CN101005717A - 环型中心聚焦高功率超声换能器 - Google Patents
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Abstract
一种环型中心聚焦高功率超声换能器，属于换能器技术领域。包括：磁致伸缩元件、中心辐射管、驱动线圈、封闭壳体、冷却介质通道、偏置磁体、强制冷却机构。一组薄片状磁致伸缩材料叠加而成的环状或扇形组合成环状的策动元件(3)，叠片上开有扇型或孔型窗口；中心辐射管(4)，与磁致伸缩材料组件的辐射面连接；产生磁场的驱动线圈(2)，通过磁致伸缩材料叠片窗口将线圈绕置在叠片组上；换能器外封闭壳体(1)，上面配有冷却介质的入口(7)和出口(8)，磁场电源接头(9、10)。优点在于，可以保证换能器长时间、高功率、高效率地工作。用于各种连续、半连续、或不连续的液相处理系统。
Description
技术领域
本发明属于功率超声换能器技术领域，特别涉及一种环型中心聚焦高功率超声换能器，具有强制冷却结构的磁致伸缩高功率超声换能器。
背景技术
超声波具有十分广泛的应用领域，特别是功率超声可用于加工、焊接、清洗、水下探测、超声化学等等，因此各种特殊结构的超声换能器引起人们的广泛关注。超声换能器中的振动核心材料主要由两类材料，一是压电晶体材料、二是磁致伸缩材料，目前的超声换能器主要是压电换能器。这主要是因为磁致伸缩材料多为金属材料，材料的电阻率较低，在高频下工作时将产生大量的涡流热，消耗能量，同时引起温度升高，为此需要解决涡流损耗及换能器冷却的问题。对于超声换能器，除了涡流损耗产生的热量以外，还有换能器工作时的机械摩擦、换能器机-电转换能量损耗等产生热量，这些热量必须除去，否则由于热量的积蓄导致温度升高，使换能器性能降低，直至失效。因此，人们设计了各种具有冷却机构的超声换能器。
另外，超声换能器根据其用途的不同，其结构方式也不同，所以设计特殊结构的换能器，以满足特殊的使用要求。
在中国专利99809264.9中，公开了一种压电换能器的散热装置。在压电陶瓷片的外侧涂覆一层绝缘的硅橡胶层和与所述层直接接触的诸如石英沙的散热层形成一个冷却系统，该系统包围要冷却的超声换能器(压电晶堆)。上述散热层与换能器壳体紧密接触，将热量排放到外面。该结构是通过外壳体冷却方式散热，虽然解决了压电陶瓷晶堆绝缘问题，但散热效率有限。
在申请号99808312.7的中国专利中，公开了一种高功率超声换能器。该换能器以压电晶堆作为策动元件，并采用直接冷却的方式进行散热。压电陶瓷晶堆是在高电压场下工作，因此冷却时需要考虑高压放电的问题，所以该直接冷却模式中的冷却介质的选择十分关键。该发明中优选的介质为SF6，虽然该介质本身不导电，但它能和包括水分在内的多种化合物反应而产生气体和离子，这些气体和离子最终会使压电晶堆变劣和损坏。
在申请号03801913.2的中国专利中，公开了一种装套筒的超声换能器。该换能器为夹心式结构，采用压电晶堆作为策动元件，设计有封闭的壳体，换能器产生的热量通过结构材料传导至壳体上，实现散热目的，所以散热效率有限。
在中国专利ZL01255404.9中，公开了一种旋转式超声波聚焦处理器。使用一个半球体或多边立体水槽，在水槽的外侧独立地安装有若干个超声换能器，各个换能器向水槽内中心点方向发射超声波能量。
上述已知方案，还不能提供一种能可靠地进行直接冷却的环形换能器，在换能器中心形成大功率的超声波作用区，并进行连续工作的高效换能器。
发明内容
本发明的目的是提供一种环型中心聚焦高功率超声换能器，直冷式磁致伸缩超声换能器，能够在换能器的中心产生聚焦的、高效率的高功率超声波。
本发明包括：磁致伸缩元件、中心辐射管、驱动线圈、封闭壳体、冷却介质通道、强制冷却机构。一组薄片状磁致伸缩材料叠加而成的环状或扇形组合成环状的策动元件3，叠片上开有扇型或孔型窗口；中心辐射管4与磁致伸缩材料组件的辐射面连接；产生磁场的驱动线圈2通过磁致伸缩材料叠片窗口将线圈绕置在叠片组上；换能器外封闭壳体1上面配有冷却介质的输入口7和输出口8，磁场电源接头9、10；磁致伸缩元件上镶有产生偏置磁场的永磁磁体11。
本发明具有强制冷却机构，强制冷却机构由输入口7、输出口8、通道5、窗口6组成；在换能器的封闭外壳上安装有冷却介质输入口7、输出口8，磁致伸缩材料叠片组的外侧与封闭外壳内侧之间的通道5以及磁致伸缩材料叠片上的窗口6为冷却介质流通口，可以将叠片上产生的热量移出，保证换能器能在长时间大功率下工作。由于本换能器为磁致伸缩换能器，线圈驱动电压低，叠片上无类似压电陶瓷晶堆的放电现象，同时产生磁场的驱动线圈采用的是高温绝缘线，因此本发明的换能器冷却具有很好的适应性，可以采用的冷却介质为去离子水、低温氮气、六氟化硫(SF6)、压缩空气、变压器冷却油等，优选的介质为廉价的去离子水和热容量比较大的变压器冷却油。
所选用的磁致伸缩材料为：镍铁合金、钴铁合金、镍钴合金、铝铁合金、退火镍99.9％、铁镓合金中的一种或组合，其中优选退火镍(99.9％)、铝铁合金和铁镓合金；
本发明的环形换能器中的驱动材料为磁致伸缩材料，磁致伸缩材料在外磁场作用下能够产生形状变化和输出力。所选用的磁致伸缩材料为镍铁合金、钴铁合金、镍钴合金、铝铁合金、退火镍(99.9％)、铁镓合金中的一种或组合，其中优选退火镍(99.9％)、铝铁合金和铁镓合金。由于金属材料的电阻率很低，因此在高频磁场中将产生涡流发热现象，因此，本发明中为了有效降低磁致伸缩材料中的涡流热，选用薄片状材料，所选用的磁致伸缩材料薄片的厚度为0.01～2.5mm，其中优选厚度为0.05～0.35mm。
在本发明的优选方案中，以磁致伸缩材料薄片叠加成的磁致伸缩叠片，并且磁致伸缩材料叠片的厚度不大于圆形片或扇形片的外圆直径，优选厚度为外圆直径的1/3～1，保证材料的刚性和输出力。所选用的磁致伸缩材料薄片形状一个方案是为圆环形，并开有扇型或孔型窗口，窗口面积不大于材料面积的60％，优选为20％～30％，提高叠片有效单位体积的能量。叠片形状的另一个优选方案是所选用的磁致伸缩材料薄片形状为扇形，由两个或两个以上相同的扇形组成圆环形，每组扇形碟片上开有扇形或孔形窗口，窗口面积不大于材料面积的60％，优选为20％～30％。
本发明的换能器中，磁致伸缩材料叠片组的辐射方向为径向辐射，辐射方向指向圆心。位于换能器中心的辐射管与磁致伸缩材料叠片的辐射端相连接，并采用粘接或焊接的方式，优选焊接方式，使它们成为一体，辐射管也成为换能器的辐射端前盖板，辐射管内为超声波作用区。辐射管选用材料为钛、无磁不锈钢、铜、铝等，其中优选钛和无磁不锈钢。
磁致伸缩材料驱动所需的磁场由通过线圈中的电流产生，绕制线圈的线选用高温绝缘线，线圈通过叠片上的扇形窗口或孔型窗口绕制在叠片上，每个线圈绕制方向需与电流磁场方向保持一致。换能器的驱动电源为交流和直流叠加输出，直流部分为偏置电流，产生偏置磁场，交流为驱动电流，产生交流磁场。本发明中偏置磁场的另一个优选方案是通过安装扇形永磁体作为偏置磁场，即在磁致伸缩叠片的外圆附近，加工出若干个扇形区，将与扇形尺寸规格相同的扇形永磁体安装在加工部位，并用环氧树脂粘结固定，这时换能器的驱动电源只需要是交流超声功率电源即可，并可以降低功率消耗。
本发明的优点在于，形成了一个一体化的管式换能器，超声波作用区在管的内部。与现有的在容器或管道外安装独立的压电换能器形成容器内测超声波作用区的方法相比，本发明的换能器具有结构紧凑、具强制直接冷却，可以长时间大功率、高效运行的特点。通过本发明可以解决多换能器作用在同一容器或管道上时，换能器之间由于不完全同步，产生相互影响，降低作用效果的问题。本发明的换能器可以用于各种连续、半连续、或不连续的液相处理系统。将需要处理的介质通过管道送入换能器中心辐射管中，使介质在辐射区内得到超声处理。可以用于如化工、医药、冶金、生物、环境等功率超声催化、超声萃取、分散、破碎、灭菌、清洗等，但不仅限于上述应用。
附图说明
图1是由四组扇形磁致伸缩叠片组合成圆环形策动元件的换能器俯视图。其中，封闭壳体1、驱动线圈2、策动元件3、辐射管4、冷却介质的入口7、出口8，磁场电源接头9、10；偏置磁体11
图2是图1换能器的侧视图
图3是开有六个扇形窗口的圆环形磁致伸缩叠片的换能器俯视图
图4是图3换能器的侧视图
图5是圆环形磁致伸缩叠片上镶嵌扇形永磁体的换能器俯视图
图6是图5换能器的侧视图
图7是在中心辐射管上安装有两组圆环形磁致伸缩叠片的换能器侧视图
具体实施方式
附图显示仅用于说明目的的本发明的各种优选实施例。专业技术人员从以下的讨论中描述的结构和方法可以替换实施例，但不背离本发明的原理。
图1和图2显示了本发明换能器的一种实施例结构示意图。该换能器由扇形磁致伸缩叠片(3)、在叠片窗口上绕制的产生驱动磁场线圈(2)、中心辐射管(4)、叠片窗口(6)、冷却介质通道(5、6)、冷却介质输入、输出口(7、8)、换能器驱动电源接口(9、10)。换能器选用的磁致伸缩材料为厚度为0.3mm的退火镍片，将镍片按1/4圆加工成扇形，表面进行氧化钝化处理，提高镍片表面的绝缘性。将上述镍片叠加在一起，并用螺杆固定紧，四组碟片组成一个圆环形。碟片的内圆半径与中心辐射管的外圆半径相同，加工公差选择为碟片内圆半径选正公差+0.05mm，辐射管外圆半径选副公差-0.05。将四组碟片分别焊接在中心辐射管上，保持碟片组在同一平面上。焊接材料选择银焊条。采用绝缘性好的高温线绕制驱动磁场线圈，每相邻两个叠片组饶制在一起，相邻的线圈绕制方向相反。工作时，线圈串联或并联在一起，保持线圈中的电流同相。最后安装封闭外壳，壳体材料选用不锈钢材料。辐射管材料选用钛材，避免或减缓长时间大功率超声作用下材料表面侵蚀并溶入处理液中，而污染处理液。换能器工作频率20KHz，冷却介质为去离子水，水压0.15Mpa。
图3和图4显示了本发明换能器的另一种实施例结构示意图。该换能器由圆环形磁致伸缩叠片(3)、在叠片窗口上绕制的产生驱动磁场线圈(2)、中心辐射管(4)、叠片上六个均布的扇形窗口(6)、冷却介质通道(5、6)、冷却介质输入、输出口(7、8)、换能器驱动电源接口(9、10)。换能器选用的磁致伸缩材料为厚度为0.25mm的退火镍片，将镍片表面进行氧化钝化处理，提高镍片表面的绝缘性。将上述镍片叠加在一起，并用螺杆固定紧。碟片的内圆半径与中心辐射管的外圆半径相同，加工公差选择为碟片内圆半径选正公差+0.02mm，辐射管外圆半径选副公差-0.02。将碟片焊接在辐射管上，焊接材料选择镍基钎焊材料。采用绝缘性好的高温线绕制驱动磁场线圈，每相邻线圈绕组绕制方向相反。工作时，线圈串联或并联在一起，保持线圈中的电流同相位。最后安装封闭外壳，壳体材料选用不锈钢材料。辐射管材料选用钛材，避免或减缓长时间大功率超声作用下材料表面侵蚀并溶入处理液中，而污染处理液。换能器工作频率18KHz，冷却介质为变压器冷却油，油压0.12Mpa。
图5和图6显示了本发明换能器的另一种实施例结构示意图。该换能器由圆环形磁致伸缩叠片(3)、在叠片窗口上绕制的产生驱动磁场线圈(2)、中心辐射管(4)、叠片上六个均布的扇形窗口(6)、叠片上均布地开有六个扇形切口，在切口上镶嵌的六块永磁体(11)，冷却介质通道(5、6)、冷却介质输入、输出口(7、8)、换能器驱动电源接口(9、10)。换能器选用的磁致伸缩材料为厚度为0.3mm的退火镍片，将镍片表面进行氧化钝化处理，提高镍片表面的绝缘性。将上述镍片叠加在一起，并用螺杆固定紧。碟片的内圆半径与中心辐射管的外圆半径相同，加工公差选择为碟片内圆半径选正公差+0.02mm，辐射管外圆半径选副公差-0.02。将碟片焊接在辐射管上，焊接材料选择银焊条或低温钎焊材料。采用绝缘性好的高温线绕制驱动磁场线圈，每相邻线圈绕组绕制方向相反。工作时，线圈串联或并联在一起，保持线圈中的电流同相位。最后安装封闭外壳，壳体材料选用不锈钢材料。辐射管材料选用钛材，避免或减缓长时间大功率超声作用下材料表面侵蚀并溶入处理液中，而污染处理液。换能器工作频率18KHz，冷却介质为变压器冷却油，油压0.10Mpa。
图7显示了本发明换能器的另一种实施例结构示意图。该换能器由两组圆环形磁致伸缩叠片(3)、在叠片窗口上绕制的产生驱动磁场线圈(2)、中心辐射管(4)、叠片上六个均布的扇形窗口(6)、叠片上均布地开有六个扇形切口，在切口上镶嵌的六块永磁体(11)，冷却介质通道(5、6)、冷却介质输入、输出口(7、8)、换能器驱动电源接口(9、10)组成。将两组磁致伸缩叠片安装在同一段中心辐射圆管上，两组叠片之间的安装距离为100mm。两组叠片电流磁场负载为并联连接，保持两组换能器电流相位相同。其余实施条件与图5，图6相同。换能器工作频率18KHz，冷却介质为变压器冷却油，油压0.16MPa。
本发明内容和实施例的描述，提供了环形、中心聚焦并具有直接冷却的高功率超声换能器。以上讨论仅仅揭示和描述本发明的示例性方法和实施例，并不局限于所描述的实施例与改进。本领域的技术人员将会看到，本发明可以以其它具体形式实现而不背离本发明的权利内容。
Claims (10)
1、一种环型中心聚焦高功率超声换能器，包括：磁致伸缩元件、中心辐射管、驱动线圈、封闭壳体、冷却介质通道、永磁磁体、强制冷却机构；其特征在于，由一组薄片状磁致伸缩材料叠加而成的环状或扇形组合成环状的磁致伸缩元件(3)，磁致伸缩元件上开有扇型或孔型窗口，通过磁致伸缩元件窗口绕置驱动磁场线圈(2)；中心辐射管(4)与磁致伸缩元件的辐射面连接；换能器外封闭壳体(1)上面配有冷却介质的输入口(7)和输出口(8)，磁场电源接头(9、10)；在磁致伸缩元件上镶有产生偏置磁场的永磁磁体(11)。
2、根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，强制冷却机构由输入口(7)、输出口(8)、通道(5)、窗口(6)组成；在换能器的封闭外壳上安装有冷却介质输入口(7)、输出口(8)，磁致伸缩材料叠片组的外侧与封闭外壳内侧之间的通道(5)以及磁致伸缩材料叠片上的窗口(6)为冷却介质流通口，将叠片上产生的热量移出，保证换能器能在长时间大功率下工作；采用的冷却介质为去离子水、低温氮气、六氟化硫、压缩空气、变压器冷却油；冷却介质的压力0.05～0.5MPa。
3、根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所选用的磁致伸缩材料为：镍铁合金、钴铁合金、镍钴合金、铝铁合金、退火镍99.9％、铁镓合金中的一种或组合，磁致伸缩材料为薄片状，薄片的厚度为0.01～2.5mm。
4、如权利要求1所述的换能器，磁致伸缩材料叠片的厚度为圆形片或扇形片的外圆直径的1/3～1。
5、根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，磁致伸缩材料片的形状：所选用的磁致伸缩材料薄片形状为圆环形或扇形，并开有扇型或孔型窗口，窗口面积为材料面积的20％～60％；扇形由两个或两个以上相同的扇形组成圆环形。
6、根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，磁致伸缩材料叠片组的辐射方向为径向辐射，辐射方向指向圆心，在辐射管内产生超声波作用区。
7、根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，中心辐射管选用材料为钛、无磁不锈钢、铜、铝。
8、根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，磁致伸缩材料驱动所需的磁场由通过线圈中的电流产生，绕制线圈的线选用高温绝缘线，线圈通过叠片上的扇形窗口或孔型窗口绕制在叠片上，每个线圈绕制方向需与电流磁场方向保持一致。
9、根据权利要求8所述的换能器，其特征在于，驱动方式：换能器的驱动电源为交流和直流叠加输出，直流部分为偏置电流，产生偏置磁场，交流为驱动电流，产生交流磁场；或者，偏置磁场通过安装扇形永磁体(11)作为偏置磁场，换能器的驱动电源为交流超声功率电源。
10、根据权利要求1所述的换能器，磁致伸缩材料叠片的辐射端与辐射管相连接并固定成一体，采用树脂粘接或焊接成一体。
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