CN217615846U - 一种具有相变散热的聚焦超声换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有相变散热的聚焦超声换能器。本实用新型采用凹面聚焦超声换能器的密封罩壳的后端面直接作为平板热管的蒸发面，并将蒸发面吸液芯直接烧结于密封罩壳的后端面上，在平板热管的冷凝面的上表面直接加工出微通道，上层密封盖板直接密封在冷凝面的上表面，并在其下表面烧结一层冷凝面吸液芯；无需均匀涂抹一层导热硅脂，减少了繁琐的贴合工艺，同时显著减少系统热阻，提升散热效率，进而减小换能器内部高温，延长了换能器的使用寿命及可靠性；采用相变传热的平板热管，能够将换能器内部高温均匀快速的传导出来；利用微通道实现高效散热，提高系统散热效率；本实用新型工艺简单，结构紧凑，体积小，能够显著减小界面传热热阻。

Description

一种具有相变散热的聚焦超声换能器

技术领域

本实用新型涉及聚焦超声换能器技术，具体涉及一种具有相变散热的聚焦超声换能器。

背景技术

换能器发热根本原因：①源于材料的机械损耗及其自身存在的介电损耗；②压电材料在高频交变电场作用下发热而导致其温度升高；③换能器负载变化与电源间阻抗失配引起的功率损耗而发热。

高温引起的不良后果：换能器内部温升会大幅缩短压电材料的寿命，引起超声换能器输入阻抗、电容等机电参数变化，导致其共振频率产生漂移、位移振幅衰减及机电转换效率下降。高温会导致压电材料退极化，造成振动系统的崩溃。

从已有技术的文献检索发现，公开号为CN102357455B，名称为“具有热管冷却装置的大功率超声波换能器”的中国发明专利，公开了一种利用热管的高效传热特性将大功率超声波换能器工作时产生的热量带走，确保换能器在正常的温度范围内安全高效运行，并延长超声波换能器寿命。该冷却装置由蒸发段、中间段、冷凝段、导液芯和导热肋片等组成，利用热管相变传热原理形成散热循环，不断带走超声波换能器内部热量。但此冷却装置的蒸发段内表面与超声波辐射头及其后盖板的接触面需涂抹一层导热硅脂，均匀涂抹导热硅脂工艺较为繁琐，且其导热系数(约3W/m.k)较小，界面热阻较大；另外，此类热管冷却装置在重力作用下实现液态工质回流，使超声换能器的工作角度严重受限。专利CN206160786U同样具有上述缺陷。专利CN106767067B和CN106196704A等公开的基于热管相变传热的超声换能器，蒸发段与换能器热源接触面仍需涂抹导热硅脂，界面热阻较大；另外，散热系统均较为复杂，不利于实际应用推广。现在已上市的某聚焦超声换能器采用的是半导体热电致冷结合微通道的水冷散热方式，吸热和放热的大小是通过电流的大小及半导体元件的对数决定的，但由于半导体自身存在电阻，电流经过时其自身会产热，又因其外包材料一般为导热性能差的绝缘陶瓷材料，从而影响其热传递，使其制冷效果降低；另外，热电制冷片与换能器热源接触面和微通道底面之间均需涂抹一层导热硅脂，涂抹硅脂工艺繁琐，引入了两个较大的界面热阻。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型提出了一种具有相变散热的聚焦超声换能器，在不影响聚焦超声换能器工作性能的前提下，在凹面超声换能器的机械结构上直接集成平板热管微通道复合散热器。利用该复合散热器高效的传热特性将聚焦超声换能器工作时内部产生的热量带走，确保换能器在合适的温度范围内安全高效且较长时间运行。

本实用新型的具有相变散热的聚焦超声换能器包括：凹面聚焦超声换能器和平板热管微通道复合散热器；在凹面聚焦超声换能器的后端面设置平板热管微通道复合散热器；

凹面聚焦超声换能器包括密封罩壳、凹形压电陶瓷元件、正电极层、负电极层和匹配层；其中，密封罩壳为具有后端面且前端面开口的筒状结构；在凹形压电陶瓷元件的两侧表面分别覆盖有正电极层和负电极层，覆盖有正电极层和负电极层的凹形压电陶瓷元件固定安装在密封罩壳内，凹形压电陶瓷元件的凹面朝向密封罩壳的前端面；密封罩壳的前端面密封连接匹配层；

平板热管微通道复合散热器包括蒸发面腔体侧壁、蒸发面吸液芯、冷凝面、微通道、冷凝面吸液芯、液体工质和上层密封盖板；其中，密封罩壳的后端面的外表面设置有与密封罩壳的后端面连接为一体蒸发面腔体侧壁；密封罩壳的后端面位于蒸发面腔体侧壁内的外表面作为蒸发面，在蒸发面以及蒸发面腔体侧壁的内壁上形成蒸发面吸液芯；在冷凝面的上表面设置有多条微流道，在冷凝面的下表面形成冷凝面吸液芯，冷凝面的外边缘尺寸不小于蒸发面腔体侧壁的内壁尺寸；冷凝面的下表面与蒸发面腔体侧壁的顶部密封连接，从而在冷凝面吸液芯与蒸发面吸液芯之间形成腔体；在蒸发面腔体侧壁上开设有抽真空注液口，通过抽真空注液口向腔体内部注入液体工质；蒸发面、蒸发面吸液芯、冷凝面、冷凝面吸液芯和液体工质构成平板热管；在冷凝面的上表面密封设置上层密封盖板从而在冷凝面与上层密封盖板之间形成微通道，在上层密封盖板上分别开设有进液口和出液口。

凹形压电陶瓷元件通过螺柱和螺母固定安装在密封罩壳内，凹形压电陶瓷元件的中心具有通孔，螺柱的顶端穿过凹形压电陶瓷元件的通孔固定在密封罩壳的后端面的内表面，螺柱的底端通过螺母将凹形压电陶瓷元件锁紧固定。

密封罩壳采用导热性能好的金属，铝合金或者紫铜。

凹形压电陶瓷元件采用压电复合材料。

密封罩壳的侧壁上开设过线口；连接正电极层和负电极层的引线通过过线口连接至密封罩壳外的控制电路，过线口与密封罩壳的侧壁密封。

匹配层采用聚氨酯、Parylene(派瑞林)和Epo-Tek 301(光学环氧胶水)中的一种。

蒸发面吸液芯和冷凝面吸液芯为低温烧结工艺形成的球形或者不规则的金属粉末，金属粉末采用铜粉或者铝粉，金属粉末的大小为50～75μm，具有毛细作用力，能够实现液态工质相变回流。液体工质的充液率为40％～60％。

冷凝面为平板状，材料采用铝合金或者紫铜。微流道的宽度为1～2mm，高度为2～3mm，从而增大微通道的有效换热面积；液体从位于上层密封盖板的进液口流入微通道，充分换热后从位于上层密封盖板的出液口流出，进而达到整个系统的散热要求。

上层密封盖板为平板状，材料采用铝合金或者紫铜。

本实用新型的优点：

本实用新型利用平板热管微通道复合散热器的高效散热特性对凹面聚焦超声换能器进行冷却散热，能有效保证凹面聚焦超声换能器在正常温度范围内高效工作，并对凹面聚焦超声换能器的核心元件—凹形压电陶瓷元件具有保护作用，解决了聚焦超声换能器工作温度高的技术难题。

本实用新型相较于其它在换能器热源表面直接贴合热管的冷却装置具有以下优点：

(1)采用凹面聚焦超声换能器的密封罩壳的后端面直接作为平板热管的蒸发面，并将蒸发面吸液芯直接烧结于密封罩壳的后端面上，在平板热管的冷凝面的上表面直接加工出微通道，上层密封盖板直接密封在冷凝面的上表面，并在其下表面烧结一层冷凝面吸液芯；换能器热源与蒸发面、冷凝面和微通道之间均无需均匀涂抹一层导热硅脂，减少了繁琐的贴合工艺，同时显著减少了系统热阻，大大提升了散热效率，进而减小了换能器内部高温，延长了换能器的使用寿命及可靠性；

(2)相对于一般的换能器冷却装置，本实用新型采用更加高效的相变传热的平板热管，其导热系数较大并具有优越的均温性，能够将换能器内部高温均匀快速的传导出来；此外，冷凝面释放的热量直接传导给微通道，利用微通道较大的换热面积实现高效散热，提高系统散热效率；另外，聚焦超声换能器集成平板热管微通道复合散热器的工艺简单，结构紧凑，体积小，能够显著减小界面传热热阻；

(3)聚焦超声换能器背向辐射的声能不仅能够强化平板热管和微通道的传热性能，而且能够改善其均温性能，进一步提高散热效率。

附图说明

图1为本实用新型的具有相变散热的聚焦超声换能器的一个实施例的爆炸图；

图2为本实用新型的具有相变散热的聚焦超声换能器的一个实施例的剖面图；

图3为本实用新型的具有相变散热的聚焦超声换能器的一个实施例的密封罩壳和蒸发面腔体侧壁的剖面图；

图4为本实用新型的具有相变散热的聚焦超声换能器的一个实施例的冷凝面吸液芯与冷凝面的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实施例的具有相变散热的聚焦超声换能器包括：凹面聚焦超声换能器和平板热管微通道复合散热器；在凹面聚焦超声换能器的后端面设置平板热管微通道复合散热器；

凹面聚焦超声换能器包括密封罩壳1、凹形压电陶瓷元件7、正电极层71、负电极层72和匹配层9；其中，密封罩壳1为具有后端面且前端面开口的筒状结构；在凹形压电陶瓷元件7的两侧表面分别覆盖有正电极层71和负电极层72，凹形压电陶瓷元件7通过螺柱6和螺母8固定安装在密封罩壳1内，螺柱具有外螺纹，螺母具有内螺纹，凹形压电陶瓷元件7的中心具有通孔，螺柱的顶端穿过凹形压电陶瓷元件7的通孔固定在密封罩壳1的后端面的内表面，螺柱的底端通过螺母将凹形压电陶瓷元件7锁紧固定；凹形压电陶瓷元件7的凹面朝向密封罩壳1的前端面；密封罩壳1的前端面密封连接匹配层9；

平板热管微通道复合散热器包括蒸发面腔体侧壁12、蒸发面吸液芯2、冷凝面3、微通道、冷凝面吸液芯4、液体工质和上层密封盖板5；其中，密封罩壳1的后端面的外表面设置有与密封罩壳1的后端面连接为一体蒸发面腔体侧壁12；密封罩壳1的后端面位于蒸发面腔体侧壁12内的外表面作为蒸发面，在蒸发面以及蒸发面腔体侧壁的内壁上形成蒸发面吸液芯2；在冷凝面3的上表面设置有多条微流道，在冷凝面3的下表面形成冷凝面吸液芯4，冷凝面3的外边缘尺寸不小于蒸发面腔体侧壁12的内壁尺寸；冷凝面3的下表面与蒸发面腔体侧壁12的顶部密封连接，从而在冷凝面吸液芯4与蒸发面吸液芯2之间形成腔体；在蒸发面腔体侧壁12上开设有抽真空注液口11，抽真空注液口11贯穿蒸发面腔体侧壁12以及其上覆盖的蒸发面吸液芯，通过抽真空注液口向腔体内部注入液体工质；蒸发面、蒸发面吸液芯2、冷凝面3、冷凝面吸液芯4和液体工质构成平板热管；在冷凝面3的上表面密封设置上层密封盖板5从而在冷凝面与上层密封盖板之间形成微通道，在上层密封盖板5上分别开设有进液口51和出液口52。

在本实施例中，密封罩壳1、冷凝面3和上层密封盖板5采用铝合金；凹形压电陶瓷元件7采用1-3型压电复合材料；正电极层71和负电极层72分别经引线通过过线口连接至密封罩壳1外的控制电路；匹配层9采用聚氨酯；蒸发面吸液芯2和冷凝面吸液芯4为低温烧结工艺形成的球形或者不规则的金属粉末，金属粉末采用铜粉，金属粉末的大小为60μm，具有毛细作用力，能够实现液态工质相变回流，液体工质的充液率为50％；微流道的宽度为1.5mm，高度为2.5mm。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种具有相变散热的聚焦超声换能器，其特征在于，所述具有相变散热的聚焦超声换能器包括：凹面聚焦超声换能器和平板热管微通道复合散热器；在凹面聚焦超声换能器的后端面设置平板热管微通道复合散热器；

凹面聚焦超声换能器包括密封罩壳、凹形压电陶瓷元件、正电极层、负电极层和匹配层；其中，密封罩壳为具有后端面且前端面开口的筒状结构；在凹形压电陶瓷元件的两侧表面分别覆盖有正电极层和负电极层，覆盖有正电极层和负电极层的凹形压电陶瓷元件固定安装在密封罩壳内，凹形压电陶瓷元件的凹面朝向密封罩壳的前端面；密封罩壳的前端面密封连接匹配层；

平板热管微通道复合散热器包括蒸发面腔体侧壁、蒸发面吸液芯、冷凝面、微通道、冷凝面吸液芯、液体工质和上层密封盖板；其中，密封罩壳的后端面的外表面设置有与密封罩壳的后端面连接为一体蒸发面腔体侧壁；密封罩壳的后端面位于蒸发面腔体侧壁内的外表面作为蒸发面，在蒸发面以及蒸发面腔体侧壁的内壁上形成蒸发面吸液芯；在冷凝面的上表面设置有多条微流道，在冷凝面的下表面形成冷凝面吸液芯，冷凝面的外边缘尺寸不小于蒸发面腔体侧壁的内壁尺寸；冷凝面的下表面与蒸发面腔体侧壁的顶部密封连接，从而在冷凝面吸液芯与蒸发面吸液芯之间形成腔体；在蒸发面腔体侧壁上开设有抽真空注液口，通过抽真空注液口向腔体内部注入液体工质；蒸发面、蒸发面吸液芯、冷凝面、冷凝面吸液芯和液体工质构成平板热管；在冷凝面的上表面密封设置上层密封盖板冷凝面与上层密封盖板之间形成微通道，在上层密封盖板上分别开设有进液口和出液口。

2.如权利要求1所述的具有相变散热的聚焦超声换能器，其特征在于，所述凹形压电陶瓷元件通过螺柱和螺母固定安装在密封罩壳内，凹形压电陶瓷元件的中心具有通孔，螺柱的顶端穿过凹形压电陶瓷元件的通孔固定在密封罩壳的后端面的内表面，螺柱的底端通过螺母将凹形压电陶瓷元件锁紧固定。

3.如权利要求1所述的具有相变散热的聚焦超声换能器，其特征在于，所述凹形压电陶瓷元件采用压电复合材料。

4.如权利要求1所述的具有相变散热的聚焦超声换能器，其特征在于，还包括过线口，所述过线口开设在密封罩壳的侧壁上；连接正电极层和负电极层的引线通过过线口连接至密封罩壳外的控制电路，过线口与密封罩壳的侧壁密封。

5.如权利要求1所述的具有相变散热的聚焦超声换能器，其特征在于，所述匹配层采用聚氨酯、派瑞林和光学环氧胶水中的一种。

6.如权利要求1所述的具有相变散热的聚焦超声换能器，其特征在于，所述液体工质的充液率为40％～60％。

7.如权利要求1所述的具有相变散热的聚焦超声换能器，其特征在于，所述微流道的宽度为1～2mm，高度为2～3mm。

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