CN201410461Y - 一种圆管形压电超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种圆管形压电超声换能器，包括由若干个短圆管复合压电换能器沿轴向用连接螺杆连接成的长圆管复合压电换能器，该长圆管复合压电换能器两端设有盖子，其特征在于：所述每个短圆管复合压电换能器包括一段压电陶瓷元件，该压电陶瓷元件外部有金属径向预应力外壳，压电陶瓷元件外壁与金属径向预应力外壳内壁紧密复合在一起，压电陶瓷元件内部设有扩张式预应力机构，相邻两个短圆管复合压电换能器内部的扩张式预应力机构电连接，相邻两个短圆管复合压电换能器的金属径向预应力外壳之间电连接。该圆管形超声换能器功率密度大、辐射效率高，能在径向全向范围内产生均匀声辐射，特别适合于液体超声处理技术领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声设备，特别涉及一种能产生径向全向声辐射的大功率径向振动圆管形压电超声换能器。
背景技术
功率超声技术在液体超声处理领域具有十分广阔的应用前景。液体超声处理是利用超声振动形式的能量在液体介质中产生空化、辐射压以及声流等物理效应对液体进行处理的一种环保节能的绿色超声应用技术。传统的液体超声处理技术，如超声清洗、超声降解等是通过在容器底部或四周粘贴一组阵列式纵向振动换能器来施加声场，由于纵向换能器振子辐射面是平面，其辐射声场指向性强，通常存在声场“盲区”，这是目前制约超声处理效能的“瓶颈”。为改善液体中声场分布的均匀性，提高声能辐射效率，已发展起来几种径向振动换能器。如：专利号为200520057492.4，名称为“洗罐用的超声棒”的实用新型专利，通过在横截面为圆形或多边形(方形或六边形)的圆管或菱管内壁均匀间隔地粘接一定数量的纵向振动压电换能器来产生径向振动。这类棒状换能器由于采用纵振换能器驱动，功率可以较大，存在的不足之处是：
(1)、纵振换能器是间隔地安装于薄壁管内壁上，因此管壁沿周向振动并非是一种均匀径向振动，而是弯曲振动，因而声能量辐射沿周向不均匀。特别对菱管形换能器，声能辐射主要集中在安装换能器的主表面方向，在近场还会出现声能辐射“盲区”；
(2)、对于频率较低的超声棒换能器，其横向尺寸(直径)将比较大，使其应用范围受到限制。
目前市场上也有名称为推拉换能器的产品，其结构是在一根圆管的两端分别固定两个纵振压电换能器，通过圆管将其两端换能器的纵向振动转换为圆管的径向振动。这种管式结构换能器同样是利用纵向换能器激励，输入功率可以较大。不足之处是：
(1)、换能器的径向振动是通过纵向和径向振动模式之间的转换获得。与单一振动模式相比，存在一个能量转换效率的问题。通常模式转换的振动能量转换效率不及单一振动模式换能器高。
(2)、圆管只能由两个换能器来驱动，因此换能器总输出功率有限。此外，圆管长度必须为半波长的整数倍，且不能做的太长。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种功率密度大、辐射效率高，能在径向全向范围内产生均匀声辐射，特别适合于液体超声处理的大功率圆管形压电超声换能器。
为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案为：
一种圆管形压电超声换能器，包括由若干个短圆管复合压电换能器沿轴向用连接螺杆连接成的长圆管复合压电换能器，该长圆管复合压电换能器两端设有盖子，其特征在于：所述每个短圆管复合压电换能器包括一段压电陶瓷元件，该压电陶瓷元件外部有金属径向预应力外壳，压电陶瓷元件外壁与金属径向预应力外壳内壁紧密复合在一起，压电陶瓷元件内部设有扩张式预应力机构，相邻两个短圆管复合压电换能器内部的扩张式预应力机构之间电连接，相邻两个短圆管复合压电换能器的金属径向预应力外壳之间电连接。
较佳的方案为所述扩张式预应力机构与压电陶瓷元件之间还设有弧形金属衬条。
所述扩张式预应力机构由狭缝式扩张管、锥形螺母和螺纹管构成，其连接关系为狭缝式扩张管与螺纹管通过锥形螺母相连接。
所述狭缝式扩张管的管壁上沿轴向等弧间隔透开若干条狭缝，管壁内侧厚度自管两端向中部线性递增呈锥面。
所述相邻两个短圆管复合压电换能器之间设有防水环，相邻两个短圆管复合压电换能器的金属径向预应力外壳之间通过金属环紧密套接实现电连接。
所述连接螺杆外部套有绝缘管。
上述技术方案的圆管形压电超声换能器的优点在于：利用压电陶瓷元件内部的扩张式预应力机构和外部的金属径向预应力外壳同时对压电陶瓷元件施加内外径向预应力，大幅提高了压电陶瓷元件的功率容量，并显著提高了该圆管形压电超声换能器的机电转换效率和超声能量辐射效率。同时，扩张式预应力机构增强了该圆管形压电超声换能器的径向抗压强度，使之还可应用于高压强技术领域，如用作深海探测声发射换能器、原油输运过程中的超声波降粘用换能器等场合，扩展了其应用范围。此外，可通过调节内部的预应力对每个短圆管复合压电换能器的谐振频率进行微调，使连接的各个短圆管复合压电换能器的谐振频率基本一致。该管形压电超声换能器尤其适用于超声清洗、超声降解水处理、声化学反应以及超声药物萃取等液体超声处理技术领域。
附图说明
图1为本实用新型圆管形压电超声换能器的结构示意图。
图2为本实用新型圆管形压电超声换能器中的弧形金属衬条示意图。
图3为本实用新型圆管形压电超声换能器中的狭缝式扩张管示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种圆管形压电超声换能器，由带端盖1的连接螺杆2穿过三个短圆管复合压电换能器3，再穿过端盖4的中心通孔与弧形螺帽5旋紧连接，中心通孔与连接螺杆2及弧形螺帽5之间设置有防水密封垫6。连接螺杆2外部套有绝缘管7，以防止高压打火。各个短圆管复合压电换能器3中含有一段压电陶瓷元件8，压电陶瓷元件8为圆管形，其极化方式为径向，内外壁为电极面。压电陶瓷元件8外部设有金属预应力外壳9，金属预应力外壳9亦为圆管形，金属径向预应力外壳9内壁与压电陶瓷元件8外壁通过热处理方式沿径向紧密复合在一起，金属径向预应力外壳9对内部的压电陶瓷元件8提供足够大的由外向内的径向预应力。每段压电陶瓷元件内壁沿周向粘贴有若干段弧形金属衬条10。如图2所示弧形金属衬条10，它的弧半径与压电陶瓷元件8的内半径一致，其作用使压电陶瓷元件8内壁受力均匀，同时作为电极。弧形金属衬条10内壁与狭缝式扩张管11相接触，狭缝式扩张管11的材料为弹簧钢，如图3所示狭缝式扩张管11，其管壁上沿轴向等弧间隔透开相当数量的狭缝，管壁内侧厚度自管两端向中部线性递增呈锥面。狭缝式扩张管11与内部的螺纹管12通过一对锥形螺母13相连接，螺纹管12两端分别加工有反向螺纹，材料为金属。锥形螺母8材料亦为金属，其外侧壁厚度变化呈锥面并与狭缝式扩张管11的内壁相吻合。狭缝式扩张管11、螺纹管12、锥形螺母13构成扩张式预应力机构，扩张式预应力机构的作用一方面是对压电陶瓷元件8提供由内向外的径向预应力，另一方面作为压电陶瓷元件8的一个电极。当顺时针或逆时针旋转螺纹管12时，可使一对锥形螺母13相向或向背移动来调整径向预应力的大小，并通过弧形金属衬条10将此预应力均匀地施加到压电陶瓷元件8的内壁上，同时也用作压电陶瓷元件内侧的一个电极。
相邻两个短圆管复合压电换能器之间设置有防水环14，相邻两个短圆管复合压电换能器的金属预应力外壳之间通过金属环15紧密套接并实现电连接，金属环15起固定和电极连接作用。相邻两个短圆管复合压电换能器内部的扩张式预应力机构中的螺纹管12之间用导线16连接，为正电极。端盖4上有穿线孔，孔内设置有防水线座17，防水线座17与穿线孔之间设置有防水密封圈18。电源线19一端的负电极穿过防水线座17后焊接在端盖4上，正电极穿过防水线座17后焊接到内部的螺纹管12上，或弧形金属衬条10上，电源线19另一端与外部超声电源正负电极相连接(图中超声电源未显示)，
上述的短圆管复合压电换能器可以是多个，具体个数依据应用中的功率大小而确定。
Claims (6)
1、一种圆管形压电超声换能器，包括由若干个短圆管复合压电换能器沿轴向用连接螺杆连接成的长圆管复合压电换能器，该长圆管复合压电换能器两端设有盖子，其特征在于：所述每个短圆管复合压电换能器包括一段压电陶瓷元件，该压电陶瓷元件外部有金属径向预应力外壳，压电陶瓷元件外壁与金属径向预应力外壳内壁紧密复合在一起，压电陶瓷元件内部设有扩张式预应力机构，相邻两个短圆管复合压电换能器内部的扩张式预应力机构之间电连接，相邻两个短圆管复合压电换能器的金属径向预应力外壳之间电连接。
2、根据权利要求1所述的圆管形压电超声换能器，其特征在于：所述扩张式预应力机构与压电陶瓷元件之间还设有弧形金属衬条。
3、根据权利要求1所述的圆管形压电超声换能器，其特征在于：所述扩张式预应力机构由狭缝式扩张管、锥形螺母和螺纹管构成，其连接关系为狭缝式扩张管与螺纹管通过锥形螺母相连接。
4、根据权利要求3所述的圆管形压电超声换能器，其特征在于：所述狭缝式扩张管的管壁上沿轴向等弧间隔透开若干条狭缝，管壁内侧厚度自管两端向中部线性递增呈锥面。
5、据权利要求1至4任一项所述的圆管形压电超声换能器，其特征在于：相邻两个短圆管复合压电换能器之间设有防水环，相邻两个短圆管复合压电换能器的金属径向预应力外壳之间通过金属环紧密套接实现电连接。
6、根据权利要求1至4任一项所述的圆管形压电超声换能器，其特征在于：所述连接螺杆外部套有绝缘管。
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