CN212441928U - 翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及超声波换能器技术领域，具体涉及一种翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置。所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，包括换能器腔体、接线腔体、线圈绕组、磁致伸缩材料和振子块，线圈绕组、磁致伸缩材料的整体以及振子块的一部分位于换能器腔体内部；换能器腔体的换能器腔体外壳为带有翅片的圆筒型结构，其一端安装振子块，另一端安装上盖板，内部剩余空间采用石英砂填充；磁致伸缩材料的自由端涂覆有吸声材料层。本实用新型的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，避免了采用冷却水或冷却液冷却方式可能出现的泄漏问题，降低了生产管理成本，确保了工业用超声波换能器的长周期稳定工作。

Description

翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置

技术领域

本实用新型涉及超声波换能器技术领域，具体涉及一种翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置。

背景技术

磁致伸缩材料能量密度高，导热性相对较好，由其制造的功率超声换能器功率很大，已经逐渐应用于原油电脱盐工业。由于此类换能器总处在高强度高频率磁场中工作，各种损耗很严重，带来的热量非常大，而磁致伸缩材料对外界温度又很敏感，为了达到超声波换能器的长周期的稳定性工作与超声波输出的一致性，需要对其进行冷却。

现有技术通常采用风冷或循环水冷却的冷却方式。其中自然风冷却或强制风扇冷却不能满足较大功率的长周期生产要求；循环水冷却不仅浪费水资源，且工艺流程复杂，生产管理难度大。例如专利US 9142751B2中公开了一种压电陶瓷型换能器的冷却装置，采用双层夹套式结构，内层采用固体绝缘导热胶填充，外层采用冷却水循环流动散热；这种循环冷却水冷却方式不仅浪费水资源，消耗动力，而且多组超声波换能器需要复杂的循环水管道，工艺流程复杂，生产管理难度大，冷却水的结垢堵塞、腐蚀泄漏、冻凝均可影响换能器的冷却效果与工作状态。

专利CN201920820262.0和CN201910475380.7公开了一种改进后不采用循环水冷却的方式，采用腔体填充冷却液的方式实现，节省水资源和动力消耗，避免发生冷却水结垢堵塞、腐蚀泄漏、冻凝影响换能器的冷却效果与工作状态的情况。但是这种方式还存在以下缺陷：其所用冷却液为水、乙醇、丙醇、乙二醇、甘油等冷却剂，冷却液的声阻抗较小，部分声能以发热的形式消耗在冷却液中；冷却液腔体随着温度的升高易于导致冷却液泄漏，需要定期检查冷却液是否泄露，增加了生产操作人员的工作量；一旦发现冷却液泄漏，需要停工维护灌装冷却液，影响了工业用超声波换能器的长周期稳定工作。

现有的超声波换能器的冷却方式在一定程度上限制了超声波换能器的工业应用与发展。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，避免了采用冷却水或冷却液冷却方式可能出现的泄漏问题，简化了冷却工艺流程，降低了生产管理成本，确保了工业用超声波换能器的长周期稳定工作。

本实用新型所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，包括换能器腔体、接线腔体、线圈绕组、磁致伸缩材料和振子块，线圈绕组、磁致伸缩材料的整体以及振子块的一部分位于换能器腔体内部；所述换能器腔体的换能器腔体外壳为带有翅片的圆筒型结构，其一端安装振子块，另一端安装上盖板，内部剩余空间采用石英砂填充；所述磁致伸缩材料的自由端涂覆有吸声材料层。

以上结构设计将自由端涂覆有吸声材料层磁致伸缩材料与线圈绕组完全浸没在石英砂中，振子块在换能器腔体内的大部分也被石英砂浸没，石英砂能够快速将磁致伸缩材料、线圈绕组、振子块产生的热量传导至换能器腔体外壳，换能器腔体外壳的翅片结构有利于换能器腔体外壳的热量迅速散热。

振子块上设置有与喇叭型超声波发射端面连接的连接螺纹孔，与喇叭型超声波发射端面通过丝杠连接，端面用耦合剂耦合，耦合剂为超声波换能器连接用常规耦合剂。

振子块通过振子块密封圈和压紧密封螺栓安装在换能器腔体外壳的一端。

接线腔体包括接线腔盖和防爆软管接口，接线腔盖通过接线腔盖密封圈和接线腔盖固定螺栓安装在上盖板上。

上盖板设置有引线螺纹孔，引线螺纹孔内安装有中空压紧螺栓，线圈绕组的引线通过中空压紧螺栓从换能器腔体通入接线腔体。

线圈绕组采用绝缘护套的导线，线圈绕组的引线通过内开孔的中空压紧螺栓与螺孔压紧密封换能器腔体的上盖板，实现换能器腔体与外部隔离；线圈绕组的引线与超声波发生器连接，超声波发生器置于安装超声波发生器的防爆柜中，达到防火防爆的现场要求。

上盖板通过上盖板密封圈和上盖板固定螺栓安装在换能器腔体外壳的一端。

在装填石英砂时，先确认中空压紧螺栓将线圈绕组的引线压紧后，再打开盖板向换能器腔体中装填石英砂，装填过程中用振动盘振动保证填充密实。

石英砂的SiO2含量≥98wt％。

吸声材料层的厚度≤1mm。吸声材料优选为导热硅胶。

翅片高度为15-30mm，厚度为3-5mm，相邻翅片的间距为3-5mm。可以根据不同材质决定其尺寸参数，在保证机械强度前提下扩大散热面积。

换能器腔体外壳和上盖板为金属材质。

金属材质可以是铜材质、铝合金材质、不锈钢材质、碳钢材料等金属材质，依据散热要求选用不同的材料。

优选地，金属材质为表面做氧化处理的铝合金材质，其散热效果好，表面做氧化处理能够耐腐蚀，外形美观，适用于工业场合应用。

所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置的工作过程如下：

设置换能器腔体和接线腔体，线圈绕组、磁致伸缩材料的整体以及振子块的一部分位于换能器腔体内部，磁致伸缩材料的自由端涂覆有吸声材料层，振子块上设置有连接螺纹孔；

换能器腔体外壳设置为带有翅片的圆筒型结构，振子块通过振子块密封圈和压紧密封螺栓安装在换能器腔体外壳的一端，先将线圈绕组的引线通过上盖板上安装的中空压紧螺栓从换能器腔体通入接线腔体，再通过换能器腔体外壳的另一端向换能器腔体内装填石英砂，装填满之后通过上盖板密封圈和上盖板固定螺栓将上盖板安装在换能器腔体外壳端面上，然后通过接线腔盖密封圈和接线腔盖固定螺栓将接线腔盖安装在上盖板上；

振子块通过连接螺纹孔连接超声波发射端面，线圈绕组的引线连接超声波发生器，超声波换能器工作时，冷却散热过程为：线圈绕组、磁致伸缩材料、振子块的热量—石英砂冷却—换能器腔体外壳及其翅片散热—空气冷却散热，线圈绕组、磁致伸缩材料、振子块的热量最终在空气中散热，实现超声波换能器的冷却。

所述装置适用于电功率500W以下的磁致伸缩型超声波换能器的工业应用场合，尤其适用于超声波原油电脱盐的工业应用场合。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

(1)本实用新型的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，无需使用冷却水或冷却液进行冷却，简化了冷却工艺，节省了设备安装的费用及公用工程投资费用，且避免了因冷却水或冷却液泄漏带来的设备损坏和安全隐患问题；

(2)本实用新型采用石英砂对换能器产生的热量进行传导，并通过带翅片的圆筒型结构腔体外壳将入量快速扩散到空气中，大大提高了换能器在使用过程的冷却效率；

(3)本实用新型在磁致伸缩材料的自由端面上涂覆吸声材料层，减少了磁致伸缩材料工作时自由端面声能的无效损耗，提高了电声转换效率；

(4)本实用新型的冷却装置适用于500W以下的电功率的磁致伸缩型超声波的工业应用场合，尤其适用于超声波原油电脱盐的工业应用场合，符合工业应用要求，保障了超声波换能器长周期稳定运行。

附图说明

图1是本实用新型的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置的装配示意图；

图2是本实用新型的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置的石英砂灌装示意图；

图3是本实用新型的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置的安装应用示意图；

图4是本实用新型的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置的电脱盐应用示意；

图5是本实用新型的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置安装变幅杆后端面振幅测量示意图；

图中：1、换能器腔体外壳；2、振子块；3、连接螺纹孔；4、压紧密封螺栓；5、振子块密封圈；6、翅片；7、线圈绕组；8、换能器腔体；9、磁致伸缩材料；10、吸声材料层；11、上盖板密封圈；12、上盖板；13、上盖板固定螺栓；14、接线腔盖密封圈；15、接线腔盖固定螺栓；16、接线腔体；17、中空压紧螺栓；18、接线腔盖；19、防爆软管接口；20、引线螺纹孔；21、石英砂；22、翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置；23、超声波作用区管道；24、超声波作用区；25、脱前原油管线；26、静态混合器；27、混合阀；28、脱后原油管线；29、电脱盐罐；30、DCS中心；31、安装超声波发生器的防爆柜；32、超声波发生器；33、功率输出电缆；34、聚能变幅工具头；35、超声波振幅测量仪。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型的保护范围不仅限于此。

实施例1

如图1-2所示，本实用新型的一种翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，包括换能器腔体8、接线腔体16、线圈绕组7、磁致伸缩材料9和振子块2，线圈绕组7、磁致伸缩材料9的整体以及振子块2的一部分位于换能器腔体8内部，其特征在于：所述换能器腔体8的换能器腔体外壳1为带有翅片6的圆筒型结构，其一端安装振子块2，另一端安装上盖板12，内部剩余空间采用石英砂21填充；所述磁致伸缩材料9的自由端涂覆有吸声材料层10。

振子块2上设置有连接螺纹孔3。

振子块2通过振子块密封圈5和压紧密封螺栓4安装在换能器腔体外壳1的一端。

上盖板12通过上盖板密封圈11和上盖板固定螺栓13安装在换能器腔体外壳1的一端。

接线腔体16包括接线腔盖18和防爆软管接口19，接线腔盖18通过接线腔盖密封圈14和接线腔盖固定螺栓15安装在上盖板12上。

上盖板12设置有引线螺纹孔20，引线螺纹孔20内安装有中空压紧螺栓17，线圈绕组7的引线通过中空压紧螺栓17从换能器腔体8通入接线腔体16。

吸声材料层10的厚度≤1mm，材质为导热硅胶。

翅片6高度可以为15-30mm范围内的任意值，厚度可以为3-5mm范围内的任意值，相邻翅片的间距可以为3-5mm范围内的任意值。

换能器腔体外壳1和上盖板12为金属材质。

所述工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置的冷却方法如下：

设置换能器腔体8和接线腔体16，线圈绕组7、磁致伸缩材料9的整体以及振子块2的一部分位于换能器腔体8内部，磁致伸缩材料9的自由端涂覆有吸声材料层10，振子块2上设置有连接螺纹孔3；

换能器腔体外壳1设置为带有翅片6的圆筒型结构，振子块2通过振子块密封圈5和压紧密封螺栓4安装在换能器腔体外壳1的一端，先将线圈绕组7的引线通过上盖板12上安装的中空压紧螺栓17从换能器腔体8通入接线腔体16，再通过换能器腔体外壳1的另一端向换能器腔体8内装填石英砂21，装填满之后通过上盖板密封圈11和上盖板固定螺栓13将上盖板12安装在换能器腔体外壳1端面上，然后通过接线腔盖密封圈14和接线腔盖固定螺栓15将接线腔盖18安装在上盖板12上；

振子块2通过连接螺纹孔3连接超声波发射端面，线圈绕组7的引线连接超声波发生器，超声波换能器工作时，冷却散热过程为：线圈绕组7、磁致伸缩材料9、振子块2的热量—石英砂21冷却—换能器腔体外壳1及其翅片6散热—空气冷却散热，线圈绕组7、磁致伸缩材料9、振子块2的热量最终在空气中散热，实现超声波换能器的冷却。

实施例2

如图1-2所示，按以下参数加工翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，换能器腔体外壳1和上盖板12采用AL7075型铝合金材料，换能器腔体外径

翅片6厚度5mm、高度15mm，相邻翅片6间距5mm，翅片段散热面积0.23m²。

如图3-4所示，将上述翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置应用于800万吨超声波防止电脱盐罐油泥淤积的三级电脱盐罐，每个超声波作用区管道安装2套本实用新型的冷却装置，每级电脱盐罐有4个超声波作用区管道，三级电脱盐罐共安装24套冷却装置，换能器工作频率为19.2KHz，有效电功率区间为200-450W之间。

按照图3所示，将翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置22水平安装在超声波作用区管道23的两端。

按照图4所示，将包括上述超声波作用区管道23的超声波作用区24安装在脱前原油进电脱盐罐的静态混合器26与混合阀27之后的管路上，脱前原油从脱前原油管线25进入静态混合器26，经超声波作用区24作用后进入电脱盐罐29，再通过脱后原油管线28排出，超声波作用区24与安装超声波发生器的防爆柜31相连，通过DCS中心30集中控制。

应用试验3年效果显示：本实用新型的冷却装置运行稳定，未出现故障，实际测量热源中心到翅片散热器表面温度端差全部≤30℃，散热效果良好，保证了超声波换能器长周期稳定运行，满足500W以下电功率的磁致伸缩型超声波在石化炼油厂的超声波原油电脱盐中的工业生产场合使用要求。

与冷却水循环冷却装置相比，节约了水资源，节省了动力消耗和设备安装的公用工程投入费用。

与冷却液自循环冷却装置相比，采用石英砂传导方式传热冷却，消除了由于冷却液温度升高导致的腔体压力增大的风险。

实施例3

如图1-2所示，按以下参数加工翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，换能器腔体外壳1和上盖板12采用AL7075型铝合金材料，换能器腔体外径

翅片6厚度5mm、高度15mm，相邻翅片6间距5mm，翅片段散热面积0.23m²。

如图3-4所示，将上述翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置应用于国内热带地区某石化公司500万吨超声波电脱盐破乳的二级电脱盐罐应用，共采用8套本实用新型的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器的冷却装置，替换原专利CN2019104753807中公开的冷却液冷却装置，换能器工作频率为19.2KHz。

其安装方法与实施例2相同。

应用试验2年效果显示：本实用新型的冷却装置在运行期间未出现故障，完全节省了对换能器冷却液渗漏的日常巡查及定期检查工作，消除了由于冷却液温度升高导致的腔体压力增大的风险，同时其散热效果在夏天高温环境下也保持良好，实际测量热源中心到翅片散热器表面温度端差全部≤30℃，满足高温环境的工业生产场合使用要求。此外，采用原冷却装置的换能器电功率范围为250-450W，更换为本实用新型的冷却装置后，换能器电功率保持在200-400W范围内就能达到同样的效果，电声转换效率提高10％以上。

实施例4

如图1-2所示，按以下参数加工翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，换能器腔体外壳1和上盖板12采用AL7075型铝合金材料，换能器腔体外径

翅片6厚度5mm、高度15mm，相邻翅片6间距5mm，翅片段散热面积0.23m²。

将4套该翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器的冷却装置应用于某石化企业60万吨/年凝析油超声波破乳装置，换能器工作频率为19.2KHz，换能器工作有效电功率范围为200-400W。

应用试验2年效果显示：通过对换能器散热表面温度的跟踪测量，其表面温度低于70℃，换能器工作稳定、性能良好。

实施例5

某石化公司500万吨/年常减压电脱盐装置，共安装8套磁致伸缩型超声波换能器，其在2012年至2017年采用传统循环水冷却装置，冬季需要对换能器循环水套采取防冻保温措施(防止水套冻裂，冷却水泄漏)，日常需要经常进行检修；2018年至今采用本实用新型实施例1的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，换能器腔体外壳1和上盖板12采用AL7075型铝合金材料，换能器腔体外径

翅片6厚度5mm、高度15mm，相邻翅片6间距5mm，翅片段散热面积0.23m²；换能器工作频率为19.5KHz，电功率为208-400W。

应用对比效果显示：本实用新型的冷却装置和循环水冷却装置在冷却方面效果相似，散热效果均保持良好，实际测量热源中心到翅片散热器表面温度端差全部≤30℃；但替换本实用新型的冷却装置后，节省了水资源2万吨/年，产生直接经济效益2万元/年，同时节省了水泵动力消耗约2万元/年，也节省了人工维护成本、避免了冷却水泄露的风险，保证了8套超声波换能器装置全天候稳定、可靠地生产运行，实施后电脱盐脱后含盐长期稳定在2mg/L以下，保障了电脱盐的高效稳定生产。

实施例6

如图5所示，超声波发生器32通过功率输出电缆33连接至前端安装聚能式变幅工具头34的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置22，利用超声波振幅测量仪35测量其端面振幅。

在相同输入功率条件下，分别对磁致伸缩材料自由端面是、否涂覆吸声材料层(0.8mmK-5204型导热硅胶)的两种换能器的振幅进行测量比较。结果显示：磁致伸缩材料自由端面涂覆吸声材料层后，换能器端面振幅提高10％以上，提高了换能器的电、声转换效率。

Claims (9)

1.一种翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，包括换能器腔体(8)、接线腔体(16)、线圈绕组(7)、磁致伸缩材料(9)和振子块(2)，线圈绕组(7)、磁致伸缩材料(9)的整体以及振子块(2)的一部分位于换能器腔体(8)内部，其特征在于：所述换能器腔体(8)的换能器腔体外壳(1)为带有翅片(6)的圆筒型结构，其一端安装振子块(2)，另一端安装上盖板(12)，内部剩余空间采用石英砂(21)填充；所述磁致伸缩材料(9)的自由端涂覆有吸声材料层(10)。

2.根据权利要求1所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，其特征在于：振子块(2)上设置有连接螺纹孔(3)。

3.根据权利要求1所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，其特征在于：振子块(2)通过振子块密封圈(5)和压紧密封螺栓(4)安装在换能器腔体外壳(1)的一端。

4.根据权利要求1所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，其特征在于：上盖板(12)通过上盖板密封圈(11)和上盖板固定螺栓(13)安装在换能器腔体外壳(1)的一端。

5.根据权利要求1所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，其特征在于：接线腔体(16)包括接线腔盖(18)和防爆软管接口(19)，接线腔盖(18)通过接线腔盖密封圈(14)和接线腔盖固定螺栓(15)安装在上盖板(12)上。

6.根据权利要求1所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，其特征在于：上盖板(12)设置有引线螺纹孔(20)，引线螺纹孔(20)内安装有中空压紧螺栓(17)，线圈绕组(7)的引线通过中空压紧螺栓(17)从换能器腔体(8)通入接线腔体(16)。

7.根据权利要求1所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，其特征在于：吸声材料层(10)的厚度≤1mm。

8.根据权利要求1所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，其特征在于：翅片(6)高度为15-30mm，厚度为3-5mm，相邻翅片(6)的间距为3-5mm。

9.根据权利要求1所述的翅片式工业用磁致伸缩型超声波换能器冷却装置，其特征在于：换能器腔体外壳(1)和上盖板(12)为金属材质。

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