CN114857971A - 一种多级频率超声振动脉动热管装置及其运行工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级频率超声振动脉动热管装置及其运行工艺，该装置主要由脉动热管、二级超声振子和支撑架部件组成，脉动热管安装在二级超声振子上，二级超声振子固定于支撑架上；所述二级超声振子主要包括一级超声振子和超声组合件，整体结构尺寸满足全波长谐振设计要求。一级超声振子和超声组合件均有超声压电陶瓷换能器，但两者谐振频率不同。一级超声振子整体长度满足半波长谐振设计原则。所述脉动热管蒸发端带有底座，通过双头螺柱与超声振子连接。本发明中提出的装置可调节超声振动装置频率的变化，实现脉动热管在多级频率超声条件下的稳定工作，保证超声传递方向和脉动热管内工质流向的匹配性。

Description

一种多级频率超声振动脉动热管装置及其运行工艺

技术领域

本发明涉及一种多级频率超声振动脉动热管装置及其运行工艺。所述装置可实现多级频率的超声能场在脉动热管上的稳定可靠加载与传递，为脉动热管在超声振动加工领域的应用提供实验基础。

背景技术

脉动热管作为一种被动传热元件，具有结构简单，传热能力高的特点。已经在车削、磨削等机械加工中应用，起到降低加工温度，减缓工具磨削的作用。因此，脉动热管在超声加工中同样具有广大的应用前景。探究超声对脉动热管传热性能的影响，首先需要解决如何实现超声在脉动热管上稳定可靠的加载和传递。超声在脉动热管加载有方向的要求，需保证超声传递的方向和脉动热管内工质流向一致。

从目前的研究来看，有研究将陶瓷压电片直接放置在脉动热管的蒸发端，或采用超声传感器接触进行振动。

例如，公开号为CN110726317A的发明专利申请公开一种有温差发电驱动和温度预警的超声波脉动热管散热器，包括脉动热管、压电陶瓷片、超声波发生器，压电陶瓷片设于脉动热管表面；包括温差发电片、DC-DC变换器，导热板和指示灯电路温差发电片通过DC-DC变换器与超声波发生器电性连接；脉动热管蒸发段嵌入导热板内，导热板一面贴于待散热元器件，另一面贴设温差发电片，温差发电片的另一面与空气接触；指示灯电路的电磁继电器与温差发电片电性连接，可用于对元器件结点温度进行预警，以便对元器件进行保护。该发明利用脉动热管进行温差发电，驱动压电陶瓷片工作，压电陶瓷发出的超声波产生的空化效应，可强化脉动热管的传热性能。由于温差发电自供，可灵活适用于各类半导体元器件散热的场合。

公开号为CN102607305A的发明专利申请涉及一种侧面固定有电控压电陶瓷块的板式脉动热管传热***，包括内部设有弯曲孔道的板，弯曲孔道内充有工质。弯曲孔道自下而上依次分为蒸发区，绝热区与冷凝区。它的特点是：在板的侧面固定有电控压电陶瓷块。电控压电陶瓷块上施加的电压大小可调，频率可调。这种传热***优点是：通过控制加载在压电陶瓷上电压的大小和频率，使压电陶瓷产生不同频率和强度的超声波，从而控制脉动热管的启动和正常工作时的传热性能。降低脉动热管的启动功率，解除脉动热管在低功率条件下的应用限制。采用空化原理降低脉动热管的传热热阻，强化脉动热管在正常工作时的传热性能。所用的材料普通，造价低，制作方便，使用简单，有较强的可操作性和应用前景。

公开号为CN202582301U的实用新型公开了一种套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热***，包括充有工质2的脉动热管1。该脉动热管1自下而上依次分为蒸发区I，绝热区II，冷凝区III。它的特点是：在脉动热管1上套有电控压电陶瓷块3。电控压电陶瓷块3上施加的电压大小可调，频率可调。这种脉动热管传热***优点如下：通过控制加载在压电陶瓷上电压的大小和频率，使压电陶瓷产生不同频率和强度的超声波，从而控制脉动热管的启动和正常工作时的传热性能。降低脉动热管的启动功率，解除脉动热管在低功率条件下的应用限制。采用空化原理降低脉动热管的传热热阻，强化脉动热管在正常工作时的传热性能。所用的材料普通常见，造价低廉。制作方便，使用简单，具有较强的现实可操作性和应用前景。

上述公开专利所涉及的装置或者方法无法控制作用在脉动热管上的超声的真实频率和振幅。同时并未保证超声传递方向和脉动热管内工质流向的匹配性。同时上述方法和装置仅能维持超声在特定频率和振幅条件下工作。

通过国内外研究文献表明，多频率或大频率的超声对提升脉动热管传热性能效果明显（《Proceedings of the ASME 2016 5th International Conference on Micro /Nanoscale Heat and Mass Transfer》.January 4-6 , 2016 , Biopolis , Singapore，EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ULTRASONIC FREQUENCY EFFECT ON ANOSCILLATINGHEAT PIP）。而采用现有的超声振动平台或者超声振动刀柄，无法实现频率可调，探究超声频率对脉动热管传热性能的试验条件受限。

同时，目前大部分超声振动装置的研究主要是针对如何实现大振幅超声加工。如发明专利（公开号：CN113601279 A）公开一种应用于超声辅助磨削的大振幅超声振动装置。但对于多级频率的超声振动装置鲜有报道。因此需要一种可实现多级频率的超声能场在脉动热管上的稳定可靠加载与传递的装置。

探究超声对脉动热管传热性能的影响也要考虑脉动热管结构与超声振动装置的适配性。在脉动热管结构设计中，由于其结构的复杂性，采用超声振动装置需考虑装夹和测温问题。脉动热管的蒸发端和超声振动装置的连接结构设计需要既保障超声在脉动热管上的传递，同时降低蒸发端连接位置的应力集中。同时测温方式也需改进。以往脉动热管测温方式多采用外部测温，即将热电偶用特殊胶水粘在脉动热管外壁面上。但这种方式无法在超声条件下使用。超声振动导致热电偶和外壁面上存在摩擦，从而影响温度测量的准确性。因此需要脉动热管的结构进行改进，使其适用于本发明所述的多级频率的超声振动装置，形成完整的多级频率超声振动脉动热管装置。

发明内容

发明目的：为了解决技术中的不足，本发明的目的在于提供一种多级频率超声振动脉动热管装置及其运行工艺，该装置可调节超声振动装置频率的变化，实现脉动热管在多级频率超声条件下的稳定工作。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种多级频率超声振动脉动热管装置，主要由脉动热管、二级超声振子和支撑架组成；二级超声振子主要包括一级超声振子和超声振动组合件。

一级超声振子主要由超声变幅杆，压电陶瓷换能器、后端盖组成。超声变幅杆为输入端连接圆柱结构的一体式复合圆锥形变幅杆。变幅杆前段设计有凸台结构，可起固定作用。圆柱后段带有螺纹设计。后端盖为圆锥体，上端面尺寸与压电陶瓷片尺寸相同。下端面尺寸与超声振动组合件的前端盖相同。两端面均设有螺纹孔。同时后端盖长度应与变幅杆圆锥段的长度一致，锥度相同，以保证一级超声振子可作为二级超声振子的变幅杆结构。一级超声振子整体长度尺寸满足半波长谐振设计要求。

超声振动组合件包括前端盖、压电陶瓷换能器、后端盖及螺栓。前端盖两端面均设有螺纹孔。螺栓杆部穿过后盖板，压电陶瓷片，电极片，旋入前端盖后端面螺纹孔内。

一级超声振子和超声振动组合件均有压电陶瓷片，两部件内压电陶瓷的激励频率不同。一级超声振子和二级超声振子中压电陶瓷片的选取需满足两种压电片外径的差值等于一级超声振子变幅杆输入端和输出端直径的差值。

一级超声振子和超声组合件采用双头螺柱连接组合为二级超声振子。为保证超声面传递的稳定，两连接面需做抛光处理，或涂有少量硅脂以降低表面粗糙度。二级超声振子整体满足全波长谐振设计原则。

一级超声振子可作为独立的超声振动装置使用，以自身谐振频率工作，同时可作为二级超声振子的变幅杆结构。二级超声振子使用超声组合件的压电陶瓷换能器，谐振频率不同于一级超声振子。

本申请中，所涉及的脉动热管整体为带有底座的一体式结构。底座为圆台结构，上端面为直径小的一侧，与脉动热管蒸发端底部连接。底座的下端面直径与一级超声振子的变幅杆输出端直径相同，设置螺纹孔，可通过双头螺柱与超声振子连接。圆台的整体锥度与一级超声振子变幅杆锥度相同。同时在圆台上开槽，方便利用扳手夹持拧紧。为保证脉动热管结构在超声振动条件下的稳定，抽真空注液口设置在脉动热管冷凝端中轴线位置，竖直向上。测温点分布在冷凝端、蒸发端与绝热段交界位置，热电偶探入脉动热管内部，采用内部测温方式。这种结构的脉动热管既可以保证超声的可靠性传递，同时可以保证测温结果的准确性。

一种多级频率超声振动脉动热管装置的运行工艺，步骤如下：

（1）将一级超声振子固定在支架上，将脉动热管安装在一级超声振子的复合圆锥形变幅杆输出端。超声电源与一级超声振子换能器连接；

（2）、开启超声电源，脉动热管的工作频率为一级超声振子的谐振频率f1。

（3）、实现超声振动装置变频工作的途径是将一级超声振子和超声组合件组合成二级超声振子。超声电源连接超声组合件的电极片，一级超声振子将作为二级超声振子的变幅杆结构。脉动热管的工作频率为二级超声振子的谐振频率f2。

其中振动的大小取决于压电超声换能器的功率、超声变幅杆的放大系数。一级超声振子和二级超声振子中压电陶瓷片不同，选取需满足两种压电片外径的差值等于一级超声振子变幅杆输入端和输出端直径的差值。

有益效果：

（1）本发明结构简单，便于安装，一级超声振子可作为独立的超声振动装置以自身谐振频率工作，同时可作为二级超声振子的变幅杆结构。脉动热管的工作频率可以为一级超声振子的谐振频率或超声组合件谐振频率，通过一级、二级超声振子的组合式结构完成超声振动装置的频率调节，实现脉动热管在多级频率超声条件下的稳定工作。

（2）本发明实现的超声振动装置中，压电陶瓷片的选取可应根据加工需求调整。可实现不同工作条件下超声振动装置的多种组合方式。

（3）本发明实现了施加在脉动热管上的超声的真实频率和振幅可控。同时能保证超声传递方向和脉动热管内工质流向的匹配性。

附图说明

图1 为本发明所述的多级频率超声振动脉动热管装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述多级频率超声振动脉动热管装置的结构***图；

图3为一级超声振子4的结构示意图；

图4为图3中的后端盖4-3结构示意图；

图5为图3中的复合圆锥形变幅杆4-1的结构示意图；

图6为超声组合件5的结构示意图；

图7为二级超声振子2的结构示意图；

图8为脉动热管1的结构示意图；

图9为支撑架3的结构示意图；

图10为实施例1的一级超声振子及脉动热管模态分析结果图；

图11为实施例1的二级超声振子及脉动热管模态分析结果图。

图中主要附图标记的说明：1-脉动热管；2-二级超声振子；3-支撑架；4-一级超声振子；4-1-复合圆锥形变幅杆，4-2-压电陶瓷换能器，4-3-后端盖；5-超声组合件，5-1-压电陶瓷换能器，5-2-后端盖，5-3-前端盖，5-4螺栓，6-超声电源，7-凸台，8-圆柱结构。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明专利申请中的技术方案，下面结合本申请中的附图，对本申请书中的技术方案进行清楚地，完整地描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应该属于本申请保护的范围。

以下将结合实施案例和附图具体说明本发明的技术方案。

实施例1

图1 为本发明所述的多级频率超声振动脉动热管装置的整体结构示意图，图2为结构***图。参照图1、2所示，一种多级频率超声振动脉动热管装置，从上至下依次包括脉动热管1，二级超声振子2，支撑架3及超声电源6。二级超声振子包括一级超声振子4和超声组合件5，其借助布置在半波长节点位置的法兰固定于支撑架上，超声电源可通过连接一级超声振子4或二级超声振子2来选择工作频率。

图3为一级超声振子4的结构示意图、图4为图3中的后端盖结构示意图、图5为图3中的复合圆锥形变幅杆4-1的结构示意图。参照图3-5所示，一级超声振子4为满足二级超声振子2圆锥形变幅杆的设计要求，整体长度L ₁ 满足半波长谐振设计原则。主要由复合圆锥形变幅杆4-1，压电陶瓷换能器4-2及后端盖4-3组成。复合圆锥形变幅杆4-1的输出端与脉动热管连接，工作频率为一级超声振子4的谐振频率。后端盖4-3前端面直径l ₁ =35mm，后端面直径l ₂ =50mm，l ₂ - l ₁ =15mm。前后端面均布置贯通性的螺纹孔。后端面进行抛光处理，以保证连接紧密，无能量损耗。其中压电陶瓷换能器4-2选用外径35mm，内径20mm。

图5为图3中的复合圆锥形变幅杆4-1的结构示意图，对前端盖5-3、超声变幅杆采用工作稳定的一体化设计，在复合圆锥形变幅杆4-1的输入端设置凸台7及圆柱结构8，用于压电陶瓷换能器4-2和后端盖4-3的安装定位。凸台7(直径l ₄ )可与支架连接，起固定作用。为保证一级超声振子可作为二级超声振子的变幅杆结构，一级超声振子变幅杆圆锥段和后端盖长度一致，锥度相同。在该实施例中，变幅杆输出端直径l ₃ =20mm。圆锥段长度L ₂ 和后端盖4-3的长度相同。圆柱结构8的直径满足压电换能器的陶瓷片内径，后段用外螺纹设计，与后端盖4-3前端面的螺纹孔连接。

图6为超声组合件5的结构示意图，超声组合件5主要包括前端盖5-1、压电陶瓷换能器5-2、后端盖5-3及螺栓5-4。二级超声振子使用超声组合件的压电陶瓷换能器5-2的激励频率与一级超声振子4中的压电陶瓷换能器4-2不同。其中压电陶瓷换能器的压电陶瓷片外径选用50mm。一级超声振子和二级超声振子中压电陶瓷片的选取需满足两种压电片外径的差值等于一级超声振子变幅杆输入端和输出端直径的差值（在该实施例中，该差值为15mm）。

图7为二级超声振子2的结构示意图，二级超声振子2主要由一级超声振子4和超声组合件5组成。采用双头螺柱将一级超声振子4的后端盖4-3和超声组合件5连接。需保证连接后无间隙。两连接面需进行抛光处理，可涂少量硅脂降低表面粗糙度。二级超声振子2整体长度依据全波长谐振设计原则，在半波长节点位置放置法兰支撑结构，法兰沿圆周布置通孔，通过螺栓固定在支撑架3上。超声电源可连接一级超声振子4或二级超声振子2来选择工作频率。

脉动热管1（见图8）为带有底座的一体式结构。蒸发端底部设置圆台形底座。上小下大，上端面为直径小的一侧，与脉动热管蒸发端底部连接，下端面直径与一级超声振子4的复合圆锥形变幅杆4-1的输出端一致。底座的下端面设置螺纹孔，可通过双头螺柱与二级超声振子连接。抽真空注液口设置在脉动热管冷凝端中轴线上，方向竖直向上。

本发明所述的支撑架3（见图9）圆边上沿圆周布置螺纹孔，通过螺栓与二级超声振子的法兰连接。

上述的一种多级频率超声振动脉动热管装置的运行工艺，步骤如下：

（1）脉动热管1通过双头螺柱与一级超声振子4的复合圆锥形变幅杆4-1输出端连接。超声电源6连接一级超声振子4的超声换能器4-2，开启超声电源6，脉动热管1工作频率为一级超声振子4的谐振频率f1=14899Hz。

（2）需改变频率时，通过双头螺柱将一级超声振子4与超声组合件5连接，将组合后的二级超声振子2固定在支撑架3上。

（3）超声电源连接二级超声振子2中超声换能器5-2，开启电源6，脉动热管1频率为二级超声振子2的谐振频率f2=23014Hz。

图10为实施例1的一级超声振子及脉动热管模态分析结果图；图11为实施例1的二级超声振子及脉动热管模态分析结果图。可见施加在脉动热管上的超声的真实频率和振幅可控。同时能保证超声传递方向和脉动热管内工质流向的匹配性。

可见，本发明通过组合式结构实现超声振动装置的频率调节。脉动热管的工作频率可以为一级超声振子的谐振频率或超声组合件谐振频率，结构简单，便于安装。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域的技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代或者变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其他实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其他实施方式。

虽然通过实施方式描述了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (8)

1.一种多级频率超声振动脉动热管装置，其特征在于，从上至下依次包括脉动热管（1），二级超声振子（2），支撑架（3）及超声电源（6）；二级超声振子包括一级超声振子（4）和超声组合件（5），脉动热管（1）装在二级超声振子上，二级超声振子固定于支撑架上，超声电源通过连接一级超声振子（4）或二级超声振子（2）来选择工作频率，实现脉动热管在多级频率超声条件下的稳定工作；

所述的一级超声振子整体长度满足半波长谐振设计原则；可作为独立的超声振动装置使用，以自身谐振频率工作，或者作为二级超声振子的变幅杆结构；

二级超声振子整体长度依据全波长谐振设计原则。

2.根据权利要求1所述的多级频率超声振动脉动热管装置，其特征在于，所述的一级超声振子包括依次连接的复合圆锥形变幅杆（4-1），压电陶瓷换能器（4-2）及后端盖（4-3）。

3.根据权利要求1或2所述的多级频率超声振动脉动热管装置，其特征在于，复合圆锥形变幅杆为一体式设计，输出端与脉动热管连接，输入端设置凸台（7）及圆柱结构（8），用于压电陶瓷换能器（4-2）和后端盖（4-3）的安装定位；工作频率为一级超声振子的谐振频率，为保证一级超声振子可作为二级超声振子的变幅杆结构，复合圆锥形变幅杆的圆锥段与后端盖锥度一致。

4.根据权利要求1所述的多级频率超声振动脉动热管装置，其特征在于，二级超声振子（2）包括一级超声振子（4）和超声组合件（5），是采用双头螺柱将一级超声振子的后端盖和超声组合件连接，连接后无间隙；二级超声振子在半波长节点位置放置法兰支撑结构，法兰沿圆周布置通孔，通过螺栓固定在支撑架上。

5.根据权利要求1或4所述的多级频率超声振动脉动热管装置，其特征在于，超声组合件（5）包括前端盖（5-1）、压电陶瓷换能器（5-2）、后端盖（5-3）及螺栓（5-4）；超声组合件的压电陶瓷换能器（5-2）的激励频率与一级超声振子（4）中的压电陶瓷换能器（4-2）不同。

6.根据权利要求2或4所述的多级频率超声振动脉动热管装置，其特征在于，一级超声振子和二级超声振子中压电陶瓷片的选取需满足两种压电片外径的差值等于一级超声振子变幅杆输入端和输出端直径的差值。

7.根据权利要求1所述的多级频率超声振动脉动热管装置，其特征在于，所述的脉动热管为一体式结构，蒸发端底部设置圆台形底座，抽真空注液口设置在脉动热管冷凝端中轴线上，方向竖直向上；整体呈上小下大，下端面直径与一级超声振子的复合圆锥形变幅的输出端直径相同；圆台的整体锥度与一级超声振子变幅杆锥度相同;

同时在圆台上开槽，方便利用扳手夹持拧紧；

底座的下端面设置螺纹孔，通过双头螺柱与二级超声振子连接，测温点分布在冷凝端、蒸发端与绝热段交界位置，热电偶探入脉动热管内部，采用内部测温方式。

8.权利要求1所述的多级频率超声振动脉动热管装置的运行工艺，其特征在于，步骤如下：

（1）将一级超声振子固定在支架上，脉动热管通过双头螺柱与一级超声振子的复合圆锥形变幅杆输出端连接；超声电源连接一级超声振子的超声换能器，开启超声电源，脉动热管工作频率为一级超声振子的谐振频率f1；

（2）需改变频率时，通过双头螺柱将一级超声振子与超声组合件连接，将组合后的二级超声振子借助法兰固定在支撑架上；

（3）超声电源连接二级超声振子中超声换能器，开启电源，脉动热管频率为二级超声振子的谐振频率f2。

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