Claims (1)
PATENTANSPRUCH Piezoelektrischer Ultraschall-Hochleistungswandler, einen Reflektor, einen Radiator und einen dazwischenliegenden Pie-zokeramik/Metallplatten-Verbund enthaltend, wobei der Reflektor und der Radiator über eine Yerbindungsmuffe miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (2) des Reflektors (1) mit oberen Kühlöffnungen (3) und das erweiterte Ende des Radiators (6) am Umfang mit unteren Kühlöffnungen (8) versehen sind und dass die Metallplatte (12) am Umfang Kühlrippen (13) aufweist und dass die Verbindungsmuffe (5) radial angelegte Kühlöffnungen (10) hat.
PATENT CLAIM Piezoelectric high-performance ultrasonic transducer containing a reflector, a radiator and a piezoceramic/metal plate composite lying in between, the reflector and the radiator being connected to one another via a connecting sleeve, characterized in that the flange (2) of the reflector (1) are provided with upper cooling openings (3) and the expanded end of the radiator (6) has lower cooling openings (8) on the circumference and that the metal plate (12) has cooling ribs (13) on the circumference and that the connecting sleeve (5) has radially arranged cooling openings ( 10) has.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines piezoelektrischen Ultraschall-Hochleistungswandlers, zum Beispiel des Types Langevin-Sandwich, der für die Anwendung grösserer Leistungen bestimmt ist, wie beispielsweise Ultraschallschweis-sen, Oberflächenbearbeitung, Homogenisieren, Bestrahlen von Flüssigkeiten und dergleichen.The invention relates to an arrangement of a piezoelectric high-performance ultrasonic transducer, for example of the Langevin sandwich type, which is intended for use at higher levels of performance, such as ultrasonic welding, surface treatment, homogenization, irradiation of liquids and the like.
Der vorbekannte Langevin-Sandwich-Ultraschallwandler besteht aus wenigstens zwei aktiven piezoelektrischen keramischen Platten und einer zwischen ihnen gelagerten metallischen Plattenelektrode. Alle diese Teile werden durch passive Metallendteile zusammengehalten - einem Radiator und einem Reflektor. Die Verbindung und das Zusammenpressen aller dieser Teile des Wandlers wird durch eine zentrale Schraube, eine Umfangsverbindungsmuffe oder durch mehr Umfangsschrau-ben ausgeführt. Die erwähnte Ausführung des Ultraschallwandlers ermöglicht es, die elektrische Energie in eine mechanische Ultraschallenergie hoher Intensität mit einem elektro-akustischen Wirkungsgrad von 75 bis 95% umzuwandeln. Die restliche Energie wird in Wärme umgesetzt, welche hauptsächlich in den piezoelektrischen keramischen Platten erzeugt wird. Da die piezoelektrischen Platten nicht bei hohen Temperaturen arbeiten dürfen, muss die Wärme durch Zwangskühlung abgeführt werden.The previously known Langevin sandwich ultrasonic transducer consists of at least two active piezoelectric ceramic plates and a metal plate electrode mounted between them. All these parts are held together by passive metal end parts - a radiator and a reflector. The connection and pressing together of all these parts of the converter is carried out by a central screw, a peripheral connecting sleeve or by more peripheral screws. The design of the ultrasonic transducer mentioned makes it possible to convert the electrical energy into high-intensity mechanical ultrasonic energy with an electro-acoustic efficiency of 75 to 95%. The remaining energy is converted into heat, which is mainly generated in the piezoelectric ceramic plates. Since the piezoelectric plates are not allowed to work at high temperatures, the heat must be dissipated by forced cooling.
Bekannte Ausführungen piezoelektrischer Ultraschall-Lei-stungswandler in Sandwichausführung haben piezoelektrische keramische Platten in Form von Ringen, was ein Fixieren aller Teile des Wandlers durch eine Zentralschraube in der Achse des Wandlers ermöglicht. Diese Anordnung ermöglicht ein Kühlen des ganzen äusseren Oberflächenteiles des Wandlers durch einen Luftstrom. Bei den durch eine Reihe von Schrauben am Umfang fixierten Wandlern wird die Kühlung ähnlich wie im vorangehenden Fall ausgeführt. Die Ausführungen des Wandlers mit einer Umfangsverbindungsmuffe nützen ausschliesslich vollflächige piezoelektrische Platten aus, was für besonders hohe Ultraschalleistungen vorteilhaft ist, jedoch die Kühlung wesentlich verschlechtert.Known sandwich constructions of piezoelectric ultrasonic power converters have piezoelectric ceramic plates in the form of rings, which allows all parts of the converter to be fixed by a central screw in the axis of the converter. This arrangement enables the entire outer surface portion of the transducer to be cooled by an air flow. In the case of the transducers fixed by a series of screws on the perimeter, the cooling is carried out similarly to the previous case. The versions of the transducer with a peripheral connecting sleeve use exclusively full-surface piezoelectric plates, which is advantageous for particularly high ultrasonic powers, but significantly impairs cooling.
Eine Ausführungsform piezoelektrischer Leistungs-Ultra-schallwandler ist bekannt, bei denen die Kühlöffnung in der Achse des Wandlers liegt und sich in eine Reihe von, in der zwischen den piezoelektrischen keramischen Platten liegenden Speisemetallplatte, radial verlaufende Öffnungen verzweigt. Ein Nachteil dieser Ausführung ist deren verhältnismässig schwierige Herstellung und die verhältnismässig kleinen Kühl-5 flächen.An embodiment of piezoelectric power ultrasonic transducers is known in which the cooling opening lies in the axis of the transducer and branches into a series of radially extending openings in the feed metal plate lying between the piezoelectric ceramic plates. A disadvantage of this design is its relatively difficult manufacture and the relatively small cooling surfaces.
Dieses technische Problem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, welche die erwähnten Nachteile piezoelektrischer Leistungs-Ultraschallwandler vor allem für hohe Ultraschalleistungen wesentlich vermindert.This technical problem is the subject of the present invention, which substantially reduces the mentioned disadvantages of piezoelectric power ultrasonic converters, especially for high ultrasonic powers.
io Die Lösung des Problems ergibt sich aus der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Erfindung.io The solution to the problem results from the invention specified in the characterizing part of the claim.
Bei diesem piezoelektrischen Ultraschall-Hochleistungs-wandler wird auch bei grosser Ultraschalleistung so viel Kühlung erzielt, wie für den richtigen Betrieb des Wandlers erfor-15 derlichist.With this piezoelectric high-performance ultrasonic transducer, as much cooling is achieved as is required for the correct operation of the transducer, even with high ultrasonic power.
In der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführung des erfindungsgemässen piezoelektrischen Ultraschall-Hochleistungswandler dargestellt, wobeiIn the attached drawing, an exemplary embodiment of the inventive piezoelectric ultrasonic high-performance transducer is shown, where
Figur 1 den Wandler in einem teilweisen Längsschnitt zeigt, 2o Figur 2 die zentrale Metallplatte in Ansicht undFigure 1 shows the transducer in a partial longitudinal section, Figure 2 shows the central metal plate in elevation and
Figur 3 den Grundriss des Wandlers zeigt.Figure 3 shows the layout of the converter.
Der dargestellte piezoelektrische Ultraschall-Hochleistungswandler besitzt einen Reflektor genannten, zur Zurück-strahlung der Schwingungsenergie bestimmten Teil 1 von 25 zylindrischer Form, der am unteren Ende mit einem Flansch 2 versehen ist. Am Umfang des Flansches 2 sind parallel mit der Achse des Reflektors 1 obere Kühlöffnungen 3 ausgeführt. Der äussere Umfang des Flansches 2 ist mit einem Gewinde 4 versehen. Den zweiten Teil des Wandlers bildet der Radiator 30 genannte, zur Ausstrahlung der Schwingungsenergie bestimmte Teil 6, dessen oberes Ende erweitert ist und am Umfang mit einem unteren Gewinde 7 versehen ist. Im erweiterten Ende des Radiators 6 sind in Längsrichtung am Umfang untere Kühlöffnungen 8 angeordnet. Zwischen dem Reflektor 1 35 und dem Radiator 6 ist eine mit keramischen Platten 11 umgebene Metallplatte 12 gelagert. Die Metallplatte 12 besitzt am Umfang Kühlrippen 13. Der Reflektor 1 und Radiator 6 sind miteinander der mittels des Gewindes 4 des Reflektors 1, des unteren Gewindes 7 und zweier innerer Gewinde 9 und 9' der 40 Verbindungsmuffe 5 verbunden. Der Querschnitt der Verbindungsmuffe 5 hat die Form eines Sechseckes und jede zweite, diesem Sechseck zugeordnete Fläche besitzt eine radiale Öffnung 10 für die Kühlluft.The high-performance piezoelectric ultrasonic transducer shown has a part 1 of cylindrical shape, called a reflector, which is intended for reflecting back the vibration energy and is provided with a flange 2 at the lower end. On the periphery of the flange 2 are parallel to the axis of the reflector 1 upper cooling holes 3 running. The outer circumference of the flange 2 is provided with a thread 4 . The second part of the converter is formed by the part 6, called the radiator 30, intended for radiating the vibrational energy, the upper end of which is widened and is provided with a lower thread 7 on the periphery. In the extended end of the radiator 6 lower cooling openings 8 are arranged in the longitudinal direction on the circumference. A metal plate 12 surrounded by ceramic plates 11 is mounted between the reflector 135 and the radiator 6 . The metal plate 12 has cooling ribs 13 on the circumference. The reflector 1 and radiator 6 are connected to one another by means of the thread 4 of the reflector 1, the lower thread 7 and two internal threads 9 and 9' of the connecting sleeve 5. The cross-section of the connecting sleeve 5 has the shape of a hexagon and every second face associated with this hexagon has a radial opening 10 for the cooling air.
Der Radiator hat an der unteren Stirnseite eine Öffnung 14 45 für das Befestigen eines Werkzeuges, auf das die Schwingungsenergie übertragen wird.The radiator has an opening 14 45 on the lower end for attaching a tool to which the vibration energy is transmitted.
Beim Betrieb des piezoelektrischen Leistungs-Ultraschall-wandlers wird die Kühlluft zwangsweise durch die oberen so Kühlöffnungen 3 des Flansches in den Bereich der keramischen Platten 11 gebracht, von wo sie gleichzeitig über die Kühlrippen 13, die radialen Öffnungen 10 für die Kühlung der Verbindungsmuffe 5 und durch die unteren Kühlöffnungen 8 des Radiators 6 strömt. In dieser Zwangskühlung werden die kera-55 mischen Platten 11 ausreichend gekühlt.During operation of the piezoelectric power-ultrasonic converter, the cooling air is forced through the upper cooling openings 3 of the flange into the area of the ceramic plates 11, from where it simultaneously flows through the cooling ribs 13, the radial openings 10 for cooling the connecting sleeve 5 and flows through the lower cooling openings 8 of the radiator 6. In this forced cooling, the ceramic plates 11 are sufficiently cooled.
GG
1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings