтительном варианте выполнения установочный элемент 115, кроме того, выполнен, чтобы быть, в общем, жестким (то есть устойчивым к статическому смещению под нагрузкой), так чтобы сгибать волноводный узел 101 в правильном совмещении с внутренним пространством 53 камеры 21. Например, жесткий установочный узел 115 в одном варианте выполнения может быть выполнен из неэластомерного материала, более предпочтительно из металла и даже более предпочтительно из такого же металла, из которого выполнено вспомогательное устройство 113 (и более широко волноводный узел 101). Термин «жесткий», однако, не означает, что установочный элемент 115 не может динамически сгибаться и/или изгибаться в ответ на ультразвуковую вибрацию волноводного узла 101. В другом варианте выполнения жесткий элемент 115 может быть выполнен из эластомерного материала, который является достаточно устойчивым к статическому смещению под нагрузкой, но при этом способен динамически сгибаться и/или изгибаться в ответ на ультразвуковую вибрацию волноводного узла 101. Хотя установочный элемент 115, показанный на Фиг.3, выполнен из металла и более предпочтительно выполнен из того же металла, что и вспомогательное устройство 113, полагают, что установочный элемент может быть выполнен из другого подходящего, в общем, жесткого материала, без отхода от объема настоящего изобретения.

Подходящая ультразвуковая приводная система 131 (показана схематично на Фиг.1), включающая по меньшей мере устройство возбуждения (не показано) и источник энергии (не показан), расположена снаружи камеры 21 и оперативно соединена со вспомогательным устройством 113 (и более широко с волноводным узлом 101) для приведения в действие волноводного узла для механической ультразвуковой вибрации. Примеры подходящих ультразвуковых приводных систем 131 включают Model 20A3000, систему, доступную от Dukane Ultrasonics, St.Charles, Illinois, и Model 2000CS, систему, доступную от Herrmann Ultrasonics, Schaumberg, Illinois.

В одном варианте выполнения приводная система 131 может приводить в действие волноводный узел 101 при частоте в диапазоне от около 15 кГц до около 100 кГц, более предпочтительно в диапазоне от около 15 кГц до около 60 кГц и даже более предпочтительно в диапазоне от около 20 кГц до около 40 кГц. Такие ультразвуковые приводные системы 131 хорошо известны специалистам в данной области и нет необходимости описывать их здесь более подробно.

Со ссылкой на Фиг.3 узел волновода 105 содержит удлиненный, в общем, цилиндрический волновод 133, имеющий два или более (т.е множество) смешивающих элементов 137, соединенных с волноводом и продолжающихся, по меньшей мере частично, поперечно наружу от наружной поверхности волновода в продольно разнесенном соотношении друг с другом. Волновод 133 имеет соответствующий размер для обеспечения длины, равной приблизительно половине резонансной длины волны (иначе упоминаемой как половина длины волны) волновода. В одном конкретном варианте выполнения волновод 133 соответствующим образом выполнен для резонирования в диапазонах частоты ультразвука, приведенных выше, и более предпочтительно 20 кГц. Например, волновод 133 может быть подходящим образом выполнен из сплава титана (например, T16A14V) и иметь такой размер, чтобы резонировать при 20 кГц. Волновод 133 с половиной длины волны, работающий при такой частоте, таким образом, имеет длину (соответствующую половине длины волны) в диапазоне от около 4 дюймов до около 6 дюймов), более предпочтительно в диапазоне от около 4,5 дюймов до около 5,5 дюймов, даже более предпочтительно в диапазоне от около 5,0 дюймов до около 5,5 дюймов и наиболее предпочтительно длину около 5,25 дюймов (133,4 мм). Понятно, однако, что камера 21 ультразвуковой обработки может включать узел волновода 195, в котором волновод 133 имеет такой размер, чтобы иметь любое увеличение половины длины волны без отхода от объема настоящего изобретения.

В показанном варианте выполнения смешивающие элементы 137 содержат ряд из шести колец в форме шайбы, которые продолжаются непрерывно вокруг периметра волноводного элемента 133 в продольно разнесенном соотношении друг с другом и поперечно (например, радиально в показанном варианте выполнения) наружу от наружной поверхности волновода. Таким образом, вибрационное смещение каждого из смешивающих элементов 137 относительно волновода 133 является относительно равномерным по периметру волновода. Понятно, однако, что смешивающие элементы 137, каждый, необязательно должны быть непрерывными по периметру волновода 133. Например, смешивающие элементы 137 вместо этого могут иметь форму вилок, лопастей, ребер или других отдельных структурных элементов, которые продолжаются поперечно наружу от наружной поверхности 135 волновода 133.

Для обеспечения примерного размера для волновода 133 в показанном варианте выполнения по Фиг.3, имеющего длину около 5,25 дюймов (133,4 мм), одно из колец 137 предпочтительно расположено смежно граничному концу волновода 133 (и, следовательно, волноводного узла 101) и более предпочтительно продольно разнесено, приблизительно на 0,063 дюйма (1,6 мм) от граничного конца волноводного элемента. В других вариантах выполнения самое верхнее кольцо 137 может быть расположено на граничном конце волновода и при этом оставаться в объеме настоящего изобретения. Кольца 137, каждое, имеют толщину около 0,125 дюйма (3,2 мм) и продольно разнесены друг от друга (между обращенными друг к другу поверхностями колец) на расстояние около 0,875 дюймов (22,2 мм).

Понятно, что количество смешивающих элементов 137 (например, колец в показанном варианте выполнения) может быть меньше или больше чем шесть без отхода от объема изобретения. Также понятно, что продольное разнесение между смешивающими элементами 137 может быть другим, чем показано на Фиг.3, и описано выше (например, они могут быть расположены ближе или дополнительно разнесены друг от друга). Хотя кольца 137, показанные на Фиг.3, равно разнесены друг от друга в продольном направлении, альтернативно полагают, что когда присутствует более чем два смешивающих элемента, расстояние между продольно следующими друг за другом смешивающими элементами необязательно должно быть одинаковым, чтобы оставаться в объеме настоящего изобретения.

Более конкретно расположения смешивающих элементов 137, по меньшей мере частично, служат для вибрационного смещения смешивающих элементов при вибрации волновода 133. Например, в показанном варианте выполнения волновод 133 имеет основную область, расположенную, в общем, продольно в центре волновода (например, между третьим и четвертым кольцами). Как используют здесь, выражение «основная область» волновода 133 относится к продольной области или участку волноводного элемента, вдоль которого возникает небольшое (или вообще никакого) продольное смещение в процессе ультразвуковой вибрации волновода, а поперечное (т.е. радиальное в показанном варианте выполнения смещение волновода является, в общем, максимальным. Поперечное смещение волновода 133 соответствующим образом содержит поперечное расширение волновода, но может также включать поперечное перемещение (т.е. сгибание) волновода.

В показанном варианте выполнения конфигурация волновода 133 с половиной длины волны является такой, что основная область в частности образована основной плоскостью (т.е. плоскостью, поперечной волноводному элементу, в которой не возникает продольное смещение, тогда как поперечное смещение, в общем, максимально). Соответственно, смешивающие элементы 137 (например, в показанном варианте выполнения, кольца), которые расположены продольно дальше от основной области волновода 133 будут испытывать, в основном, продольное смещение, тогда как смешивающие средства, которые в продольном направлении ближе к основной области, будут испытывать повышенную степень поперечного смещения и пониженное продольное смещение относительно удаленных в продольном направлении смешивающих элементов.

Понятно, что волновод 133 может быть выполнен так, что основная область отличается от расположенной в центре продольно на волноводном элемента, без отхода от объема настоящего изобретения. Также понятно, что один или более смешивающих элементов 137 могут быть продольно расположены на волноводе, так чтобы испытывать как продольное, так и поперечное смещение по отношению к волноводу при ультразвуковой вибрации узла волновода 105.

Еще ссылаясь на Фиг.3, смешивающие элементы 137 выполнены достаточными (т.е. материал и/или размер, такой как толщина и поперечная длина, которая представляет собой расстояние, на которое смешивающий элемент продолжается поперечно наружу от наружной поверхности 135 волновода 133) для облегчения динамического перемещения, в частности динамического сгибания/изгибания смешивающих элементов в ответ на ультразвуковую вибрацию волноводного элемента. В одном особенно предпочтительном варианте выполнения для заданной частоты ультразвука, при которой волноводный узел 101 должен работать в ультразвуковой камере (иначе упоминаемая здесь как заданная частота волноводного узла), и конкретной жидкости, подлежащей обработке в камере 21, смешивающие элементы 137 и волновод 133 подходящим образом выполнены и расположены для работы смешивающих элементов в режиме, который упоминается здесь как режим ультразвуковой кавитации с заданной частотой.

Как используют здесь, режим ультразвуковой кавитации смешивающих элементов относится к вибрационному смещению смешивающих элементов, достаточному для обеспечения кавитации (т.е. образования, роста и взрыва пузырьков в жидкости) жидкости, обрабатываемой при заданной частоте ультразвука. Например, когда жидкость, проходящая в камере, содержит водный раствор и более конкретно воду, а ультразвуковая частота, с которой должен работать волноводный узел 101 (т.е. заданная частота) составляет около 20 кГц, один или более смешивающих элементов 137 соответствующим образом выполнены для обеспечения вибрационного смещения на по меньшей мере 1,75 мил (т.е.0,00175 дюйма или 0,044 мм) для установления режима кавитации смешивающих элементов. Понятно, что волноводный узел 101 может быть выполнен по-другому (например, материал, размер и т.д.) для достижения желаемого режима ультразвуковой кавитации, связанной с конкретной обрабатываемой жидкостью.

Например, когда вязкость обрабатываемой жидкости меняется, режим кавитации смешивающих средств должен быть изменен.

В особенно предпочтительном варианте выполнения режим кавитации смешивающих элементов соответствует резонансному режиму смешивающих средств, при этом вибрационное смещение смешивающих элементов усиливается относительно смещения волновода. Однако понятно, что кавитация может возникать без работы смешивающих элементов в их резонансном режиме или даже при вибрационном смещении, которое превышает смещение волновода, без отхода от объема изобретения.

В одном подходящем примерном размере, отношение поперечной длины по меньшей мере одного или более, предпочтительно, всех смешивающих элементов 137 к толщине смешивающего элемента находится в диапазоне от около 2:1 до около 6:1. В качестве другого примера кольца 137, показанные на Фиг.3, каждое, продолжаются поперечно наружу от наружной поверхности 135 волновода 133, а длина около 0,5 дюйма (12,7 мм) и толщина каждого кольца составляет около 0,125 дюйма (3,2 мм), так что отношение поперечной длины к толщине каждого кольца составляет около 4:1. Понятно, однако, что толщина и/или поперечная длина смешивающих элементов 137 может быть другой, чем у колец, показанных на Фиг.3, без отхода от объема настоящего изобретения. Также, хотя смешивающие элементы 137 (кольца) показанного варианта выполнения, каждое, имеют поперечную длину и толщину, понятно, что смешивающие элементы могут иметь другую толщину и/или поперечную длину.

В показанном варианте выполнения перечная длина смешивающего элемента 137 также, по меньшей мере частично, образует размер (и, по меньшей мере частично, направление) пути потока, вдоль которого жидкость или другие текучие компоненты во внутреннем пространстве 53 камеры 21 протекают мимо узла волновода 105. Например, волновод 133, показанный на Фиг.3, имеет радиус около 0,875 дюймов (22,2 мм), а поперечная длина каждого кольца 137, как описано выше, составляет около 0,5 дюймов (12,7 мм). Радиус внутренней поверхности 67 боковой стенки 57 корпуса составляет приблизительно 1,75 дюймов (44,5 мм), так что поперечное расстояние между каждым кольцом и внутренней поверхностью боковой стенки корпуса составляет около 0,375 дюйма (9,5 мм). Полагают, что расстояние между наружной поверхностью 135 волновода и внутренней поверхностью 67 боковой стенки 57 камеры и/или между смешивающими элементами 137 и внутренней поверхностью боковой стенки камеры может быть выше или ниже, чем описано здесь, без отхода от объема настоящего изобретения.

В общем, волновод 133 может быть выполнен из металла, имеющего по существу акустические и механические свойства. Примеры подходящих металлов для выполнения волновода 133 включают, без ограничения, алюминий, монель, титан, нержавеющую сталь и некоторые сплавы стали. Также полагают, что весь волновод 133 или его часть может быть покрыт другим металлом, таким как серебро, платина и медь, упоминая некоторые из них. В одном особенно предпочтительном варианте выполнения смешивающие элементы 137 выполнены из того же материала, что и волновод 137, и более предпочтительно образованы за одно целое с волноводом. В других вариантах выполнения один или более смешивающих элементов 137 могут в место этого быть образованы отдельно от волновода 133 и соединены с ним с образованием узла волновода 105.

Хотя смешивающие элементы 137 (например, кольца), показанные на Фиг.3, являются относительно плоскими, т.е. относительно прямоугольными в сечении, понятно, что кольца могут иметь сечение, которое отличается от прямоугольного, без отхода от объема настоящего изобретения. Термин «поперечное сечение» используют в этом случае, чтобы указать сечение, взятое вдоль одного поперечного направления (например, радиально в показанном варианте выполнения) относительно наружной поверхности 135 волновода). Кроме того, хотя смешивающие элементы 137 (например, кольца), показанные на Фиг.3, выполнены только для обеспечения поперечного компонента, полагают, что один или более смешивающих элементов могут иметь по меньшей мере один продольный (например, аксиальный) компонент для обеспечения преимущества поперечного вибрационного смещения волновода (например, в основной области или рядом с основной областью волновода, показанного на Фиг.3) в процессе ультразвуковой вибрации волноводного узла 101.

Например, на Фиг.5 показан один альтернативный вариант выполнения узла волновода 205, имеющего пять смешивающих элементов 235, продолжающихся поперечно наружу от наружной поверхности 235 волновода 233. Хотя каждый из смешивающих элементов 237 имеет поперечный компонент, например, в форме кольца, подобного показанному на Фиг.3, самый центральный смешивающий элемент 237 также имеет кольцевой продольный компонент 241, прикрепленный к поперечному компоненту. Более конкретно самый центральный смешивающий элемент 237 расположен продольно, в общем, в основной области и более конкретно в основной области волновода 233 в показанном варианте выполнения по Фиг.5, где поперечное смещение волновода 233, в общем, является максимальным в процессе его ультразвуковой активации, при этом продольное смещение, в общем, сведено к минимуму. Продольный компонент 241, таким образом, может динамически перемещаться (например, сгибаться/изгибаться) в поперечном направлении в ответ на поперечное смещение волновода 233 при ультразвуковой активации волновода.

Полагают, что продольный компонент 241 необязательно должен продолжаться полностью продольно, т.е. параллельно наружной поверхности волновода 233, поскольку продольный компонент имеет некоторый продольный вектор к нему. Также, хотя в показанном варианте выполнения смешивающий элемент 237, имеющий продольный компонент 241, имеет в общем Т-образное поперечное сечение, понятно, что другие конфигурации такого смешивающего элемента также являются подходящими, такие как L-образное сечение (с продольным компонентом, продолжающимся либо вверх, либо вниз), плюсобразное сечение или другое подходящее сечение.

Также полагают, что одно или более отверстий может быть образовано в самом центральном смешивающем элементе 237, так что в поперечном компоненте и/или продольных компонентах 241 позволить жидкости протекать свободно как в горизонтальном, так и вертикальном направлении через эти элементы.

Как лучше всего показано на Фиг.3, граничный конец 103 волноводного узла 101 (например, волновода 133 в показанном варианте выполнения) является по существу разнесенным продольно от выходного отверстия 65 на выходном конце 27 камеры 21, чтобы обеспечить так называемую здесь буферную область (т.е. участок внутреннего пространства 53 корпуса 51 камеры в продольном направлении за граничным концом 103 волноводного узла 101), чтобы позволить более равномерное смешивание компонентов, когда жидкость проходит вниз по ходу потока от граничного конца 103 волноводного узла 101 к выходному концу 27 камеры. Например, в одном подходящем варианте выполнения буферная область имеет объем пустот (т.е. объем того участка открытого пространства 53 в корпусе 51 камеры в буферной области), в котором отношение этого объема пустот буферной области в объему пустот в остальной части внутреннего пространства камеры вверх по ходу потока от граничного конца волноводного узла находится предпочтительно в диапазоне от около 0,01:1 до около 5,0:1 и более предпочтительно около 1:1.

Обеспечение показанной буферной области особенно предпочтительно, когда камеру 21 используют для смешивания компонентов вместе, с образованием раствора жидкости, такого как в системе смешивания 23 раствора чернил по Фиг.1. То есть продольное расстояние между граничным концом 103 волноводного узла 101 и выходным отверстием 65 камеры 21 обеспечивает достаточное пространство для возбуждаемого потока смешиваемого раствора жидкости для, в общем, осаждения перед выходом раствора жидкости из камеры через выходное отверстие. Это особенно полезно, когда как в показанном варианте выполнения один из смешивающих элементов 137 расположен на граничном конце волновода 133 или смежно ему. Хотя такое расположение приводит к улучшенному противоточному смешиванию жидкости, когда она проходит мимо граничного конца волновода 133, предпочтительно, чтобы этот смешиваемый поток осаждался по меньшей мере частично перед выходом из камеры. Понятно, однако, что граничный конец 103 волноводного узла 101 во внутреннем пространстве 53 камеры 21 может быть расположен продольно вблизи выходного отверстия 65 на выходном конце 27 камеры или что буферная область может даже быть по существу пропущена без отхода от объема настоящего изобретении.

Противоположный, например, более близкий конец узла волновода 105 является предпочтительно продольно разнесенным от буртика 61 с образованием так называемой области приема жидкости, в которой исходное закручивание жидкости во внутреннем пространстве 53 корпуса 51 камеры возникает вверху по ходу потока узла волновода 105. Эта область приема является особенно полезной, когда камеру 21 для обработки используют для смешивания двух или более компонентов вместе, при этом исходное смешивание облегчается посредством закручивающего действия в области приема, когда компоненты, подлежащие смешиванию, входят в корпус 51 камеры. Понятно, однако, что граничный конец узла волновода 105 может быть ближе к буртику 61, чем показано на Фиг.3, и может быть по существу смежен к буртику так, чтобы, в общем, исключить область приема без отхода от объема настоящего изобретения.

Все еще ссылаясь на Фиг.3, разделительный узел, в общем, обозначенный позицией 145, расположен во внутреннем пространстве 53 камеры 21 и более конкретно, в общем, поперечно смежен внутренней поверхности 67 боковой стенки 57, и, в общем, находится в поперечно противоположном отношении с узлом волновода 105. В одном предпочтительном варианте выполнения разделительный узел 145 содержит один или более разделительных элементов 147, расположенных смежно внутренней поверхности 67 боковой стенки 57 корпуса и продолжающихся, по меньшей мере частично, поперечно внутрь от внутренней поверхности боковой стенки в направлении узла волновода 105. Более предпочтительно один или более разделительных элементов 147 продолжаются поперечно внутрь от внутренней поверхности 67 блоковой стенки корпуса к положению, имеющему промежуток в продольном направлении со смешивающими элементами 137, которые продолжаются наружу от наружной поверхности 135 волноводного элемента 133. Выражение «имеющему промежуток в продольном направлении» используют здесь для обозначения того, что продольная линия, проведенная параллельно продольной оси волновода 133, проходит через смешивающие элементы 137 и разделительные элементы 147. В качестве примера в показанном варианте выполнения разделительный узел 145 содержит пять, в общем, кольцевых разделительных элементов 147 (т.е. продолжающихся непрерывно вокруг волновода 133), расположенных на расстоянии в продольном направлении с шестью кольцами 137 узла волновода 105.

В качестве более конкретного примера пять кольцевых разделительных элементов 147, показанных на Фиг.3, имеют такую же толщину, как кольца 137 узла волновода (т.е. 0,125 дюйма (3,2 мм)), и продольно разнесены друг от друга (например, между противоположными поверхностями последовательных разделительных элементов) на расстояние, равное в продольном направлении расстоянию между кольцами (т.е. 0,875 дюйма (22,2 мм)). Каждый из кольцевых разделительных элементов 147 имеет поперечную длину (например, внутрь от внутренней поверхности 67 боковой стенки 57 корпуса) около 0,5 дюйма (12,7 мм), так что самые внутренние края разделительных элементов продолжаются поперечно внутрь за самые наружные края смешивающих элементов 137 (например, колец). Понятно, однако, что разделительные элементы 147 необязательно должны продолжаться поперечно внутрь за самые наружные края смешивающих элементов 137 узла волновода 105, чтобы оставаться в объеме настоящего изобретения.

Будет понятно, что разделительные элементы 147, таким образом, продолжаются в путь потока жидкости, которая проходит во внутреннем пространстве 53 камеры 21 мимо узла волновода 105 (например, внутри области ультразвуковой обработки).

По существу разделительные элементы 147 препятствуют протеканию жидкости вдоль внутренней поверхности 67 боковой стенки 57 камеры мимо узла волновода 105 и более предпочтительно разделительные элементы облегчают протекание жидкости поперечно внутрь в направлении узла волновода для протекания по смешивающим элементам узла волновода, чтобы таким образом облегчить ультразвуковую активацию (т.е. смешивание) жидкости.

Для предотвращения застаивания пузырьков газа или, иначе говоря, нарастания вдоль внутренней поверхности 67 боковой стенки 57 и поперек поверхности обратной стороны каждого разделительного элемента 147, например, как в результате смешивания жидкости, группа выемок 149 (более широко отверстий) образована в наружном каре каждого из разделительных элементов для облегчения прохождения газа (например, пузырьков газа) между наружными краями разделительных элементов и внутренней поверхностью боковой стенки камеры. Например, в показанном варианте выполнения четыре такие выемки образованы в наружном крае каждого из разделительных элементов 147 в равноразнесеном соотношении друг с другом. Понятно, что отверстия могут быть образованы в разделительных элементах 147 иначе, чем на наружных краях, где разделительные элементы примыкают к корпусу, и при этом оставаться в объеме настоящего изобретения. Также понятно, что эти выемки 149 могут быть опущены.

Кроме того, предполагают, что разделительные элементы 147 необязательно должны быть кольцевыми или иначе продолжаться непрерывно вокруг волновода 133. Например, разделительные элементы 147 могут продолжаться прерывисто вокруг волновода 133, как например в форме вилок, выступов, сегментов или других отдельных структурных образований, которые продолжаются поперечно внутрь от смежной внутренней поверхности 67 боковой стенки 57 корпуса. Выражение «непрерывно» со ссылкой на разделительные элементы 147, продолжающиеся непрерывно вокруг волновода, не исключает того, что разделительные элементы представляют собой два или более дугообразных сегмента, расположенных в соотношении конец к концу, т.е. когда значительный зазор не образован между такими сегментами.

Например, как лучше показано на Фиг.4, разделительные элементы 147 предпочтительно образованы отдельно от трубки 55 и установлены на опорные стержневые узлы 151 (четыре таких стержневых узла используют в показанном варианте выполнения). Опорные стержневые узлы 151 имеют такой размер в длину, чтобы продолжаться от выходного конца 27 камеры (и более предпочтительно от крышки 63) вниз через каждый из разделительных элементов. Опорные стержневые узлы 151 прикреплены (как, например, соединены резьбой) к крышке 63, в общем, для закрепления разделительного узла 145 на месте во внутреннем пространстве 53 камеры 21.

Более конкретно каждый из кольцевых разделительных элементов 147 показанного варианта выполнения представляет собой конструкцию из двух элементов (каждый элемент является полукруглым) для облегчения сборки разделительного узла вокруг узла волновода 105. Например, одна группа элементов разделительного элемента 147 установлена на пару опорных стержневых узлов 151, а другая группа соответствующих элементов разделительного элемента установлена на другую пару опорных стержневых узлов, так что когда все опорные стержневые узлы находятся на месте во внутреннем пространстве 53 камеры 21, образована кольцевая форма каждого разделительного элемента.

В показанном варианте выполнения каждый опорный стержневой элемент 151 содержит множество отдельных стержневых сегментов, например со стержневым сегментом, продолжающимся между элементами разделительного элемента 147 и соединенным с ними посредством резьбы. Предполагают, однако, что каждый стержневой узел 151 может содержать один стержень, а разделительные элементы 147 образованы интегрально с таким одним стержнем или образованы отдельно и соединены с ним. Также понятно, что разделительные элементы 147 могут иметь цельную конструкцию или могут быть выполнены из более чем двух элементов, без отхода от объема настоящего изобретения. Также предполагают, что разделительные элементы 147 могут подходящим образом поддерживаться во внутреннем пространстве 53 камеры 21 иначе, чем с помощью опорных стержневых узлов 151 в показанном варианте выполнении, и при этом оставаться в объеме настоящего изобретения. В других предпочтительных вариантах выполнения, например, разделительные элементы 147 могут вместо этого быть образованы интегрально с трубкой 55 корпуса 51 камеры или образованы отдельно от трубки и прикреплены к внутренней поверхности 67 боковой стенки 57 корпуса.

Также, хотя разделительные элементы 147, показанные на Фиг.3 и 4, каждый, в общем, являются плоскими, например, имеют, в общем, тонкое прямоугольное сечение, полагают, что один или более разделительных элементов, каждый, может иметь сечение, отличное от, в общем, плоского или прямоугольного сечения, чтобы дополнительно облегчить прохождение пузырьков газа вдоль внутреннего пространства 53 камеры 21. Термин «поперечное сечение» используют в этом случае для обозначения сечения, взятого вдоль одного поперечного направления (например, радиально в показанном варианте выполнения) относительно наружной поверхности 135 волновода.

Например, на Фиг.6 показан альтернативный вариант выполнения разделительного узла 345, состоящий из множества отдельных кольцевых разделительных элементов 347, продольно разнесенных друг от друга. Каждый из разделительных элементов 347 имеет противоположные поверхности 353, 355 и имеет неравномерную толщину, и более конкретно толщина уменьшается по мере продолжения разделительного элемента внутрь от боковой стенки 57 камеры. В показанном варианте выполнения разделительные элементы 347, в общем, являются треугольными в поперечном сечении. Более предпочтительно каждый разделительный элемент 347 выполнен так, что нижняя поверхность 353 разделительного элемента продолжается иначе, чем только в поперечном направлении и, в частности, нижняя поверхность выполнена под углом относительно боковой стенки 57 камеры, чтобы продолжаться частично продольно в направлении выходного конца камеры 21. Также полагают, что как нижняя, так и верхняя поверхности 353, 355 могут быть выполнены под углом относительно боковой стенки 57 камеры и продолжаться частично продольно в направлении выходного конца камеры 21, без отхода от объема настоящего изобретения.

На Фиг.7-9 показан другой альтернативный вариант выполнения разделительного узла 545, используемого для облегчения прохождения пузырьков газа вдоль внутреннего пространства камеры. В этом варианте выполнения имеется множество отдельных разделительных сегментов 546, каждый из которых имеет продольную наружную стенку 548, для примыкания к боковой стенке камеры, и пара разделительных элементов 547 в форме дугообразных сегментов, которые прикреплены к наружной стенке, чтобы продолжаться частично по периметру вокруг волновода (не показано, но аналогично волноводу 133 варианта выполнения, показанного на Фиг.3). Как лучше видно на Фиг.9, продольное положение каждого из дугообразных разделительных элементов 547 постепенно меняется по мере того, как сегмент продолжается в направлении периметра. Разделительные сегменты 546, каждый, установлены на подходящих опорных стержневых узлах 551, как описано выше.

При работе в соответствии с одним вариантом выполнения системы 23 для смешивания раствора чернил, показанной на Фиг.1, один или более компонентов 32 чернил (с по меньшей мере одним компонентом, представляющим собой жидкость), подлежащих смешиванию вместе, подают (например, с помощью насоса 31 в показанном варианте выполнения) через трубопроводы 33 к входным отверстиям 69а, 69b, образованным в буртике 61 корпуса 51 камеры для обработки. Когда эти компоненты входят во внутреннее пространство 53 камеры 21 через входные отверстия 69а, 69b, ориентация входных отверстий вызывает закручивания (жидкости), чтобы инициировать смешивание этих компонентов вверх по ходу потока от узла волновода 105, например, в область приема жидкости внутреннего пространства камеры.

В соответствии с одним вариантом выполнения процесса для обработки жидкости, такой как раствор чернил, когда раствор жидкости продолжает проходить вверх по ходу потока в камере 21, волноводный узел 101 и более конкретно узел волновода 105 приводится в действие с помощью приводной системы 131 для вибрации с заданной частотой ультразвука. В ответ на ультразвуковую активацию волновода 133 смешивающие элементы 137, которые продолжаются наружу от наружной поверхности 135 волновода 133, динамически сгибаются/изгибаются относительно волновода или смещаются поперечно (в зависимости от продольного положения смешивающего элемента относительно основной области волновода). При использовании узла волновода 205, такого как показан на Фиг.5 с одним из смешивающих элементов 237, расположенных в основной области волновода и имеющих продольный 241 компонент, поперечно разнесенный от волновода, продольный компонент смешивающего элемента динамически сгибается/изгибается поперечно относительно волновода.

Раствор жидкости непрерывно протекает продольно вдоль пути потока между узлом волновода 105 и внутренней поверхностью 67 боковой стенки 57 корпуса так, что ультразвуковая вибрация смешивающих элементов 137 включает смешивание различных компонентов, подлежащих смешиванию.

В особенно предпочтительных вариантах выполнения динамическое перемещение смешивающих элементов вызывает кавитацию в жидкости для облегчения смешивания и более конкретно смешивание в системе 23 по Фиг.1 раствора жидкости. Разделительные элементы 147 прерывают продольное прохождение жидкости вдоль внутренней поверхности 67 боковой стенки 57 корпуса и повторно направляют отток поперечно внутрь для прохождения по вибрирующим смешивающим элементам 137.

Когда смешанный раствор жидкости проходит продольно вниз по ходу потока мимо граничного конца 103 волноводного узла 101 в направлении буферной области, исходное обратное смешивание раствора жидкости также возникает в результате динамического перемещения смешивающих элементов 137 на граничном конце волновода 133 или смежно ему. Дальнейшее прохождение вниз по ходу потока раствора жидкости, например в буферной области, обеспечивает смешанный раствор, обеспечивающий более однородную смесь компонентов перед выходом из камеры 21 для обработки через выходное отверстие 65 для последующей обработки с помощью системы последующей обработки.

При описании элементов настоящего изобретения или его предпочтительных вариантов выполнения артикли «a», «an», «the» и «указанный» предназначены для обозначения присутствия одного или более элементов. Выражения «содержащий», «включающий» и «имеющий» являются включительными и означают, что могут присутствовать дополнительные элементы, отличные от перечисленных элементов.

Поскольку различные изменения могут быть сделаны в настоящих конструкциях и способах без отхода от объема настоящего изобретения, полагают, что все объекты, содержащиеся в приведенном выше описании и показанные на сопроводительных чертежах, должны быть интерпретированы как иллюстративные, а не ограничивающие.

Реферат

Изобретение относится к ультразвуковой обработке жидкости и может использоваться при производстве чернил, красок, фармацевтических композиций, проведения различных химических реакций и образования эмульсий. Камера ультразвуковой обработки жидкости имеет удлиненный корпус, через который жидкость проходит продольно от входного отверстия к выходному отверстию. Удлиненный ультразвуковой волноводный узел расположен в корпусе и работает при заданной частоте ультразвука для ультразвуковой активации жидкости внутри корпуса. Удлиненный ультразвуковой волновод волноводного узла расположен, по меньшей мере частично, между входным и выходным отверстиями и имеет множество отдельных смешивающих элементов, находящихся в контакте с волноводом и продолжающихся поперечно наружу от волновода между входным и выходным отверстиями в продольно разнесенном соотношении друг с другом. Технический результат состоит в повышении эффективности обработки. 5 н. и 21 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула