CN109877028A - 脉动热管散热型大功率超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉动热管散热型大功率超声换能器,涉及超声换能器技术领域,包括压电超声换能器、脉动热管散热装置,所述压电超声换能器包括应力螺栓、后盖板、压电陶瓷元件、前盖板,沿径向穿一系列孔;所述后盖板为圆柱形,所述前盖板为圆锥形,通过所述应力螺栓将所述前盖板、压电陶瓷元件、后盖板紧密连接;所述脉动热管散热装置有机耦合于所述压电超声换能器内。本发明在不影响换能器性能的前提下,以传统压电超声换能器的机械结构为基础,与脉动热管有机耦合而成。利用脉动热管高效的传热特性将大功率压电超声换能器工作时内部产生的热量带走,确保换能器在正常温度范围内高效且安全的运行,并能够延长压电超声换能器使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域,尤其涉及一种脉动热管散热型大功率超声换能器。
背景技术
在功率超声技术应用中,换能器工作性能的稳定性至关重要,一直为业界所高度重视。压电超声换能器是超声振动***进行能量转换的核心器件,而温度对其性能影响十分显著。由于在大功率工作状态下,换能器与电源之间的阻抗失配引起的功率损耗以及压电陶瓷自身的介电损耗而产生热量,又因压电陶瓷为绝缘材料,其导热性能差,使压电超声换能器中心温升严重,温度过高会引起换能器的压电陶瓷片退极化,使换能器性能急剧下降,导致振动***崩溃。对于大功率压电超声换能器,为控制好换能器的工作温度、保证其工作性能的稳定性,亟须寻求一种能对大功率压电超声换能器实施散热降温的有效途径。
对已有技术的文献检索发现,申请号为CN200810163538.9,名称为“超声波换能器冷却***”的中国发明专利,公开了一种利用制冷***对超声换能器进行冷却的方案,在相应温度范围内,使超声换能器能够高效工作。该冷却***采用蒸汽压缩式制冷原理,通过制冷剂的压缩、冷凝、节流和蒸发过程,形成制冷循环,制冷剂不断带走超声换能器的热量,冷却***比较复杂,需要增加动力设备,提升了投资成本,不利于实际应用推广;申请号为CN201110226180.1,名称为“具有热管冷却装置的大功率超声波换能器”的中国发明专利,公开了一种利用热管冷却的超声波换能器,该冷却方案采用热管与换能器外部贴合的方式,控制工作温度,使超声波换能器能够高效工作。但由于此类热管的局限性,需利用重力来实现热管工质的回流,从而使超声换能器的工作姿态受限;申请号为CN200620133985.6,名称为“超声波换能器”的中国实用新型专利,公开了一种以阵列形式排列而成的多振子超声换能器,该换能器采用“T”型管实现多路气体对逐个振子进行冷却,达到迅速降温的效果,但该气体冷却方式,换热面积较小,因此无法满足对换能器高密度且稳定的散热需求。以上几种方案均为对压电超声换能器实现外部散热,尽管可有效降低了换能器外表温度,但其内部温度仍然较高,压电超声换能器内外存在较大的温度梯度,其工作性能仍然受到较大的影响。
脉动热管是上世纪九十年代出现的新型热管,其传热性能基本不受加速、离心力、电场等条件影响,较传统热管有体积小、不需要毛细吸液芯、结构简单、运行可靠、不易烧干、成本低廉等突出优点。是未来主要的高热流密度散热器件。
因此,本领域的技术人员致力于开发一种脉动热管散热型大功率超声换能器,在不影响换能器性能的前提下,以传统压电超声换能器的机械结构为基础,与脉动热管有机耦合而成。利用脉动热管高效的传热特性将大功率压电超声换能器工作时内部产生的热量带走,确保换能器在正常温度范围内高效且安全的运行,并能够延长压电超声换能器使用寿命。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是如何对大功率压电超声换能器进行冷却散热,有效保证大功率压电超声换能器在正常温度范围内高效、安全的工作。
为实现上述目的,本发明提供了一种脉动热管散热型大功率超声换能器,包括压电超声换能器、脉动热管散热装置,所述压电超声换能器包括应力螺栓、后盖板、压电陶瓷元件、前盖板,沿径向穿一系列孔;所述后盖板为圆柱形,所述前盖板为圆锥形,通过所述应力螺栓将所述前盖板、压电陶瓷元件、后盖板紧密连接;所述脉动热管散热装置有机耦合于所述压电超声换能器内;相邻的两块所述压电陶瓷元件的正极面相对,且中间夹有薄铜片作为所述压电超声换能器的正极引线端;所述压电陶瓷元件其中一块的负极面与所述前盖板的上端面相对且其中夹有薄铜片,作为所述压电超声换能器的第一负极引线端;所述压电陶瓷元件中另一块的负极面与所述后盖板的下端面相对,且中间也夹有薄铜片作为所述压电超声换能器的第二负极引线端;正电极引线与所述压电超声换能器的所述正极引线端相连;负电极引线同时与所述压电超声换能器的所述第一负极引线端和第二负极引线端相连。
进一步地,所述脉动热管散热装置包括脉动热管、多组导热翅片、充液管;所述脉动热管呈蛇形布置,管壁中填充有工作工质,分为蒸发段、绝热段、冷凝段三部分,所述蒸发段通过所述绝热段与所述冷凝段连通,所述蒸发段呈圆筒形状,且有机耦合于所述前盖板内;所述多组导热翅片设置于所述冷凝段的外侧,且与所述冷凝段外侧紧密结合;所述充液管用于对所述脉动热管抽真空和充入工作工质,位于所述冷凝段顶部。
进一步地,所述沿径向穿一系列孔位于所述压电超声换能器节面位置,所述节面位置位于所述压电超声换能器前盖板、后盖板和中心厚电极中的一种上。
进一步地,所述前盖板由铝合金制成,所述后盖板由钢制成。
进一步地,所述压电陶瓷元件呈圆环形状,数量为偶数片,用PZT压电陶瓷材料制成。
进一步地,所述多组导热翅片呈圆环形状,与所述冷凝段外表面紧密结合且套于所述压电超声换能器外。
进一步地,所述工作工质为甲醇、丙酮、氟利昂和蒸馏水中的一种,所述脉动热管的管径为0.5至3mm、弯头数为10至80、充液率为50至70%、倾角为70至90度,由所述压电超声换能器工作时的产热功率决定。
进一步地,所述蒸发段的表面与沿所述前盖板上孔的内表面有机耦合,接触面均匀涂有导热硅脂。
进一步地,所述脉动热管及所述多组导热翅片均采用导热性能强的金属加工而成。
进一步地,所述金属为铜、铝、铜合金和铝合金中的一种或多种。
本发明的脉动热管散热型大功率超声换能器利用脉动热管元件的高密度导热特性对大功率压电超声换能器进行冷却散热,能有效保证大功率压电超声换能器在正常温度范围内高效、安全的工作,且主要对大功率压电超声换能器的核心元件压电陶瓷片起到保护作用,解决了目前大功率压电超声换能器工作温度高的技术难题,应用前景将十分广阔。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的三维结构示意图;
图2是本发明的一个较佳实施例的轴向截面剖视图;
图3是本发明的一个较佳实施例的横截面剖视图。
其中,1-应力螺栓,2-后盖板,3-压电陶瓷元件,4-前盖板,5-负电极引线,6-正电极引线,7-脉动热管,8-导热翅片,9-充液管,10-冷凝段,11-绝热段,12-蒸发段。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例,使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现,本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中,结构相同的部件以相同数字标号表示,各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的,本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰,附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例一:
如图1、图2所示,本发明的一个优选实施例包括应力螺栓1、圆柱形后盖板2、压电陶瓷元件3、沿径向穿一系列孔的圆锥形前盖板4、负电极引线5、正电极引线6,脉动热管7,多组导热翅片8,充液管9,冷凝段10,绝热段11和蒸发段12。
圆柱形后盖板2,压电陶瓷元件3和沿径向穿一系列孔的圆锥形前盖板4通过应力螺栓1紧密结合,加工制作成圆柱形状的压电超声换能器,相邻两块压电陶瓷元件3的正极面相对,中间夹有薄铜片作为压电超声换能器的正极引线端;压电陶瓷元件3的负极面分别和沿径向穿一系列孔的圆锥形前盖板4的上端面及圆柱形后盖板2的下端面相对,且中间夹有薄铜片作为压电超声换能器的负极引线端;负电极引线5、正电极引线6分别与压电超声换能器的负、正极引线端相连。
脉动热管7,多组导热翅片8和充液管9组成脉动热管散热***,如图2所示,其中,脉动热管7由管壁和工作工质组成,可分为冷凝段10,绝热段11和蒸发段12;脉动热管7为圆管状;冷凝段10通过绝热段11和蒸发段12连通;多组导热翅片8与冷凝段10的外表面紧密结合,多组导热翅片8的作用是增加冷凝段10外表面积,提高脉动热管散热***的散热能力;充液管9是用于对脉动热管抽真空和充入工作工质,位于冷凝段10顶部,蒸发段12有机耦合于沿径向穿一系列孔的圆锥形前盖板4之内。
如图3所示,工作工质在脉动热管7的蛇形回路中形成许多长度不等的液柱和气塞。在热作用力下,工作工质通过绝热段11在冷凝段10和蒸发段12之间做脉动流动。蒸发段12表面有机耦合在沿径向穿一系列孔的圆锥形前盖板4中孔的内表面,接触面均匀涂有导热硅脂,以增大接触面之间的导热系数,使压电超声换能器工作时的产生的热量快速传递给蒸发段12,并通过工作工质的脉动流动将热量通过绝热段11传输至冷凝段10,以达到散热目的。
压电超声换能器沿径向穿一系列孔的圆锥形前盖板4的一系列孔,其位于压电超声换能器节面位置,所述节面位置可位于压电超声换能器前盖板4,后盖板2或中心厚电极上。
脉动热管7的管径(0.5-3mm不等)、弯头数(10-80)、充液率(50-70%最佳)、倾角(70-90度最佳)及工质等决定其传热当量的因素由所述复合压电超声换能器的功率,即热负荷决定。
本实施例中,圆柱形后盖板2由钢制成,压电陶瓷元件3采用PZT4压电陶瓷材料,沿径向穿一系列孔的圆锥形前盖板4由高强度铝合金制成,脉动热管7和多组导热翅片8均采用导热性能强的金属加工制成,例如铜、铝、钢等金属或合金。
实施例二:
在实施例一的基础上,实施例二中的脉动热管7为角管状。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,包括压电超声换能器、脉动热管散热装置,所述压电超声换能器包括应力螺栓、后盖板、压电陶瓷元件、前盖板,沿径向穿一系列孔;所述后盖板为圆柱形,所述前盖板为圆锥形,通过所述应力螺栓将所述前盖板、压电陶瓷元件、后盖板紧密连接;所述脉动热管散热装置有机耦合于所述压电超声换能器内;相邻的两块所述压电陶瓷元件的正极面相对,且中间夹有薄铜片作为所述压电超声换能器的正极引线端;所述压电陶瓷元件其中一块的负极面与所述前盖板的上端面相对且其中夹有薄铜片,作为所述压电超声换能器的第一负极引线端;所述压电陶瓷元件中另一块的负极面与所述后盖板的下端面相对,且中间也夹有薄铜片作为所述压电超声换能器的第二负极引线端;正电极引线与所述压电超声换能器的所述正极引线端相连;负电极引线同时与所述压电超声换能器的所述第一负极引线端和第二负极引线端相连。
2.如权利要求1所述的脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,所述脉动热管散热装置包括脉动热管、多组导热翅片、充液管;所述脉动热管呈蛇形布置,管壁中填充有工作工质,分为蒸发段、绝热段、冷凝段三部分,所述蒸发段通过所述绝热段与所述冷凝段连通,所述蒸发段呈圆筒形状,且有机耦合于所述前盖板内;所述多组导热翅片设置于所述冷凝段的外侧,且与所述冷凝段外侧紧密结合;所述充液管用于对所述脉动热管抽真空和充入工作工质,位于所述冷凝段顶部。
3.如权利要求1所述的脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,所述沿径向穿一系列孔位于所述压电超声换能器节面位置,所述节面位置位于所述压电超声换能器前盖板、后盖板和中心厚电极中的一种上。
4.如权利要求1所述的脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,所述前盖板由铝合金制成,所述后盖板由钢制成。
5.如权利要求1所述的脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,所述压电陶瓷元件呈圆环形状,数量为偶数片,用PZT压电陶瓷材料制成。
6.如权利要求2所述的脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,所述多组导热翅片呈圆环形状,与所述冷凝段外表面紧密结合且套于所述压电超声换能器外。
7.如权利要求2所述的脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,所述工作工质为甲醇、丙酮、氟利昂和蒸馏水中的一种,所述脉动热管的管径为0.5至3mm、弯头数为10至80、充液率为50至70%、倾角为70至90度,由所述压电超声换能器工作时的产热功率决定。
8.如权利要求2所述的脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,所述蒸发段的表面与沿所述前盖板上孔的内表面有机耦合,接触面均匀涂有导热硅脂。
9.如权利要求2所述的脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,所述脉动热管及所述多组导热翅片均采用导热性能强的金属加工而成。
10.如权利要求9所述的脉动热管散热型大功率超声换能器,其特征在于,所述金属为铜、铝、铜合金和铝合金中的一种或多种。
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