CN1739137A - 用于冷却超声换能器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷却超声换能器的方法和装置。发明的装置特征在于其包括至少一个压电堆(4)和至少两个圆柱形换能器主体(5)，且其与压电堆(4)一起形成λ/2振荡器。在多重转换器组合体中，两个独立的换能器主体(5)能够被组合形成为一个共同的换能器主体(6)且换能器主体(5，6)包括流过通道(7)，加压的冷却液能够通过其流动。独创性的冷却超声换能器的方法特征在于超声换能器的主体被加压冷却液横穿过和/或环绕。这使得在换能器中产生的热能够通过对流被直接地驱散。而且，独创性的元件在换能器与冷却液之间形成大的公共接触表面。获得了实质上比已知方法更加有效的热消散且独创性的元件也保证了高性能的连续工作。

Description

用于冷却超声换能器的方法和装置
                         技术领域
本发明涉及一种用于冷却超声换能器的方法和装置，此方法和装置具有权利要求1和6所述的技术特征。
                         背景技术
在超声换能器的工作过程中，能量损失被转换为热。这些损失一方面是由于电的损失而造成的，另一方面是由于当电能被转换为机械能时压电元件内产生的内部摩擦而造成的。已知有不同的方法能够有效的消除产生的热量。传统的冷却系统通过热传导或对流进行热传递的。在很多情况下，这两种工作原理是组合使用的。
固有地具有大的振幅的高功率超声换能器很难冷却，因为必须消除大量的热且同时不能产生更多的摩擦或额外的热量。由于冷却液易于发生气穴现象从而容易产生大量的额外能量，潜在地损坏换能器，迄今只有气体介质被成功的使用来利用对流有效地消除热量。当使用气体时需要大量的高压气体，这使得这种冷却方法很不经济。而且，冷却气体必须没有固体或液体污染物，以防止在高功率超声换能器工作的高电压下形成桥接电路导致短路。
EP0553804 A2公开了一种基于热传递的用于高频超声波变换器的冷却系统。散热器被布置在超声换能器的后面并通过导热树脂与壳体连接。热量最初被从换能器传递到散热器并从那里经过树脂到达周围的壳体，而后周围空气从壳体上带走热量。这种冷却不适用于高功率装置，也不能被用在几个微米的大振幅情况下，因为大量的能量会被传递到树脂上。
在很多情况下，超声换能器的冷却系统全部地通过布置在包围换能器壳体上的开口进行对流来消除热量(如：SONOPULS HD 60，BANDELIN electronic GmbH&Co.KG)。这种冷却方式也不适用于高功率应用。
对这样的冷却系统的一些改进已为人们所知，通过风扇或压缩空气提供额外冷却。通过这种冷却，大量的灰尘或污染物被不利地传送到壳体中，这将会增加由于导电污染物形成的桥接电路导致的电路短路的危险。已知的还有利用风扇和热交换器从内到外进行热交换的封闭系统。这些系统十分复杂并只允许消除有限的热量。
EP 0782125 A2公开了一种用于冷却高频超声换能器的配置，携带液体的导热管与布置在换能器下游侧的散热器相连接。冷却液经过连接管路被提供和去除。因此热被通过对流从散热器消除。在这样的冷却系统的具体实施例中，在转换器的周围导热管被整个或部分地形成如槽状以获得尤其大的接触表面。冷却液不会流过超声换能器，而流经与转换器接触的冷却系统。这样的配置也不适用于有效的消除高功率装置的热量。
WO 0008630 A1公开了一种消除热量的配置，特别是从高功率操作的超声换能器中。热量的消除是基于热传导和对流。换能器主体的表面设置了吸振层，此吸振层在热量传递期间会减少机械摩擦损失。一层导热材料被布置在吸振层上方。散热器被布置在导热层上，经对流冷却装置将热量从散热器上消除。这样的配置具有这样的缺陷：各层之间过渡处的温度梯度导致热量消除效率的降低。而且，换能器和冷却装置之间的最大公共接触面被限定成换能器的表面。因此，仅当提供大量的冷却液时超声换能器才能够在高功率下连续工作，这使得该方法很不经济。
U.S.5,936,163公开了一种超声换能器，其被使用在高温环境，如反应堆与蒸汽管。为了消除从周围传入换能器的热量，超声换能器的主体通过循环冷却介质进行冷却。
这些已知的方案都会防碍超声换能器在高功率下连续工作和/或倾向于仅在降低效率的情况下允许连续工作。
                          发明内容
因此本发明的一个目的是为了提供一种用于冷却超声换能器的方法和装置，其能够比之前已知的装置更加有效地消除由于热量损失产生的热量，且因此能够使超声换能器可靠与经济地连续工作，甚至在高功率水平下连续工作。
本发明通过具有权利要求1中所叙述特征的方法与具有权利要求8所叙述特征的装置的来实现这个目的。如本发明所述的用于冷却超声换能器的方法，其特征在于，冷却液流过和/或环绕地流过超声换能器的主体。通过这样的方法，在换能器中产生的热量直接通过对流被方便地消除。不需要经过散热器的热传导。穿过换能器的液流在换能器和冷却液之间提供了很大的公共接触表面。比传统方法更加有效地消除热量，因此根据本发明的技术手段允许超声换能器在高功率水平上连续工作。
较佳地，在本方法的范围内，确定冷却液的压力以便减小或防止气穴现象。最好地，压力被设置在2到20bar的范围内，优选5bar。这个方法有效地降低了由于气穴现象损坏装置的风险并降低或甚至阻止了能够产生额外能量的气穴现象。
冷却液的压力能够通过合适地确定流过通道和/或通过气压而得出。
而且，在本发明的方法的内容中，穿过超声换能器主体的液流被从内部区域向外部区域提供，由此液流压力在内部区域被建立且冷却液经壳体被排出，或从外部区域到内部区域，其中压力在外部区域内被建立且冷却液经内部区域被排出。本方法从换能器消除热量尤其有效。而且，为了消除气穴现象，可在内部区域和外部区域中都产生压力，由此必须在内部区域和外部区域之间建立压力梯度以允许冷却液流动。
同时，冷却液最好地能够在内部区域中和/或外部区域中绕着超声换能器的主体流动，因为经对流热量被由此从换能器表面消除。
内部区域在这里被定义为拉杆和换能器主体之间的空腔，而外部区域被定义为换能器主体和壳体之间的空间。
而且，在本发明的方法的内容中，冷却液可以是非导电的液体以阻止电路短路。
根据本发明的用于冷却超声换能器的装置较佳地包括至少一个压电堆和至少两个圆柱形换能器主体，且该换能器主体与压电堆形成λ/2振荡器，其中多重换能器的组合能够通过将两个换能器主体组合为单一换能器主体而形成，且其中至少两个换能器主体中的至少一个包括至少一个流过通道，在压力作用下冷却液能够流过此流动通道。这样，在换能器中产生的热量能够方便地直接通过对流消除。不需要经过散热器的热传导。而且，根据本发明的的技术手段，能够在换能器与冷却液之间实现很大的公共接触面。这种热量消除形式比传统方法更加有效，所以本发明的技术手段使得超声换能器能够在高功率水平上连续工作。
根据本发明的较佳实施例，冷却液的压力被确定以减少或甚至阻止气穴现象。最好地，在2到20bar的范围内调节压力，优选压力为5bar。这个方法有效地降低了由于气穴现象损坏装置的风险并降低或甚至阻止了能够产生额外能量的气穴现象。
而且，根据本发明的较佳实施例，至少一个流通管道形成为槽，这在换能器主体和冷却液之间提供了尤其大的公共接触面，提高了热消除效率。
根据本发明的另一个较佳实施例，装置包括布置在至少两个转换器主体的空腔中的拉杆和至少两个开口和至少一个导向通道，导入的加压冷却液能够流过此导向通道。冷却液由此能够以特别简单和一致的方式被导入空腔。
另外，根据本发明的另一个较佳实施例，冷却液能够通过至少一个导向通道被提供且通过至少一个流过通道排出。较佳地，冷却液也能够通过至少一个流过通道被提供且经过布置在拉杆上的至少一个导向通道被排出。通过这样的方法，冷却液能够以尤其直接的方式从内部区域到外部区域，或从外部区域到内部区域流过换能器主体。
而且，根据本发明的一个较佳实施例，装置包括液体密封壳体。壳体的配置，一方面，是为了保护换能器的活性元件，另一方面，代表了尤其有利的收容与导向冷却液的选择。
而且，根据本发明的较佳实施例，装置包括与壳体和/或与喇叭和/或与端块连接的法兰。此法兰容易地与壳体相连。而且，电极臂喇叭是与超声极连接的尤其有利的选择。
根据本发明的另一较佳实施例，装置包括至少一个冷却液管线接头，通过其冷却液能够流进换能器空腔和/或被从换能器主体的空腔中排出。通过这样的方法，空腔能够简单地与冷却液供应装置连接且容易地提供冷却液。
根据本发明的另一较佳实施例，装置具有至少一个冷却液管线接头，通过其冷却液能够流进至少一个导向通道和/或能够被从至少一个导向通道中排出。通过这样的方法，导向通道能够简单地与冷却液供应装置连接且容易地提供冷却液。
而且根据本发明地另一较佳实施例，装置具有至少一个冷却液管线接头，通过其冷却液能够流进壳体和/或能够从壳体中排出。通过这样的方法，壳体能够简单地与冷却液供应装置连接且容易地提供冷却液。
最后，还是根据本方明地另一较佳实施例，冷却液能够至少部分地环绕内表面和/或至少部分地环绕至少两个换能器主体中的至少一个的外表面流动。通过这样的方法，经对流热被从换能器主体有效地消除了。
根据本发明的另一实施例，换能器主体不包括流过通道。在这个实施例中，冷却液只环绕换能器主体流动，且内部空间通过连接通道与外部空间相连。
本发明的其它较佳实施例包括其它从属权利要求叙述的特征。
                            附图说明
下面将参考相关的附图对本发明的实施例进行描述。如下所示：
图1为具有轴向布置的冷却液供应管线的冷却装置的超声换能器的截面示意图；
图2为具有两个径向布置的冷却液供应管线的冷却装置的超声换能器的截面示意图；以及
图3为不具有流过通道，但有连接通道的冷却装置的超声换能器的截面示意图。
                            具体实施方式
图1显示了超声换能器的纵向截面示意图，其中包括根据本发明的用于冷却超声换能器的装置。超声换能器由圆柱形换能器主体5，6以及布置在相应的换能器主体的端面之间的压电堆4构成。换能器主体5，6中的几个被构成单一换能器主体6，其中在每个端面上布置有独立的压电堆4。独立压电堆4中的一个与换能器主体5中的一个连接且与单一换能器主体6中的一个的任一半或两个单一换能器主体6的一半形成λ/2振荡器。换能器主体5，6具有径向延伸的流过通道7。换能器主体5，6与压电堆4交替布置在具有端螺纹的拉杆3上。这样的布置通过布置在拉杆3两侧的两个螺纹端块10被固定且拉紧，且每一个端块10被旋在拉杆3的端螺纹上。拉杆3包括冷却液的导向通道13。在导向通道13的一端配置了与冷却液管线1的接头，这形成了冷却液的供应管线1。拉杆具有出口用于冷却液流出导向通道进入换能器主体的空腔11中。相对的端块10连接喇叭8，该喇叭8能够连接超声极并发送换能器产生的机械振荡。该装置配置了液体密封壳体12以容纳冷却液，其与法兰9相连以安装在外部系统中。法兰9与喇叭8相连。法兰有用于冷却液管线2的接头，这形成将冷却液从壳体12中排出的排出管线2。冷却液供应管线1穿过壳体12。冷却液在压力下通过供应管线1被导入拉杆3的导向通道13。冷却液通过导向通道13被供应进入换能器主体的空腔11。然后冷却液流经换能器主体最终通过换能器主体5，6的流过通道7。换能器产生的热量由此通过对流直接传输到冷却液。从流过通道7出来的冷却液被收集在壳体12中而后通过排出管线2从装置中排出。通过这样的方法，超声换能器能够被比传统的方法更加有效的冷却。本发明的方法也能够使超声换能器在高功率下连续工作。
换能器主体的寿命能够被延长和/或经过槽状流过通道7的流动能够通过配置开口得到改进，例如在流过通道7的端部的圆形孔。较佳地，孔的直径大于槽的宽度。
图2显示了具有根据本发明另一实施例的超声换能器的冷却装置的超声换能器设计的纵向截面示意图，其基本上对应于图1的描述。但是，与图1的实施例不同，布置了两个冷却液供应管线1，且每一个从外部经过壳体12与端块10径向延伸进入拉杆3与换能器主体5，6之间的空腔11。连接冷却液管线与空腔11的接头1在这里被布置在换能器的两侧。然后冷却液在压力下从相对端被导入空腔11且经流过通道7被排出。与图1的布置相比，这样的布置有利于在装置的整个长度上更加均匀地消除热量。因此，超声换能器比图1描述的实施例更加有效的冷却。
图3显示了本发明的另一实施例，其中换能器主体5，6缺少流过通道7。但是，内部空间11通过连接通道15与外部空间相连。在第一个变型中，冷却液通过供应管线1供应，经过导向通道13到达内部空间11，环绕换能器主体5，6流动，冷却它们，然后通过连接通道15排出到外部空间11，且经过外部空间14与排出管线2被排出。在这个变型中，只有换能器主体5，6的内部被冷却。另一方面，在第二个变型中，只有换能器主体5，6的外部被冷却，使用通过壳体供应管线1a和圆环管线17供应的冷却液。通过壳体供应管线1a供应的冷却液被均匀的供应并通过圆环管线17分配，而后绕着换能器5，6的外部流动，且在被通过排出管线2排出之前在这里形成至少一个冷却液层。
在第三个变型中，换能器主体5，6的内部表面与外部表面能够通过供应管线1供应冷却介质进入内部空间11和通过壳体供应管线1a进入外部空间14被冷却。
通过供应管线1提供的用于冷却内部表面的冷却介质和通过壳体供应管线1a的用于冷却换能器主体5，6的冷却介质通过排出管线2排出。
本实施例通过气压接头16在壳体12内产生气压来防止气穴现象，在本实施例中气压为6bar。
本发明不局限于所描述的实施例与改进。通过组合前述的方法和特征能够实现其它实施方式和改进，而不脱离本发明的范围与精神。
符号说明：
1冷却液管线接头，供应管线
1a壳体供应管线
2冷却液管线，排出管线
3拉杆
4压电堆
5换能器主体
6单一换能器主体
7流过通道
8喇叭
9法兰
10端块
11空腔，内部空间
12液体密封壳体
13引导通道
14外部空间
15连接通道
16气压接头
17圆环管线

Claims (13)

1.一种通过消除能量损失产生的热量来冷却超声换能器的方法，其特征在于，冷却液流过和/或环绕超声换能器的主体流动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在冷却液中产生压力，通过确定压力大小以减少或阻止气穴现象。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过确定流过通道和/或通过气压产生压力。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，冷却液的压力被调节在2-20bar的范围内，最好为5bar。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，冷却液通过超声换能器的主体从内部区域流到外部区域或从外部区域流到内部区域。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，冷却液环绕着超声换能器的内部区域和/或超声换能器的外部区域流动。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，冷却液是不导电的液体。
8.一种用于冷却超声换能器的装置，包括至少一个压电堆(4)和至少两个圆柱形换能器主体(5)，该换能器主体(5)与压电堆(4)一起形成λ/2振荡器，其中两个相对应的换能器主体能够被组合成多重换能器配置以形成单一换能器主体(6)，其特征在于，换能器主体(5，6)被内部空间(11)与外部空间(14)环绕，且至少两个换能器主体(5，6)中的至少一个包括至少一个流过通道(7)，在压力作用下导入的冷却液能够流过该流过通道(7)流动，和/或至少一个连接通道(15)被布置在内部空间(11)和外部空间(14)之间。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，确定压力大小以减少或防止气穴现象，且压力被调节在2-20bar的范围内，最好为5bar。
10.根据权利要求8和9中的任一项所述的装置，其特征在于，至少一个流过通道(7)被形成为槽，且所述装置包括布置在由至少两个换能器主体(5，6)形成的空腔(11)中的拉杆(3)，该拉杆具有至少一个开口和至少一个导向通道(13)，在压力作用下导入的冷却液能够通过该导向通道(13)流动，所述冷却液能够通过至少一个导向通道(13)被提供和通过至少一个流过通道(7)被排出，且所述冷却液也能够通过至少一个流过通道(7)被提供和通过布置在拉杆(3)内的至少一个导向通道(13)被排出。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括液体密封壳体(12)和法兰，该法兰与壳体(12)和喇叭(8)连接，且该装置包括至少一个相对应的冷却液管线接头(1，2)，通过该接头冷却液能够流进空腔(11)和/或从空腔(11)中排出，或者该装置包括至少一个相对应的冷却液管线接头(1，2)，通过该接头冷却液能够流进至少一个导向通道(13)和/或从至少一个导向通道(13)中排出，或者该装置包括至少一个相对应的冷却液管线接头(1a，2)，通过该接头冷却液能够流进壳体(12)和/或从壳体(12)中排出。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的装置，其特征在于，冷却液能够绕至少环着至少两个换能器主体(5，6)中的至少一个的一部分内表面和/或至少一部分外表面流
13.根据权利要求8至12中的任一项所述的装置，其特征在于，开口被布置在流过通道(7)的末端，其开口的直径比流过通道(7)的宽度大。
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