[发明专利]一种凹陷音极以及高频率振动装置

说明书

技术领域

本发明是关于一种凹陷音极及其高频率振动装置，特别是结合曝气及吹脱作业的一种凹陷音极及其高频率振动装置。

背景技术

高强度超声波（通常指其频率超过20 kHz的振动）的应用范围极其广泛，举凡清洗、乳化、混合、分散、雾化、材料切割、布料切花、钻孔、机械加工、塑料熔接、金属焊接、雾化、细胞破坏、各种型式的材料或对象破坏等，皆可利用高强度超声波的高速运动来达到其工作效果。在上述的应用中，为达到较高的高速运动，于超声波音极(ultrasonic horn, sonotrode)的设计上皆希望有较大的位移放大率（输出面位移/输入面位移）以达到工作要求的效率。在习知的超声波音极设计上多属纵向运动，其形状多为阶梯形(stepped)、指数形(exponential)、圆锥形(conical)、傅立叶形(Fourier)、Catenoidal形、Bézier形、或是上述型式的组合设计等，在上述型式的设计或其组合设计中，或是采用纵向(longitudinal)振动转换为弯曲(bending)振动设计的小尺寸折迭超声波音极(folded sonotrode)作为太空探测岩石钻孔之用；或是为了得到比较平整的大尺寸输出面，而设计侧向槽孔(slot)的超声波音极。如图1所示为了要增加音极的输出端4的位移，多缩小其输出端4区域的面积，以增加其位移放大率，但是上述这种超声波音极在位移放大后，将造成其输出端4的工作面积减少。也因此先前技术多用在小范围局部固体或水体的加工作业，例如：切断、塑料熔接、钻孔、IC产业的线焊接(wire bonding)、眼球水晶体乳化、手术刀等。又如：习知的超声波雾化装置(ultrasonic nebulizer)为了获得微米至数十微米粒径范围的液滴，多使用频率在1 MHz ~ 3 MHz范围的小型压电片雾化装置，其工作直径小于25 mm，或是使用频率在60 kHz ~ 80 kHz范围的小型压电片雾化装置并结合数十微米孔径的振动片，其工作直径小于10 mm。上述习知的超声波雾化装置，其工作面积小，雾化量低，仅适合于呼吸道疾病的治疗或是做为家居环境小范围的加湿装置，对于每日流量数公吨以上且具有杂质的污水难以对其具体实施雾化功能。

曝气及吹脱作用(aeration and air stripping)是将气体溶入水体中，或是将溶存气体赶出水体，其曝气方式可概分为：空气经由排列的扩散装置送入至水体中，此时气体为不连续相，水体为连续相，或是将水体经由排列的扩散装置散布至大气中，此时水体为不连续相，气体为连续相。曝气作用在水及污水处理工程上应用广泛，如污水处理的好氧性生物处理系统的传氧系统，以去除污水中可被生物分解的有机物，或是曝气沉砂池中利用曝气达成混合搅拌的效果，并防止污水腐败，或是利用曝气作用将污水或是地下水中的有机挥发物(VOCs, volatile organic compounds)或是污染物的去除，例如氨氮及汽油添加剂MTBE等经由不同类型的曝气装置或吹脱装置(aerator or air stripper)之程序而离开水体，或是利用空气进入至水体的溶氧所产生的氧化作用，以氧化水中的铁、锰或有机溶剂等其它物质。

为了增加曝气作用的效果，除了可以增高水体或空气的温度，还可以应用不同型式的曝气装置(aerator)及吹脱装置(air stripper)，例如：（1）增加气体及溶解于液相的气体饱和浓度差，（2）增加气体与水体接触面积比例，（3）增加气体与水体的接触时间等。其习知的技术有：增加气水比(air water ratio)，增加吹脱塔(air stripping tower)的高度，吹脱塔内部增设不同型式的填充物(packings)，增加喷泉式曝气器(jet aerator)的喷水柱高度或是采用较小孔径喷嘴或是增加喷水柱紊流度，增加气泡曝气器(bubble diffuser)的深度或是采用较小的曝气孔径等。然而上述习知的技术有较大的压力损失，需要较大的空气或水柱压力，也就表示需要较大功率及消耗较多能量的鼓风机或是抽水机，或是过高的吹脱塔等建筑物所造成环境景观的冲击。此外，通常污水的成分复杂且杂质多，曝气孔、喷水孔或是吹脱塔内的填充物于长期使用下极易被污水杂质、水垢或滋生藻类所阻塞，导致曝气作用的效率明显降低及增加维修频率，也因此多需要先行使用污水过滤装置后再进行吹脱作业，这些因素皆导致较高的运转及维护费用。

对于在环境温度于冰点以下低温时，污水表面结冻也会影响水下曝气装置的曝气效果。此外，习知的水下曝气装置的维修，也需要暂停污水处理流程，将池水排放后才得以进行维修，程序繁琐费用高昂且维修期间无法处里的污水将有可能污染周遭环境。