CN1308831A

CN1308831A - 高功率超声换能器

Info

Publication number: CN1308831A
Application number: CN99808312A
Authority: CN
Inventors: B·尼尔松; H·达尔贝里
Original assignee: ULTRASONUS AB
Current assignee: ULTRASONUS AB
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2001-08-15
Also published as: TW423170B; WO1999059378A1; US6137209A; US5955823A; BR9910291A; JP2002515717A; AU4538899A; EP1095539A1; CA2330314A1

Abstract

一种用于改善超声换能器(1)的高输出特性的方法,它是通过使冷却气体(13)流过换能器并由此通过每对相邻压电元件(6,7)之间的冷却部件(18)实现的。在一个优选实施例中,使用六氟化硫(SF₆)作为冷却气体。

Description

高功率超声换能器

技术领域

本发明涉及超声换能器，尤其是涉及在因周围环境而减弱热传导性的条件下使用的、带有压电元件的高功率超声换能器。

现有技术

超声换能器有时需要在热传导性减弱的环境条件下使用。例如，对于可潜入水中的换能器以及在高温环境中工作的换能器等情况。

无论换能器的设计结构如何，高的环境温度都构成了热传导性减弱的环境条件。由换能器的压电元件产生的热量趋于在换能器内形成高的内部温度，而不是将热量传递到周围环境中去。

在可潜入水中的超声换能器中，热量被积聚在换能器内。为了使换能器能够在水下工作，可潜入水中的换能器的壳体被密封，使得难以去除从换能器产生的过多热量。本领域内已知有多种可潜入水中的换能器。例如，授予H.J.Wollaston的英国专利1266143号公开了一种超声换能器，其中，换能器的振荡压电元件被装在一个管状的壳体内。

另外，常规的表面安装式换能器、例如安装在贮存容器(tank)壁外侧的换能器往往也需要密封安装，以承受苛刻的工业环境，并且因此会产生与可潜入水中的换能器相似的情况。

换能器的压电元件的封闭将会减弱压电元件和换能器周围的媒介之间的热传导性，由此减弱压电元件的冷却。压电材料的温度升高将降低其机电效率，并且最终-通常是在大约608°F(320℃)的温度下，该材料将去极化并变成无用的。

这种现象在高功率换能器情况下尤其明显，在高功率换能器中，所施加的较高功率可以在压电元件中以及换能器的壳体中产生大量的内部热量，特别是在全谐振系统不具备合适的声学和电学调谐的情况下。

此外，高功率超声换能器的使用寿命也会由于电晕放电和飞弧等现象而缩短，电晕放电和飞弧等现象是在相邻盘状压电元件的边缘之间产生的，相邻盘状压电元件通过导电层相互叠置，导电层例如为板或盘，它们作为夹置在盘状元件间的电极。如果存在任何有机材料，电晕放电就将形成导电的碳层，并且当不同电极性之间的距离减小时，就将产生飞弧。电弧会使压电材料性能变差。虽然这些现象不仅仅局限于封闭的换能器，但电弧的产生仍然是除由高温引起的性能变劣之外的又一个缺点。

降低电弧效应的常规方法是将压电元件的叠置结构浸渍在绝缘介质中，但这也会具有进一步降低压电元件和换能器周围环境之间的热传导性的不良效果。

在美国专利4011474中，C.G.O’Neill公开了一种改善了这方面的特性的换能器，其改进是将电介质压装至盘状压电元件的径向端部。电介质可以是固体材料或液体材料，并且优选液体材料。

虽然如美国专利4011474中所述的，压装到压电元件上的电介质减少了变劣电弧的产生，但热传导性低的问题依然存在。

发明概述

本发明的目的是要提供一种超声换能器，用于以高的效率产生高功率的超声振动。

这个目的是由根据所附权利要求书的权利要求1的方法实现的，其中确定了一种通过冷却剂的流动来冷却换能器的压电元件的方法。

在本发明的一个优选实施例中，冷却剂是一种气体，这种气体具有抑制电晕和电弧现象的能力。在最佳实施例中，气体以六氟化硫SF₆作为主要成分。

按照本发明的第二方面，本发明提供了根据权利要求5的一种超声换能器装置，其中确定了一种可用于本发明方法的超声换能器装置的设计结构。

附图简述

下面将参照附图仅仅以举例的方式描述一种超声换能器装置，该超声换能器装置可用于根据本发明的方法，附图中：

图1是根据本发明的换能器的一个实施例的剖视图；

图2A是本发明的冷却部件的一个实施例的两个部分的分解示意图；

图2B是图2A中所示的(两个)部分装配成冷却部件时的立体图；

图3是压电元件和根据图2B的冷却部件的叠置结构的立体图，这种结构可用于根据本发明的换能器的一个实施例。

实施方案详述

在工作过程中，超声换能器中的压电元件的温度将升高，这归因于压电材料内的摩擦，并且还归因于在换能器系统没有合适调谐的情况下换能器内积聚的声能。因此，很显然，压电材料仅能在这样的水平上发送超声能量，即这种水平允许材料在如此低的温度下工作，以使它在其使用寿命内可以维持其有效特性。

根据本发明的方法，通过冷却压电元件，允许具有叠置的压电元件的封闭超声换能器在提高的水平上发送超声能量，该方法包括以下步骤：

将换能器设置成具有至少一个进气孔和至少一个出气孔；

在每对相邻的压电元件之间设置一个用于冷却压电元件的气体传导装置，以使来自于进气孔的气体可以流过气体传导装置，而通过换能器的出气孔排出；

选择冷却气体；和

利用外部的压力源促使所述冷却气体流过气体传导装置，由此冷却相邻的压电元件。

现在将参照图1描述用于本发明方法的超声换能器的一个优选实施例。

根据图1，图示的根据本发明的换能器1的实施例包括：一个筒形的金属壳体，它起到谐振基体的作用，并且由上部筒形壳体基体4和下部筒形壳体基体5组成，上部和下部筒形壳体基体例如通过焊缝12彼此固定；一个中心圆柱形通道2，它位于上部壳体基体中；以及一个空心圆筒形腔室3，它由上部和下部壳体基体界定。在腔室中有两个环形的压电元件6、7，它们按如此方式设置：每个元件6、7的中心轴线大致与壳体的中心轴线重合，中心轴线沿通道2的中心延伸。

在上部壳体基体4和上部压电元件6之间有一个金属冷却部件18，它设置成在每一相邻部分之间直接物理接触，由此也在它们之间提供了电连接。第二金属冷却部件18设置在压电元件6、7之间，另外，第三金属冷却部件18设置在下部压电元件7和下部壳体基体5之间。为了达到合适的物理和/或电接触，优选在相邻部分之间插入导电的垫片，但因为这不是必需的，所以本实施例中没有示出。

在上部壳体基体4中设有通道8，用以与换能器的外部通气，通道8连接上述腔室3(更具体地讲是该腔室的围绕压电元件6、7的部分)和冷却部件18。

压电元件6、7的材料可以是本领域公知的任何合适的陶瓷材料，诸如锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅(PT)、偏铌酸铅和钛酸铋。壳体基体4、5的金属优选不锈钢。在本实施例中，每个冷却部件18都是一个钢盘，并且具有一个中心孔16和至少一个(优选几个)径向孔14，以允许在冷却部件通过与压电元件6、7和上下壳体基体4、5对接的表面提供电和热传导的同时使气体流经这些孔。

正如本领域所公知的，为了有效地工作，压电元件6、7必须是预加应力的。预加应力操作必须在上下壳体基体4、5彼此固定之前进行，并且可以通过本领域公知的任何合适的技术实现。

例如，通过焊点10，中心冷却部件18电连接至一根金属杆9。此杆插入一个空心套筒15的中心通道，套筒15例如由聚四氟乙烯制备并且固定至通道2中。金属杆延伸穿过在套筒端部密封的孔17，以便连接至一个外部控制和供电单元(未示出)。地电位提供给金属的壳体基体4、5。

通过套筒15形成有一个通道30。此通道将套筒中的进气孔11连接至腔室3，并且尤其是连接至腔室的由冷却部件18的中心孔和压电元件6、7分别界定的部分。一个合适的导管可以安装至此进气孔，以便连接至一个合适的常规气体和压力源(未示出)。虽然图1中仅仅示出了一个通道30，但为了在腔室3内实现均匀的气流分布，也可以设置一个以上的通道。

由此，冷却气体13可以采用合适的压力，优选3-30psi的压力，通过进气孔11导入至通道30中。气体将注入冷却部件18的中心孔并且通过径向孔14，由此通过冷却部件从压电元件6、7接收热量，并且最终通过出气通道8排出。这样，压电元件中的内部热量就从换能器的内部以可控的方式传输到外部。

优选方案是，出气通道8由导管连接至一个热交换装置，以冷却气体，使得它能够在一个闭路循环系统中通过换能器循环。不过，由于这种结构不是必须的，采用本领域技术人员公知的任何合适常规设备都可以实现，而且也不属于本发明的新构思范围，因此这种闭路循环系统未在图1中示出。

在工作时，控制和供电单元向压电元件6、7提供了电平和频率适于需要的交变电压，诸如25kHz频率的10000V峰-峰值电压，由此使它们按本领域公知的方式振动。

同时，气体13受气体和压力源的驱使，如上所述的那样在压电元件6、7之间流动，从而冷却这些元件并且由此使它们保持于低的和高效的工作温度。

可用于本发明的冷却部件的一个优选实施例构成为冷却盘组件21，如图2A和2B中所示，其中图2A显示出组件的各零件的分解状态，图2B显示出装配状态。

应当指出的是，为了使这些图更容易阅读，图2A和2B中所示的形成冷却盘组件21的零件的三维比例与图1中所示的对应冷却部件18是不同的。

上部盘元件22设有一个中心孔23，并且具有平整的上下表面。下部盘元件24具有一个与中心孔23相同尺寸的中心孔26和平整的底表面(未示出)，并且其上表面设有沟槽25。沟槽25是等间距分布的，并且从孔26向外延伸至盘元件的圆周边缘。

如图2B中所示，当盘元件22、24装配在一起形成冷却元件21时，沟槽25由上部盘元件22覆盖，由此形成可供冷却气体流动的通道29。

冷却部件的这个实施例具有这样的优点：能提供冷却部件和压电元件之间的大的和平整的接触面积，由此提供最佳的热交换，并且使机械接触压力最小，同时降低了制造成本。

图3显示出压电元件28和冷却部件21的交替叠置结构，它用于具有两个以上(在此情况中为四个)压电元件的换能器的一个实施例。除了将冷却部件放置在压电元件之间，冷却部件还设置在叠置结构最外部的压电元件和它们相应的相邻壳体基体表面之间(类似于图1中的双压电元件叠置结构)。每个冷却部件都是图2B中所示的实施例。正如从图中可以看到的，每个冷却部件是这样设置的：当从上方观看时，径向的通道29放置在其它冷却部件的径向通道的正上方。虽然通道的任何排列方式都是可能的和有效的，但这种排列方式具有这样的优点：它能提供可能的最佳声学特性。

与常规的换能器相比，根据本发明的超声换能器能够将较高的所加电压转换为超声能量，因为在换能器内设有用于冷却压电元件的系统。这种冷却还使得压电元件能够比没有冷却时承受更高的电压，由此提高了换能器的效率和使用寿命。与常规换能器相比，本发明的换能器还可以用在更高的环境温度下。

如上所述，为了获得最大的冷却效率，优选将冷却部件设置在每对相邻的压电元件之间和压电元件叠置结构的每一端上。不过，当然可以用没有冷却通道的元件替代这些冷却元件的其中一部分，这可能是优选的并且仍然可以实现冷却效果，但这会降低冷却效率并且可能降低相邻压电元件的使用寿命。

正如上面所描述的，优选方案是，冷却气流被供给压电元件和冷却部件叠置结构的中心孔，然后通过叠置结构的外部排出。此流动方向是优选的，因为这被设想为合适的和高效的流动路径。不过，流动方向当然可以是相反的方向。

应当指出的是，元件以及装配好的换能器的尺寸应当选择为适合于应用。因此，换能器的尺寸应当根据对多种换能器系统普遍适用的原则确定，并且优选调谐为能够工作在声学和电学谐振状态，以便给出可能的最高输出效率。

为了冷却压电元件，可以使用多种气体，虽然总体要求是气体必须是足够惰性的，以便不损坏换能器的任何部分。另外，它应当具有良好的导热特性。

因此，合适的气体包括氮气、氢气、二氧化碳、氟利昂12和氨气。

不过，可用于本发明的冷却系统的最佳气体是六氟化硫SF₆。

SF₆具有很大的热容量c_p，例如，其热容量比任一上述其它气体高约2-3倍。

另外，SF₆还是一种优良的电介质。SF₆的这种特性可以有益地用于本发明的换能器中，因为它对于在靠近压电元件边缘处的高电磁场强度下产生的电弧现象具有减弱作用。

应当指出的是，由于本发明使得可以使用比相似的常规换能器更高的电压，因此，与常规换能器相比，不同电位部分之间的距离应按正常方式增大，以避免飞弧。SF₆的使用降低了甚至可以免除这种增大距离的要求。不过，为安全起见，应当安装一个自动断电系统，以便在循环系统中的气体压强变得太低的情况下避免短路或其它电气危险。

本发明人进行的测试(其中在示波器上监视施加至换能器的电压)表明：当换能器使用空气或CO₂工作时，电压曲线上出现干扰峰并且可归因于电晕的产生，而实际上代之以SF₆通过换能器循环时这种现象可完全消除。

另外，测试表明：当被供给12000V和20kHz的电压时，使用SF₆作为冷却剂的本发明的超声换能器呈现出与供给900V和22kHz电压的一般常规换能器相似的长寿命特性。

虽然SF₆是可用于本发明的最佳气体，但应当指出的是，SF₆也具有一些不令人满意的特性，在设计适于应用的换能器时必须考虑这些特性。

已经知道，在通常高于100000V的很强电场的作用下，SF₆可以与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高压器件变劣和损坏。因此，重要的是高压器件在靠近高压场处在SF₆气氛中包含很少或不包含可降解的化合物，这些化合物诸如酚醛树脂、玻璃、玻璃增强材料或瓷。由于高压压电换能器通常工作在低于20000V的电压下，显然SF₆可以用于抑制这种换能器中的电晕放电等。

另外，SF₆还是一种环境公害。尤其是，它已被研究气候变化的政府委员会的科学家划归为烈性温室气体。因此，必须注意不让它泄漏到大气中去。

因此，用于超声换能器的SF₆冷却系统应当优选以闭路系统实现，其中，在超声换能器中被加热的SF₆在其再次被泵送通过超声换能器之前在换能器外部被冷却。

尽管已经参照特定的优选实施例对本发明进行了详细描述，但通过阅读和理解以上说明将能认识到：可以对这些实施例作出许多改变，这些改变仍处于所附权利要求的范围之内。

Claims

1.一种用于提高超声换能器的输出的方法，该换能器使用至少两个压电元件(6；28)，其中，压电元件(6；28)串联叠置，并且设有用于将它们电连接至一个交变电压源的装置(9)，交变电压施加至压电元件的相对表面，以使它们根据电压改变其尺寸，压电元件被封装在一个气密的壳体(4，5，13)中，而且，通过壳体设有一个用于供给气体的导管(11)和一个用于排出气体的导管(13)，

其特征在于，该方法包括以下步骤：

在至少一对相邻的压电元件(6；28)之间设置一个气体传导装置(18；21)，用于冷却压电元件，所述气体传导装置设有至少一个通道(14；29)，该通道提供了从供给导管(11)通过气体传导装置到达排出导管(13)的气体流动路径；

选择和提供冷却气体；

将所述冷却气体压入供给导管(11)，由此促使气体流过所述气体传导装置(18；21)，以便冷却相邻的压电元件(6；28)，这样就使所述冷却气体的温度升高；并且，通过排出导管(13)将所述温度升高的冷却气体排出。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的选择冷却气体的步骤包括从以下气体组成的气体组中选择所述气体的步骤，该气体组为：氮气、氢气、二氧化碳、氟利昂12、氨气和六氟化硫SF₆。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的选择冷却气体的步骤还包括根据其介电特性选择所述冷却气体的步骤，以便抑制换能器内的飞弧。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述选择具有合适介电特性的冷却气体的步骤包括选择六氟化硫(SF₆)作为所述冷却气体的步骤。

5.一种使用至少两个压电元件(6；28)的超声换能器装置(1)，其中，压电元件(6；28)串联叠置，并且设有用于将它们电连接至一个交变电压源的装置(9)，交变电压被施加至压电元件的相对表面，以使它们根据电压改变其尺寸，压电元件被封装在一个气密的壳体(4，5，13)中，而且，通过壳体设有一个用于供给气体的导管(11)和一个用于排出气体的导管(13)，

其特征在于，该超声换能器包括：

在至少一对相邻的压电元件(6；28)之间设置一个气体传导装置(18；21)，用于由冷却气体冷却压电元件，所述气体传导装置具有与供给导管(11)和排出导管(13)中的一个气流连通的至少一个中心孔(16；23)，以及与供给导管和排出导管中的另一个气流连通的外周边表面，所述气体传导装置还设有至少一个通道(14；29)，由此在供给导管和排出导管之间通过气体传导装置(18；21)形成气体流动路径。

6.根据权利要求5的超声换能器装置，其特征在于，所述气体传导装置(18；21)为金属盘状元件。

7.根据权利要求6的超声换能器装置，其特征在于，所述金属盘状元件是由带有第一中心孔(23)的第一盘状板(22)和带有第二中心孔(26)的第二盘状板(24)构成的组件，所述第二盘状板(24)在一个平整表面上设有至少一个沟槽(25)，该沟槽连接该盘状元件的径向内周边和径向外周边，并且这些板是这样装配的：第一板(22)覆盖至少一个沟槽(25)，以界定通过该组件(21)的一个通道(29)。