CN112822908A - 一种用于弯张换能器多途径散热结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学传感器技术领域，具体地说，涉及一种用于弯张换能器多途径散热结构，包括：多个散热片组件(1)、发射换能器主壳体(2)、发射换能器副壳体(4)、驱动振组件(16)、拾热棒组件(7)、多个弹簧(10)和多个水密结构(3)；发射换能器副壳体(4)嵌入发射换能器主壳体(2)内；发射换能器副壳体(4)的顶端和底端的内腔壁上相对设置多个弹簧(10)，驱动振组件(16)和拾热棒组件(7)交叉放置；发射换能器副壳体(4)的顶部和底部分别向外延伸一圆柱结构，其中两个散热片组件(1)固定在对应的圆柱结构；发射换能器主壳体(2)的外圆周侧面上开设多个安装接口，剩余的散热片组件(1)安装在对应的安装接口处。

Description

一种用于弯张换能器多途径散热结构

技术领域

本发明属于声学传感器技术领域，具体地说，涉及一种用于弯张换能器多途径散热结构。

背景技术

潜艇降噪和隐身技术的发展给潜艇目标探测带来了巨大挑战，因此，主动探测将是远距离探测潜艇的唯一有效的技术手段。大功率水声发射换能器是主动探测声纳的重要组成部分，其主要性能指标直接决定了声纳的技术水平。

随着现代发射换能器技术的不断发展，单个大功率水声发射换能器的输入电功率可达近100千瓦量级，由于换能器存在着电声转换效率，且一般的水声换能器在30％-60％，因此，约有40％以上的输入电功率，以各种形式的无用能量消耗掉，其中，大部分以热量的形式，从换能器的有源驱动元件中散出。该部分热量如果不及时与水声换能器外部介质(例如海水)进行热交换，会导致换能器内部的温度急剧增加，短时间内就可造成发射换能器的性能降低，甚至是毁坏水声发射换能器。

目前，弯张换能器具有体积小、重量轻、频率低、功率大的特点，是多年来换能器研究领域的热点之一，也是比较适合应用于低频声纳的发射换能器类型。其中，Ⅳ型弯张换能器又是最常用的弯张结构，利用振动壳体的弯曲模态来减小换能器的尺寸和重量，该小尺寸换能器对散热结构的设计带来了挑战。目前，应用于大功率发射换能器的有源材料主要包括：压电陶瓷(PZT)和超磁致伸缩材料(T-D)，在换能器大功率工作时，在相对小体积的弯张换能器内腔，会短时间急剧积累大量的热量，需要设置有效、充足的散热结构来保持换能器内部的温度平衡。热量的传递方式有传导、对流和辐射等，综合利用多种热交换方式，有利于加快大功率发射换能器的散热过程。

发射换能器的散热结构包括：主动式散热结构和被动式散热结构；其中，主动式散热结构采用水冷的方式，通过在换能器内部增设循环水冷结构，使发射换能器的热量通过热交换后，尽快被带走，其散热能力较强，可长时间使用，但是，该主动式散热结构是循环散热结构，其结构比较复杂，为了满足循环和耐腐蚀的要求，要添加各种辅助设备，不适于大深度、便捷操作。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于弯张换能器多途径散热结构，该结构为高效、被动式散热结构，通过在Ⅳ型弯张换能器的内部和外部添加有利于热传递和热交换的散热组件和传导热通道，达到一定程度的热平衡能力。

本发明提供的一种用于弯张换能器多途径散热结构，该散热结构包括：多个散热片组件、发射换能器主壳体、发射换能器副壳体、驱动振组件、拾热棒组件、多个弹簧和多个水密结构；

发射换能器主壳体为两端开口的椭圆形柱结构，发射换能器副壳体为口字形结构；发射换能器副壳体嵌入发射换能器主壳体内，形成内部为空腔的推拉式抽屉结构；

发射换能器副壳体的顶端的内腔壁上相对设置多个等间距分布的弹簧，发射换能器副壳体的底端的内腔壁上相对设置多个等间距分布的弹簧，驱动振组件设置在发射换能器副壳体的内腔，拾热棒组件设置在发射换能器主壳体的内腔，且驱动振组件和拾热棒组件交叉放置；

发射换能器主壳体的顶部与发射换能器副壳体的顶部之间的边缘间隙通过中部开有椭圆形孔的水密结构进行水密包裹，发射换能器主壳体的底部与发射换能器副壳体的底部之间的边缘间隙通过中部开有椭圆形孔的水密结构进行水密包裹；

发射换能器副壳体的顶部和底部分别向外延伸一圆柱结构，将其中两个散热片组件固定在对应的圆柱结构；发射换能器主壳体的外圆周侧面上，沿轴向开设多个对称的安装接口，将剩余的散热片组件插入并安装在对应的安装接口处；

推拉式抽屉结构的空腔内灌注导热液体或导热膏状固体。

作为上述技术方案的改进之一，所述驱动振组件包括：多个驱动振、多个金属导热套、第一导磁块和第二导磁块；

第一导磁块和第二导磁块相对竖直放置，且第一导磁块和第二导磁块分别紧贴在发射换能器副壳体的两侧壁上，第一导磁块和第二导磁块之间等间隔设置多个呈上下并行排列的驱动振，每个驱动振的外侧包裹金属导热套；

第一导磁块的顶端和底端位于上下相对设置的多个弹簧之间，第二导磁块的顶端和底端位于上下相对设置的多个弹簧之间。

作为上述技术方案的改进之一，所述驱动振呈圆柱状结构或长方体结构，相应地，金属导热套呈圆柱状结构或长方体结构。

作为上述技术方案的改进之一，驱动振子采用稀土超磁致伸缩材料或压电陶瓷材料制成。

作为上述技术方案的改进之一，所述拾热棒组件包括：第一竖板、第二竖板、多个连接板和多个连接组件；

多个连接组件对称地相对设置在弹簧上，第一竖板的顶部和底部分别卡接在多个连接组件上，第二竖板的顶部和底部分别卡接在多个连接组件上；第一竖板和第二竖板的相对位置之间设置多个并行排列的连接板，连接板的左右两侧分别垂直第一竖板和第二竖板，驱动振组件位于第一竖板和第二竖板之间，形成多个热传导通道。

作为上述技术方案的改进之一，所述连接组件包括：圆柱台和圆锥台；圆锥台设置在圆柱台之上，且圆锥台的中部开有细缝。

作为上述技术方案的改进之一，所述散热组件呈长方体结构，且其上开设多个U形槽，形成多个等间距设置的散热片；每个散热片上开设多个圆孔。

作为上述技术方案的改进之一，所述发射换能器主壳体和发射换能器副壳体采用耐海水腐蚀、高强度的金属材料制成。

作为上述技术方案的改进之一，所述拾热棒组件和金属导热套采用导热性能优良的铜合金或铝合金材料制成；

作为上述技术方案的改进之一，所述水密结构采用防水、耐海水腐蚀、弹性好的非金属材料制成。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

在保证Ⅳ型弯张换能器的基本声学发射性能的前提下，可以大大提高弯张换能器的发射功率容量，降低发射换能器大功率工作时的内部温度，可以大大提高换能器的连续工作时间，提高换能器的可靠性和使用寿命。

附图说明

图1是本发明的一种用于弯张换能器多途径散热结构的结构示意图；

图2是本发明的一种用于弯张换能器多途径散热结构的驱动振组件16的结构示意图；

图3是本发明的一种用于弯张换能器多途径散热结构的驱动组件与拾热棒组件交叉放置的结构示意图。

附图标记：

1、散热片组件 2、发射换能器主壳体

3、水密结构 4、发射换能器副壳体

5、驱动振子 6、金属导热套

7、拾热棒组件 8、第一导磁块

9、导热硅脂 10、弹簧

11、第二导磁块 12、第一竖板

13、第二竖板 14、连接板

15、连接组件 16、驱动振组件

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种用于弯张换能器多途径散热结构，该散热结构包括：四个散热片组件1、发射换能器主壳体2、发射换能器副壳体4、驱动振组件16、拾热棒组件7、多个弹簧10和两个水密结构3；

发射换能器主壳体2为两端开口的椭圆形柱结构，发射换能器副壳体4为口字形结构，且其顶端和底端为椭圆形板，其左右两侧板为矩形板；发射换能器副壳体4嵌入发射换能器主壳体2内，形成内部为空腔的推拉式抽屉结构；

发射换能器副壳体4的顶端的内腔壁上相对设置多个等间距分布的弹簧10，发射换能器副壳体4的底端的内腔壁上相对设置多个等间距分布的弹簧10，驱动振组件16设置在发射换能器副壳体4的内腔，拾热棒组件7设置在发射换能器主壳体2的内腔，且驱动振组件16和拾热棒组件7交叉放置，即驱动振组件16和拾热棒组件7交叉设置在推拉式抽屉结构的空腔内；其中，发射换能器副壳体4的顶端的内腔壁上和底端的内腔壁上设置弹簧10的目的是保证良好的传递热量的同时，避免对发射换能器副壳体4产生振动的影响。

发射换能器主壳体2的顶部与发射换能器副壳体4的顶部之间的边缘间隙通过中部开有椭圆形孔的水密结构3进行水密包裹，发射换能器主壳体2的底部与发射换能器副壳体4的底部之间的边缘间隙通过中部开有椭圆形孔的水密结构3进行水密包裹，形成IV型弯张换能器，将发射换能器主壳体2的中心部位金属表面裸露，使得更大表面积的金属壳体与水介质接触，增加了整个换能器的散热面积；

发射换能器副壳体4的顶部和底部分别向外延伸一圆柱结构，将其中两个散热片组件1固定在对应的圆柱结构；发射换能器主壳体2的外圆周侧面上，沿轴向开设两个对称的安装接口，将剩余的散热片组件1插入并安装在对应的安装接口处；

推拉式抽屉结构的空腔内灌注导热液体或导热膏状固体，填满内腔空间，最大程度地大大减小内腔的空气体积，形成一种良性传导结构，加大内腔的热传导能力。将驱动振子产生的热源以良好的导热能力传递到椭圆形柱状结构的外表面，增强了IV型弯张换能器内部的空腔的热传递的能力，从而加速热交换；极大地提高了IV型弯张换能器内部腔体与外部水介质的传递热量的交换能力，增大了换能器的工作寿命和可靠性。

其中，发射换能器主壳体2为薄壁椭圆形柱结构，发射换能器副壳体4为薄壁口字形结构；二者均为平移体；

在其他具体实施例中，推拉式抽屉结构可以根据需要，采用圆柱、方柱或其他结构进行替换。

在其他具体实施例中，所述发射换能器副壳体4也可以采用上盖板和下盖板的结构，将上盖板和下盖板分别安装在发射换能器主壳体的顶端和底端，形成椭圆形柱状结构，并通过水密结构3进行水密封装，形成一个封闭式的椭圆形柱状结构。

其中，如图2所示，所述驱动振组件16包括：多个驱动振子5、多个金属导热套6、第一导磁块8和第二导磁块11；

第一导磁块8和第二导磁块11相对竖直放置，且第一导磁块8和第二导磁块11分别紧贴在发射换能器副壳体的两侧的矩形板内壁上，第一导磁块8和第二导磁块11之间等间隔设置多个呈上下并行排列的驱动振子5，每个驱动振子5的外侧包裹金属导热套6；

第一导磁块8的顶端和底端位于上下相对设置的多个弹簧10之间，第二导磁块11的顶端和底端位于上下相对设置的多个弹簧10之间。

在本实施例中，所述驱动振子5呈圆柱状结构，金属导热套6呈圆柱状结构，用于将驱动振子5很好地、完整地包裹在其中。在其他具体实施例中，驱动振子5也可以是长方体结构。

所述驱动振子5采用稀土超磁致伸缩材料或压电陶瓷材料制成。

其中，金属导热套6的轴向长度略小于驱动振子5的轴向长度，且金属导热套6的轴向长度小于第一导磁块8和第二导磁块11之间的间距，在本实施例中，金属导热套6的轴向长度相比于第一导磁块8和第二导磁块11之间的间距小0.5mm，避免金属导热套6影响驱动振子5的振动，同时能起到传递驱动振子5中心热量的作用；金属导热套6的两端面通过第一导磁块8和第二导磁块11接近发射换能器副壳体4的两侧壁，驱动振子5在大功率工作时产生的热量能通过金属导热套6快速传递到第一导磁块8和第二导磁块11，进而传递到发射换能器副壳体4的长轴方向的两侧壁。多个驱动振子5之间的间隔位置会形成一定尺寸的空腔，空腔内部插入拾热棒组件7，与驱动振组件16交叉放置，形成热传导通道。

如图3所示，所述拾热棒组件7包括：第一竖板12、第二竖板13、多个连接板14和多个连接组件15；

多个连接组件15对称地相对设置在弹簧10上，第一竖板12的顶部和底部分别卡接在多个连接组件15上，第二竖板13的顶部和底部分别卡接在多个连接组件15上；第一竖板12和第二竖板13的相对位置之间设置多个并行排列的连接板14，驱动振组件16位于第一竖板12和第二竖板13之间，形成多个热传导通道；如图3所示，连接板14的左右两侧分别垂直第一竖板12和第二竖板13，且连接板14位于上下并行设置的驱动振子5之间的间隔空隙中，形成驱动振组件16与拾热棒组件7的交叉放置。通过将驱动振产生的热量通过热传导通道和金属导热套6，将热量沿着金属导热套6的长轴方向进行传导。

所述连接组件15包括：圆柱台和圆锥台；圆锥台设置在圆柱台之上，且圆锥台的中部开有细缝，用于将第一竖板12或第二竖板13的顶部和底部分别插入其中，起到固定第一竖板12或第二竖板13的作用。

其中，连接组件15设置在弹簧10上，第一竖板12的顶部和底部分别插入其中一侧的连接组件15的细缝中，用于固定第一竖板12，第二竖板13的顶部和底部分别插入相对侧的连接组件15的细缝中，用于固定第二竖板13，则第一竖板12和第二竖板13可弹性地、将热量传递至发射换能器副壳体4的顶部和底部，避免由于驱动振组件16产生振动而导致第一竖板12和第二竖板13受挤压而损坏。

所述散热组件呈长方体结构，且其上开设多个U形槽，形成多个等间距设置的散热片；每个散热片上开设多个圆孔，通过将Ⅳ型弯张换能器的发射换能器主壳体2的长轴方向上的两端的外表面向外进行物理尺寸延长，并将散热片组件1安装在其长轴方向的两端，在保证不影响IV型弯张换能器内的壳体弯曲振动的前提下，大大地增加了整个发射换能器的散热面积，将IV型弯张换能器的内腔拾取的热量通过散热片和热传导通道快速交换到水介质中。

散热片组件1与发射换能器主壳体2通过三个M12的不锈钢螺钉进行安装固定。散热片组件1包括多个等间隔设置的散热片，且散热片组件1是由散热性能良好的铝合金材料制成，长时间使用散热片组件1时，可视腐蚀情况进行更换。散热片组件1中包括的散热片加工成5mm的片状，散热片之间的缝隙为5mm，散热片组件1整体呈“梳子”形状，每个散热片的长度方向加工有直径10mm的穿心孔，有利于水介质的流动。

所述发射换能器主壳体2和发射换能器副壳体4采用耐海水腐蚀、高强度的金属材料制成，通常优选为钛合金或不锈钢材料；如果耐腐蚀要求不高的情况下，也可优选为铝合金和铜合金材料；

所述拾热棒组件7和金属导热套6采用导热性能优良的铜合金或铝合金材料制成；

所述导热液体选用硅油、蓖麻油或轻蜡油；

所述导热膏状固体采用导热硅脂9；

所述水密结构3采用防水、耐海水腐蚀、弹性较好的非金属材料制成，通常情况下，优选为聚氨酯或橡胶材料。

其中，驱动振子5是大功率工作的发射换能器热量产生的最主要来源，而发射换能器主壳体2和两个发射换能器副壳体4分别与外界的水介质的热交换是散热的唯一途径；加速传递产生的热量使其离开驱动振子5，并有效传导至发射换能器主壳体2和发射换能器副壳体4是降低温度的重要手段。

金属导热套6保证了热量沿着推拉式抽屉结构的长轴方向传递，拾热棒组件7保证了热量沿着推拉式抽屉结构的短轴方向和纵向高度的方向进行传递，导热液体或导热膏状固体的引入，可使得整个椭圆形柱状结构内腔的温度在一定程度上保持均衡，不产生较大的温度梯度。

驱动振子5的长度尺寸略大于发射换能器副壳体4的内腔尺寸，比如大0.4mm，通过对发射换能器副壳体4的顶部和底部表面分别施加压力，使发射换能器副壳体4的内腔尺寸变大，将驱动振组件16置于发射换能器副壳体4的内腔内，并释放发射换能器副壳体4上的压力，发射换能器副壳体4和驱动振子5内嵌成副壳体组合体；

副壳体组合体的长度尺寸略大于发射换能器主壳体2的内腔尺寸，比如大0.4mm，通过对发射换能器主壳体2的顶部和底部表面分别施加压力，使发射换能器主壳体2的内腔尺寸变大，将整个副壳体组合体置于发射换能器主壳体2的内腔内，并释放发射换能器主壳体2上的压力，发射换能器主壳体2和副壳体组合体装配成IV型弯张发射换能器；

在发射换能器主壳体2和发射换能器副壳体4形成的IV型弯张发射换能器的内腔内灌注膏状导热硅脂9，通过压力，使膏状导热硅脂9充满整个IV型弯张发射换能器的内腔的腔体。通过灌入膏状导热硅脂9，消除了IV型弯张发射换能器的内腔的腔体内部残存的空气的体积，增大了腔体内部热传导能力，更有利于高温度部位与低温度部位的快速热平衡。发射换能器主壳体2的顶部和发射换能器副壳体4的顶部之间的边缘间隙处留有的缝隙，通过浇注聚氨酯，使IV型弯张发射换能器的顶部和底部上粘接有水密结构3，形成密封，保证外界的水介质不会渗入到IV形弯张换能器的内腔里。

本发明提供的多途径散热结构，通过热传导和对流的方式，加快了发射换能器内部热量的快速传递，通过发射换能器壳体上增设多个散热片组件1，提高发射换能器壳体与水介质的热交换能力，利用发射换能器的结构特点设计并实现了固体式和液体式等组合散热方式，有利于提高发射换能器的发射功率容量，降低发射换能器大功率工作时的内部温度，大大提高发射换能器的可靠性和使用寿命。

发射换能器主壳体2和发射换能器副壳体4的外表面增设散热片组件1，也是多途径散热结构的重要部分，由于发射换能器的主壳体和发射换能器的副壳体的外表面积有限，造成发射换能器主壳体2和发射换能器副壳体4分别与水介质的热量交换能力受限。多个散热片组件1的引入，可以大大增加热量交换的表面积，极大的改善了换能器的热交换能力。同时，由于所增加的散热片组件1并没有直接安装在发射换能器主壳体2和发射换能器副壳体4上，不影响发射换能器的声辐射性能，可拆卸式散热片组件1也有利于定期更换，保证散热性能不受海水介质腐蚀的影响。

本发明的散热结构在工程实际中具有较大的应用价值，也可以类推应用于其他相关声学换能器及基阵的设计当中，具有普适性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，该散热结构包括：多个散热片组件(1)、发射换能器主壳体(2)、发射换能器副壳体(4)、驱动振组件(16)、拾热棒组件(7)、多个弹簧(10)和多个水密结构(3)；

发射换能器主壳体(2)为两端开口的椭圆形柱结构，发射换能器副壳体(4)为口字形结构，发射换能器副壳体(4)嵌入发射换能器主壳体(2)内，形成内部为空腔的推拉式抽屉结构；

发射换能器副壳体(4)的顶端的内腔壁上相对设置多个等间距分布的弹簧(10)，发射换能器副壳体(4)的底端的内腔壁上相对设置多个等间距分布的弹簧(10)，驱动振组件(16)设置在发射换能器副壳体(4)的内腔，拾热棒组件(7)设置在发射换能器主壳体(2)的内腔，且驱动振组件(16)和拾热棒组件(7)交叉放置；

发射换能器主壳体(2)的顶部与发射换能器副壳体(4)的顶部之间的边缘间隙通过中部开有椭圆形孔的水密结构(3)进行水密包裹，发射换能器主壳体(2)的底部与发射换能器副壳体(4)的底部之间的边缘间隙通过中部开有椭圆形孔的水密结构(3)进行水密包裹；

发射换能器副壳体(4)的顶部和底部分别向外延伸一圆柱结构，将其中两个散热片组件(1)固定在对应的圆柱结构；发射换能器主壳体(2)的外圆周侧面上，沿轴向开设多个对称的安装接口，将剩余的散热片组件(1)插入并安装在对应的安装接口处；

推拉式抽屉结构的空腔内灌注导热液体或导热膏状固体。

2.根据权利要求1所述的用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，所述驱动振组件(16)包括：多个驱动振子(5)、多个金属导热套(6)、第一导磁块(8)和第二导磁块(11)；

第一导磁块(8)和第二导磁块(11)相对竖直放置，且第一导磁块(8)和第二导磁块(11)分别紧贴在发射换能器副壳体(4)的两侧壁上，第一导磁块(8)和第二导磁块(11)之间等间隔设置多个呈上下并行排列的驱动振子(5)，每个驱动振子(5)的外侧包裹金属导热套(6)；

第一导磁块(8)的顶端和底端位于上下相对设置的多个弹簧(10)之间，第二导磁块(11)的顶端和底端位于上下相对设置的多个弹簧(10)之间。

3.根据权利要求2所述的用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，所述驱动振子(5)呈圆柱状结构或长方体结构，金属导热套(6)呈圆柱状结构或长方体结构。

4.根据权利要求3所述的用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，驱动振子(5)采用稀土超磁致伸缩材料或压电陶瓷材料制成。

5.根据权利要求1所述的用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，所述拾热棒组件(7)包括：第一竖板(12)、第二竖板(13)、多个连接板(14)和多个连接组件(15)；

多个连接组件(15)对称地相对设置在弹簧(10)上，第一竖板(12)的顶部和底部分别卡接在多个连接组件(15)上，第二竖板(13)的顶部和底部分别卡接在多个连接组件(15)上；第一竖板(12)和第二竖板(13)的相对位置之间设置多个并行排列的连接板(14)，连接板(14)的两侧分别垂直第一竖板(12)和第二竖板(13)，驱动振组件(16)位于第一竖板(12)和第二竖板(13)之间，形成多个热传导通道。

6.根据权利要求5所述的用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，所述连接组件(15)包括：圆柱台和圆锥台；圆锥台设置在圆柱台之上，且圆锥台的中部开有细缝。

7.根据权利要求1所述的用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，所述散热组件(1)呈长方体结构，且其上开设多个U形槽，形成多个等间距设置的散热片；每个散热片上开设多个圆孔。

8.根据权利要求1所述的用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，所述发射换能器主壳体(2)和发射换能器副壳体(4)采用耐海水腐蚀、高强度的金属材料制成。

9.根据权利要求1所述的用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，所述拾热棒组件(7)和金属导热套(6)采用导热性能优良的铜合金或铝合金材料制成。

10.根据权利要求1所述的用于弯张换能器多途径散热结构，其特征在于，所述水密结构(3)采用防水、耐海水腐蚀、弹性好的非金属材料制成。

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