CN101142619A - 用于在液体中产生超声的超声棒式振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声棒式振荡器，具有一个传热件，其在热工技术上与压电换能器良好连接。该传热件的作用是降低与周围大气或者与外壳并因此在棒式振荡器浸入时与浴槽的热阻抗。

Description

用于在液体中产生超声的超声棒式振荡器

为提高浴槽的净化效果，浴槽的液体采用超声进行激励。为进行超声激励使用所谓的棒式振荡器，其或者完全浸没或者仅利用谐振器伸入浴槽内。

超声棒式振荡器包括一个谐振器，在其上面至少一端上安装一个超声头部并起到发射极的作用。该头部形成一个里面装入压电换能器的外壳。

电换能器由多个压电陶瓷盘组成。陶瓷盘的居里温度约为300℃。如果陶瓷盘受热达到或者高于该温度，那么不可逆地失去压电作用。

如果需要压电换能器在连续运行下工作，那么必须与居里温度保持一个明确的安全距离。通常陶瓷换能器表面的温度不得超过150℃。在约130℃的浴槽温度下，因此仅还有20℃的允许过热温度。

由陶瓷组成的压电换能器具有非常高的效率。但所输送的电能仍不是完全转换成超声能，而是部分也导致换能器受热。

利用换能器产生的超声能因此受到换能器过热温度的限制。

压电换能器在公知的装置上基本上仅通过由钛组成的机械连接的谐振器冷却。钛是一种较差的热导体。实际上不进行其他方面的冷却，因为出于超声技术的原因，头部的外壳利用空气进行冷却，形成一种极差的导热体，从而热量通过外壳壁实际上没有排出。

由此出发本发明的目的在于，提供一种可以产生更大超声能量的超声换能器。

该目的依据本发明利用一种具有权利要求1或权利要求20特征的超声棒式振荡器得以实现。

依据本发明的超声棒式振荡器具有一个谐振器，通过一个连接件在超声技术上将压电换能器连接在该振荡器上。连接件部分同时形成外壳壁的一部分。外壳的固定装置或外壳壁处于一个驻波节上，以便使超声能量仅输入到谐振器内，而外壳本身实际上无超声。

压电换能器与固定装置共同在连接装置上具有约λ/4的长度并因此紧凑，可足以输出明显的热量。

因此，依据本发明传热件与压电换能器连接。传热件依据一种解决方案构成，使其与外壳的内壁形成一个非常窄的空气隙。空气隙越窄，该空气层的热阻抗越小，也就是说，更多的热量可以由压电换能器传递到外壳上并因此传递到浴槽上。

依据其他解决方案提供一种传热件，从而在一种通风的外壳上起到冷却体的作用。在换能器本来也处于浴槽外部的情况下，可以考虑后一种设置。这是一种偶然发现的解决方案。

传热件的长度在内联入声程的范围内选择，由此不干扰声学特性。例如，传热件可以具有λ/2的长度，其中，该传热件直接连接在压电换能器的端面上。在这种构成中，传热件可以具有圆柱体的形状或者也可以具有棱柱体的形状，其中，横截面有利地为星形，以获得尽可能大的面积，热量通过该面积可以输出到外壳并因此到浴槽上。

另一种方案在于，使用杯子作为传热件。在这种杯子中，例如底部由常用的抛光钢垫构成，其处于中心螺母与压电换能器之间，以便将其机械固定。

传热件不仅可以设置在压电换能器远离连接件的末端上。情况表明，压电换能器并不是直接在远离谐振器的末端区域内，而是在其之前的一个小距离内达到其最高温度。从这种具体情况出发具有优点的是，传热件插入压电换能器内。为此传热件也具有λ/2的长度。

表面形状、插入或者杯形形状或连续形状方面的单项措施可以以有利的方式相互组合。

在用于谐振器头部的通风的外壳情况下具有优点的是，传热件具有一个大表面，其中，用于冷却的面积有利地定向，使其根据对流作用与空气的流动行程平行。

此外，本发明的改进方案为从属权利要求的主题。

在看完附图描述时可以理解从相应要求中产生的一系列变化。此外，所公开的特征可以产生一系列的组合。介绍每种可设想的组合会不必要地增加附图描述。附图描述因此局限在少量基本方案上。

附图示出本发明的实施例。其中：

图1示出超声棒式振荡器的示意透视图；

图2示出图1棒式振荡器的头部及敞开外壳的侧视图；

图3示出棒式振荡器的头部及一个不同定位的传热件与图2类似的视图；

图4示出图1的棒式振荡器的头部及一个杯形传热件与图2类似的视图；

图5示出棒式振荡器的头部的一个星形传热件和一个与其配合的外壳的剖面；以及

图6示出在使用具有散热肋的传热件情况下棒式振荡器的头部与图2类似的视图。

图1以未按比例的透视图示出一个超声棒式振荡器1。超声棒式振荡器1包括一个谐振器2以及一个连接在谐振器2上的头部3。谐振器2在其长度上以恒定的直径连续圆柱体式地构成。在其远离头部3的末端上，谐振器具有一个锥形尖端4。

头部3在其背面上具有一个管形的螺纹轴颈5并从中引出一根电缆6，通过它将电能输入头部3内。图2示出头部的结构。

头部3包括一个连接元件7、一个压电换能器8、一个传热件9以及一个杯形外壳盖10。

连接元件7为一个具有圆柱体凸起11的由钛制成的整体部件，凸起的外径相应于谐振器2的外径。在圆柱体凸起11内同心地设置一个具有内螺纹的盲孔12。利用盲孔12将谐振器2固定在连接件上。

连接件7与凸起11的连接地形成一个法兰13，其通过背凸过渡到一个螺纹凸起14上并为头部3的外壳部分。螺纹凸起14管状构成并环绕一个与圆柱形凸起11机械固定连接的轴颈15。

在轴颈15与螺纹件14之间构成一种膜片，以便将法兰13或螺纹14最大限度地脱离由压电换能器8输入到凸起11内的振荡。

连接元件7是一个由实心体加工的钛部件并因此整体构成。

与凸起11同轴的轴颈15形成一个平面16，压电换能器8置于该平面上面。压电换能器8在所示的实施例中由总计6个压电陶瓷盘17组成，在其之间插入电极18。电极18分别在一侧上具有接线片19，输电线20与其连接。在所示的实施例中，与图2相关示出三个向上和总计三个向下的接线片19。相应处于一侧上的接线片19电并联，由此形成一种电学上观察的二极，馈电或者激励的交流电压以常用的大于25kHz的频率输入其中。

无论是陶瓷盘17还是盘形电极18均为具有平面端面的盘形环。

处于图3中最右侧的电极18形成压电换能器8的右端面末端，而处于最左侧直接紧贴在轴颈16上的陶瓷盘17则为左侧端面末端。正如所看到的那样，压电换能器8基本上为具有平面端面的圆柱体。

传热件9以一个具有平面端面末端22和23的圆柱体管的形状构成。外壳面24为圆柱形。

在传热件9的远离压电换能器8的面上有一个减少摩擦的钢垫25，其利用螺母26压向压电换能器8。螺母26旋到一个虚线示出的螺纹轴颈27上，螺纹轴颈的另一端固定在连接元件7的轴颈16内。无论是螺纹轴颈27还是螺母26均由钛组成，而传热件9则由铝制造。

依据这种设置，处于右侧最远的电极18是一个同时也向处于左侧最远的陶瓷盘17供电的电极。

传热件9在其两个端面22与23之间具有λ/2的声学长度。压电换能器8包括螺母26的垫25和一直通到外壳壁的轴颈16在内具有λ/4的长度。螺母26的右侧末端因此在谐振频率中处于振荡波幅上。

外壳盖10如图所示杯形构成并由一个凸缘28和一个杯底29组成，螺纹轴颈5从杯底凸出。在其自由端上，凸缘28具有内螺纹31，其在安装状态下与螺纹14旋接。

凸缘28形成一个圆柱形的外壳内壁32。外壳内壁32确定的直径略大于传热件9外圆周面24的外径。在安装状态下，外壳内壁32处于图2虚线33所示的位置上。内壁32因此与外圆周面24形成一个圆柱形的窄空隙34，其厚度处于0.5mm与5mm之间并相应于传热件9的长度。由此大大降低了与外壳10外侧的热阻抗。

此外如从该图所看到的那样，压电换能器8包括凸起接线片19在内的最大外径小于传热件9的外径或内腔32的内径。

为将电连接线从传热件9旁边导过，该传热件包括由于图示原因看不到的两个纵槽。连接电缆6穿过管状螺纹轴颈5。

如果装备按图2的头部3的超声棒式振荡器1工作，那么压电换能器8内产生热量。该热量部分通过轴颈16和连接在凸起11上的谐振器2导入浴槽内。按照这种方式，压电换能器8的左端受到一定的冷却。右端将其热量排放到传热件9上。铝管形式的传热件9将热量通过窄空气隙34输送到外壳杯10的凸缘28并从那里进入浴槽。

压电换能器8的右端受到的冷却明显强于现有技术。在现有技术中，右端仅在较差热量导过的程度上得到冷却，因为由钛组成的螺栓27将热量在谐振器2的方向上排放。通过使用传热件9附加与外壳杯10同时使用，从压电换能器8中将热量传递到浴槽内。

陶瓷盘17不是良好的导热体。按照图2的设置，因此在压电换能器的两个端面末端之间显现出最大过热温度，有利的是，传热件9依据图3插入压电换能器8内。正如从该图所看到的那样，总计四个陶瓷盘17处于传热件9与连接元件7之间，而两个陶瓷盘17设置在传热件9与调整垫25之间。由此分体压电换能器8的右端面末端通过螺母26和螺栓27冷却，处于其间的部分利用传热件9在外壳10的方向上冷却和压电换能器8的左端通过连接元件7向谐振器2冷却。

按照图2和3实施例中的热阻抗由环形空隙34的面积及其厚度确定。热阻抗与面积成反比并与厚度成反比。空隙34的厚度出于加工技术的原因不能低于确定的技术尺寸，否则存在传热件9接触内侧32的危险。这种效应必须无条件地得到避免，因为否则超声能量会由此输入到外壳10上。在缝隙空间的面积方面有极限，因为头部在直径上不能随意增加。

冷却面积的扩大可以采用图4的实施方式实现。

在图4的实施方式中，传热件9具有带一个底部36和一个凸缘37的杯子形状。杯子的凸缘离开压电换能器8，也就是在图4中向右。底部36处于压电换能器8的右端与中心固定螺母26之间。底部36取代钢垫25，也就是说，杯子37最好至少在底部36的区域内由抛光的钢垫组成。

传热件9在该实施方式中底部36和凸缘37不一定非得整体构成。确保在从底部36向杯子凸缘37的过渡上的热阻抗小于传热件9相对于外壳10的热阻抗就足够了。

凸缘37无论是外部还是内部均为圆柱体，也就是说，它限制一个圆柱体的内腔。为得到所希望的大传热面，外壳杯10不同于前面的实施例，具有一个向内凸起的圆柱体轴颈38。轴颈38为空心结构，从而浴槽液体可以在里面循环。

在安装状态下，外壳杯10的凸缘28形成如图2和3的实施例中那样小宽度的圆柱体空隙34。具有类似小空隙宽度的另一个圆柱体空隙在凸起37的圆柱体内壁与轴颈38之间产生。

因此，杯形传热件9能够既在凸缘37的外侧上也在内侧上将热量排放到外壳杯10上并从那里排放到浴槽内。

图5示出扩大传热件9与杯形外壳10之间空隙面积的另一种方案。

在前面的实施例中，传热件9除了用于电连接的槽外，基本上旋转对称，而图5的传热件9在横截面上看具有一种星形结构。图5示出头部3和传热件9，垂直于纵轴线或与超声波传播的轴线平行的剖面。可以看到中心的拉紧螺栓27和星形传热件9。该传热件想像中由一个圆环和从该圆环引出的三角形锯齿组成。

外壳10的凸缘28具有一个与星形互补构成的内壁32。这种结构例如可以通过沉蚀(Senkeroderen)或者通过相应薄片的冲压产生。

替代通过螺纹14与螺纹3 1的旋接通过穿过孔41的拉紧杆产生连接。无论是在外壳10底部29凸起的凸缘上还是在法兰13上均具有相互对准的孔41。

图2-5的实施例涉及可以完全浸入地使用的超声棒式振荡器。在这种棒式振荡器上，头部3同样处于浴槽内。

图6示出一种超声棒式振荡器1的实施方式，其头部3设置在浴槽外面。头部3利用法兰13固定在容器壁上。外壳10处于自由大气中。下面仅说明与前面实施方式的区别。

为取得良好的冷却效果，外壳杯10的凸起28具有大量的通气孔42，外部大气可以通过其循环。为更好地冷却压电换能器8，使用一个传热件9，它在其外侧上携带大量的散热肋43。在该实施方式中，并不会要求尽可能小地保持传热件与外壳10之间的空隙。确切地说，在这种情况下，尽可能多的热量通过散热肋43排放到通过通气孔42循环的空气中。

图6的传热件9以与图1的实施例中相同的方式设置。该传热件也可以与图2相应在压电换能器8内的中心定位。

也选择传热件9轴向上的长度，使驻波的振荡波幅处于锁紧螺母26的末端上。而穿过在连接元件7上构成的壁的截面位置处于驻波节的位置上。

散热肋在图6中仅示意示出。不言而喻，散热肋43的横截面形状和直径也可以根据声技术的观点确定尺寸，以避免由于感应的声振荡而折断。

超声棒式振荡器具有一个与压电换能器热工技术上良好连接的传热件。该传热件的作用是减少与周围环境或者与外壳并因此在棒式振荡器浸入时与浴槽的热阻抗。

Claims (26)

1.用于在液体内产生超声的超声棒式振荡器(1)，

具有外壳(10、13)，其限定内腔并具有至少一个外壁(28、29)，该外壁的内侧(32)转向内腔；

具有压电换能装置(8)，其具有两个端面末端并安装在外壳(10)内；

具有谐振器(2)，其处于外壳(10、13)的外部；

具有连接元件(7)，通过它换能装置(8)与谐振器(2)连接并且该连接元件至少部分从外壳(10、13)的外壁(13)凸起；

具有传热件(9)，其与压电换能器(8)传热连接并具有至少一个表面(24)，其在形成空隙(34)的情况下在外壁(28)的内侧(32)旁边延伸，以便将压电换能器(8)的损耗热传递到外壁(28)上。

2.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述内腔具有圆柱体横截面。

3.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述传热件(9)在其外侧上为圆柱体形。

4.按权利要求2所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述传热件(9)具有不同于圆柱体形状的棱柱体形状，最好是星形形状。

5.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述内腔具有不同于圆柱体形状的棱柱体横截面，其中，棱柱体的基面至少近似星形。

6.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述星形基面假想地由一个中心面和由该中心面引出的臂组成。

7.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述臂具有彼此相同的形状。

8.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述臂在横截面上看大致为三角形。

9.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述外壳(10、13)具有圆柱体形的外表面(28)。

10.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，外壳件(10)基本上具有圆柱体形杯子(28、29)的形状。

11.按权利要求10所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述外壳件(10)在圆柱体形的杯子(28、29)内包括限制棱柱体内腔的内装件。

12.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述空隙(34)的宽度处于0.5mm与3mm之间。

13.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述连接件(7)具有凸缘(13、14)，其外径大于内腔的净宽度。

14.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述压电换能装置(8)由多个并排的压电垫(17)组成，在其之间插入电极(18)。

15.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述压电换能装置(8)具有两个端面末端并且所述传热件(9)设置在一个端面末端上。

16.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述压电换能装置(8)具有声学上串联的两个段并且所述传热件(9)插入这两个段之间。

17.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述传热件(9)在与振荡轴线平行的方向上具有λ/2的长度。

18.按权利要求1所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述传热件(9)具有杯子的形状，其中，杯形传热件(9)的底部(36)与压电装置(8)的端面声学和传热连接。

19.按权利要求18所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述外壳(10、13)具有凹陷部(38)，其在构成窄空隙的情况下嵌入杯形传热件(9)的内腔。

20.用于在液体中产生超声的超声棒式振荡器(1)，

具有压电换能装置(8)，其具有两个端面末端；

具有谐振器(2)；

具有用于将换能装置(8)与谐振器(2)连接的连接元件(7)；

具有传热件(9)，其与压电换能器(8)传热连接并具有至少一个表面，该表面相对于周围环境形成小于压电装置(8)的热阻抗。

21.按权利要求20所述的超声棒式振荡器，其特征在于，外壳(10)被通风。

22.按权利要求20所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述外壳(10)为进行通风包括通风孔(42)。

23.按权利要求20所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述传热件(9)具有一个按照冷却体的方式的分段的表面。

24.按权利要求20所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述压电换能装置(8)具有由单个压电垫(17)构成的堆垛，其间设置电极(18)。

25.按权利要求20所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述传热件(9)插入压电换能装置(8)内。

26.按权利要求1或20所述的超声棒式振荡器，其特征在于，所述连接装置(7)部分处于外壳(10、13)的外部。

Images