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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft elektroakustische Umformer und Ferrit-(engl.: ferried)-Wandler wie beispielsweise in Ultraschallvorrichtungen verwendet, wie beispielsweise Ultraschallschweißvorrichtungen zum Schweißen von Thermoplasten oder anderen Materialien. Insbesondere betrifft diese Erfindung Verbesserungen bezüglich des Aufbaus von geklemmten Wandlern oder Umformern, die eine Vielzahl von piezoelektrischen Wafern benutzen, die zwischen zwei Massen eingeklemmt sind.
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Elektroakustische Umformer sind bspw. aus den Dokumenten
US 3 555 297 A ,
GB 1 379 955 A oder
JP 03 089 871 A bekannt.
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Ein typischer elektroakustischer Halb-Wellenlängen-Umformer ist auch in
US 5 590 866 A offenbart und in
1 gezeigt. Dieser bekannte elektroakustische Umformer C besitzt einen Stapel von piezoelektrischen keramischen Wafern W, die zwischen einer vorderen und einer hinteren metallischen Masse zur Ansteuerung FM und BM eingeklemmt sind. Die piezoelektrischen Materialien können aus einem Blei-Zirkonat-Titanat-Material sein und werden häufig als keramisches Material bezeichnet. Die piezoelektrischen Wafer, die in solchen Wandlern eingesetzt werden, besitzen ein Loch in deren Mitten und die diametralen Seiten können mit einem elektrisch leitfähigen Material (beispielsweise Silber) beschichtet sein, um einen passenden elektrischen Kontakt zwischen den Wafern vorzusehen. Die piezoelektrischen Wafer werden mittels einer elektrischen Wechselspannung aus einer geeigneten Energieversorgung mit Energie versorgt, und die piezoelektrischen Wafer schwingen mechanisch, wenn sie erregt werden. Insbesondere nimmt der Durchmesser jeder Scheibe oder jedes Wafers abwechselnd zu und ab abhängig von der zugeführten Spannung, wenn eine Wechselspannung an die radial polarisierten piezoelektrischen Wafer angelegt wird. Als Ergebnis solcher diametrischer Veränderungen nimmt die Dicke des Wafers ebenfalls abwechselnd mechanisch zu und ab, was sich selbst als Längsschwingungen zeigt. Wenn die Wafer schwingen, beaufschlagen sie selbst die vordere Masse zur Ansteuerung mit den mechanischen Längsschwingungen, die mit einem geeigneten Horn oder einem anderen Ultraschallwerkzeug zur Ausführung der gewünschten Arbeit (beispielsweise das Schweißen von thermoplastischen Werkstücken) gekoppelt sein kann. Bei einem typischen industriellen Gerät, das solche Wandler einsetzt, liegt die vorbestimmte Frequenz typischerweise, aber nicht notwendigerweise, im Ultraschallbereich von beispielsweise 20 kHz, jedoch können solche Frequenzen in breitem Umfang variieren (beispielsweise zwischen 1–100 kHz) abhängig von der Anwendung. Typischerweise ist die Längsausdehnung von Spitze zu Spitze solcher Schwingungen sehr klein im Bereich von etwa 25,4 µm bei 20 kHz, kann aber durch Koppeln des Wandlers an ein geeignet geformtes Horn vergrößert werden.
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Solche Vorrichtungen formen hoch frequente elektrische Energie, die von einer geeigneten Energieversorgung geliefert wird, in mechanische Schwingungen um. Die Wandler besitzen ein Ausgangsende, an dem im Allgemeinen ein Zwischenkoppler (häufig auch als Booster-Horn bezeichnet) angebracht ist, um die Schwingungen von dem Umformer aufzunehmen und die Schwingungen mit der gleichen oder einer erhöhten Amplitude an das Ausgangshorn, das Werkzeug, das Sonotrode oder Ähnliches zu koppeln, die wiederum die Schwingungen auf das Werkstück übertragen. Solche Halb-Wellenlängen-Wandler besitzen oft einen Befestigungsflansch, der sich in einem Knotengebiet des Wandlers befindet, wo die Schwingungen hauptsächlich in radiale Richtung gehen.
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Im Allgemeinen haben die meisten bekannten Umformer, die auf dem in 1 gezeigten Entwurf basieren, für die beabsichtigten Zwecke gut gearbeitet und wurden entwickelt, um bei verschiedenen vorbestimmten Frequenzen und Energiepegeln zu arbeiten. Allerdings sind gewisse Beschränkungen oder Nachteile solcher bekannter Umformer weit bekannt.
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Allgemein besitzen piezoelektrische keramische Wafer und Metallkomponenten der bekannten Umformer bestimmte geometrische Formen, und diese Komponenten haben bestimmte Wellengeschwindigkeitseigenschaften bezüglich der Schwingungen. Die planaren Spannungen, die innerhalb dieser Komponenten während der mechanischen Schwingungen (beispielsweise wenn der Umformer in Resonanz ist) erzeugt werden und die Geschwindigkeit dieser Schwingungen innerhalb der verschiedenen Komponenten sind nicht linear. Dies führt zu bestimmten Problemen oder Beschränkungen bei den bekannten Umformer-Designs.
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Um mehr Energie von den Umformern zu erzielen, sind die Umformer typischerweise für erhöhte elektrische Kapazität entworfen. Für jede gegebene Spannung, die den aktiven Elementen des Umformers (d. h. den piezoelektrischen Wafern) zugeführt wird, um Energie zu erzeugen, wird ein elektrischer Strom benötigt. Der Strom muss durch den kapazitiven Zweig der Schaltung geleitet werden und führt zu einem Spannungsanstieg an den piezoelektrischen Wafern. Um diese Spannung innerhalb erlaubter Werte zu halten und um die Leistung des Wandlers zu steigern, wird ein größeres piezoelektrisches Keramik-Volumen benötigt. Typischerweise, wie in 1 gezeigt, werden einige Paare piezoelektrischer keramischer Wafer W parallel zueinander platziert, um die Gesamtkapazität des Umformers zu erhöhen.
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Allerdings führt die Erhöhung des Volumens des keramischen Materials, das zur Erzielung solcher höherer Energiepegel benötigt wird, zu Problemen. Typischerweise benutzen solche Designs drei Paare von keramischen Wafern (wie in 6 zu sehen ist), um die geforderten höheren Energiepegel zu erzeugen. Dies führt zu einem größeren Volumen keramischen Materials relativ zu dem Volumen (Masse) des gesamten Umformers. Dieses größere Volumen oder die Masse für den Umformer kann zu einem Schwingungsknoten bei dem Umformer führen, der nicht an dem gewünschten Ort (typischerweise innerhalb des Befestigungsflansches F, wie in 1 gezeigt) liegt, sondern der innerhalb der keramischen Wafer W liegen kann. Dies führt zu einer unerwünschten Bewegung und führt zu Energieverlust.
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Bei solchen bekannten Wandler-Designs werden die keramischen Wafer parallel angesteuert. Da diese bekannten Designs so genannte verteilte Designs sind, müssen die äquivalenten dynamischen Spannungen, die zur Ansteuerung jedes keramischen Waferpaars erforderlich sind, unterschiedlich sein. Dies führt zu unerwünschten Kreisströmen, elektrischen Verlusten und ungleichen Energieverteilungen bei jedem keramischen Waferpaar.
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Da sich die Frequenz und die Spannung innerhalb der keramischen Wafer ändert, wird sich darüber hinaus der Ort des Knotenpunkts innerhalb des Wandlers ändern und damit wie die mechanische Last zurück in die Keramik reflektiert wird, wird sich diese ebenfalls ändern. Diese sich ändernde Bedingung macht den Umformer unvorhersehbarer in Bezug auf seine elektrischen Impedanzeigenschaften.
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Wie es bei jedem elektromechanischen Wandler typisch ist, erzeugt die Umformung der elektrischen Energie in mechanische Energie (Schwingungen) Wärme innerhalb des Umformers. Der Wärmewiderstand oder die thermische Leitfähigkeit der keramischen Komponenten des Wandlers sind größer als diejenigen der metallischen Komponenten. Eine Vergrößerung des Volumens der keramischen Komponenten führt zu Gebieten innerhalb des Umformers höherer thermischer Konzentrationen und der größte Teil der Wärmeübertragung innerhalb des Wandlers findet durch Leitung von den keramischen Komponenten zu den Metallkomponenten statt (hauptsächlich der vorderen und der hinteren Ansteuerungsmassen). Eine erhöhte Temperatur der keramischen Komponenten reduziert deren Effizienz bei der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie.
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Falls das Volumen der Keramiken vergrößert wird, um die höheren gewünschten Energiepegel zu erhalten oder Verluste zu kompensieren, verändern sich ferner die physischen Abmessungen des Umformers, und sind noch die Umformerabmessungen eingeschränkt durch die gewünschte Betriebsfrequenz. Somit muss es einen Ausgleich zwischen der Menge des keramischen Materials, das zur Kompensation von Verlusten bereit gestellt werden kann, und der mechanischen Abmessung des Umformers geben.
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Es sollte auch erkannt werden, dass es mechanische Verluste in dem keramischen Material und in der mechanischen Struktur bei dem Umformer gibt. Diese Verluste treten bei der Betriebsgrundfrequenz des Umformers und manchmal bei harmonischen Frequenzen der Grundfrequenz auf. Bei vielen früheren Designs ist es nicht unüblich, dritte harmonische Bewegungen innerhalb des Umformers anzuregen. Diese dritten Harmonischen treten typischerweise in dem Befestigungsflansch oder in der hinteren Ansteuerung des Umformers auf. Solche harmonischen Bewegungen erzeugen keine nützliche Arbeit und tragen zu den lokalisierten Verlusten bei und erhöhen die Temperatur.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung besteht unter anderem darin, einen elektroakustischen Umformer bereitzustellen, dem die vorgenannten Nachteile nicht anhaften, und der insbesondere leistungsfähiger als bisherige Umformer ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen elektroakustischen Umformer mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Neben den verschiedenen Aufgaben und Merkmalen der vorliegenden Erfindung sei das Bereitstellen eines elektroakustischen Umformers genannt, bei dem die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Umformers stabiler sind und durch Veränderungen der Betriebsbedingungen des Umformers weniger beeinflusst;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, der höhere Energie als frühere Umformer gleicher Größe erzeugt;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, in dem die internen Verluste reduziert werden;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, der besser als frühere Umformer steuerbar ist;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, bei dem Wärmeverluste besser abgeführt werden, um die Betriebstemperatur der keramischen Komponenten des Umformers zu reduzieren, um die Betriebseffizienz des Umformers zu erhöhen;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, bei dem die Spannungsverteilung und die Spannungsgradienten innerhalb der keramischen Komponenten gering sind und bei dem parasitäre Frequenzen ebenfalls niedrig sind;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, bei dem, da die Spannungen in den keramischen Materialien besser kontrolliert werden und geringer sind, der Umformer einen größeren Durchmesser (im Vergleich zu früheren Umformerdesigns) besitzen kann, um damit die Benutzung eines größeren keramischen Volumens zu ermöglichen, das wiederum die von dem Umformer gelieferte Leistung erhöht;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, bei dem die Keramiken in dem Umformer bezüglich des Schwingungsknotens symmetrisch angeordnet sind, derart, dass die vordere und die hintere keramische Komponente im Wesentlichen gleiche Energie erzeugt, und derart, dass die dynamischen Spannungen, die der vorderen und der hinteren keramischen Komponente zugeführt werden, im Wesentlichen gleich sind, um Kreisströme und sich daraus ergebende Verluste zu reduzieren;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, bei dem, da das Design im Wesentlichen symmetrisch ist und die Spannung stärker kontrolliert wird, eine Reflexion des Werkzeugs (das typischerweise wirksam gekoppelt ist mit der vorderen Ansteuerung des Umformers) zurück zu den Anschlüssen besser definiert und stabiler ist, so dass ein breiterer Bereich von Werkzeugstapeln unterschiedlicher Designs ermöglicht wird;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, bei dem die Querschnittsfläche der metallischen Komponenten (vordere Ansteuerung, hintere Ansteuerung, mittlerer Abschnitt), die in Kontakt mit den Keramiken sind, erhöht wird, so dass sich eine größere Wärmeübertragungsrate ergibt;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, bei dem ein metallischer Abstandshalter, der zwischen dem vorderen und dem hinteren Satz keramischer Komponenten positioniert ist, wirksamer Wärme von den keramischen Komponenten abtransportiert;
das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, der ein etwas kleineres keramisches Volumen einsetzt, aber der eine höhere Durchschnittsleistung erzeugt als vergleichbare frühere Wandler-Designs;
und das Bereitstellen eines solchen elektroakustischen Umformers, der ein ökonomisches Design aufweist, der ein kostengünstiges Design besitzt, der eine lange Lebensdauer besitzt, und der effizienter elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandelt.
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Andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung sind teilweise offensichtlich und teilweise nachfolgend ausgeführt.
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Kurz gesagt, ein elektroakustischer Umformer (Wandler) der vorliegenden Erfindung wandelt elektrische Energie in mechanische Schwingung innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs (beispielsweise eines Bereichs zwischen etwa 16 bis etwa 100 kHz) um. Der Umformer wird mit einer elektrischen Wechselenergie (Wechselspannung) aus einer geeigneten Energieversorgung versorgt. Der Umformer umfasst u. a. eine vordere metallische Masse zur Ansteuerung, eine hintere metallische Masse zur Ansteuerung, einen vorderen Keramikstapel, einen hinteren Keramikstapel, einen metallischen Abstandshalter zwischen dem vorderen und dem hinteren Keramikstapel, und ein Befestigungselement, das mit der vorderen und der hinteren Masse zur Ansteuerung gekoppelt ist, um die Keramikstapel und den Abstandshalter zwischen der vorderen und der hinteren Ansteuerung zu klemmen. Der vordere und der hintere Keramikstapel sind aus einem geeigneten piezoelektrischen keramischen Material, dass, wenn es mit einer elektrischen Wechselspannung bestimmter Frequenz aus der Energieversorgung angeregt wird, der Umformer dann in Resonanz gebracht wird, um in axialer Richtung zu schwingen. Der Abstandshalter und die hintere Masse zur Ansteuerung sind mit Finnen versehen, um Wärme weg von dem Umformer zu strahlen, um die Wärme in die Umgebung zu übertragen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Vorderansicht eines bekannten elektroakustischen Umformers;
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2 ist eine perspektivische Ansicht des elektroakustischen Umformers der vorliegenden Erfindung, in der die Hauptkomponenten des Umformers gezeigt sind;
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3 ist eine Vorderansicht des elektroakustischen Umformers der vorliegenden Erfindung;
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4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht des Umformers;
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5 ist eine Ansicht des Umformers ähnlich zur 4, die die Wärmegradienten der Komponenten unter normalen stabilen Betriebsbedingungen zeigt;
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6 ist eine vertikale Schnittansicht des bekannten Umformers, die die Wärmegradienten der Komponenten unter normalen stabilen Betriebsbedingungen zeigt;
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7 ist ein elektrisches Blockschaltbild des Wandlers der vorliegenden Erfindung, wenn ihm elektrische Energie von einer geeigneten Energieversorgung zugeführt wird;
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8 ist eine Endansicht eines Abstandshalters, der ein abwechselndes Finnenprofil aufweist;
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9A und 9B sind eine End- und eine Seitenansicht eines alternativen Designs der vorderen Masse zur Ansteuerung mit einem unterschiedlichen Finnenprofil gegenüber dem in den 2 und 3 Gezeigten;
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10A–10C zeigen eine stabile Befestigung zur Verwendung bei einem Umformer der vorliegenden Erfindung, wobei die stabile Befestigung bei der Wärmeübertragung von dem Umformer helfen würde.
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Entsprechende Bezugszeichen zeigen entsprechende Teile in den gesamten unterschiedlichen Ansichten der Zeichnungen.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein elektroakustischer Umformer 1 der vorliegenden Erfindung ist allgemein in 2 und 3 gezeigt. Der Umformer 1 wandelt elektrische Energie in mechanische Schwingungen mit einer vorbestimmten Frequenz um. Er besitzt einen allgemein kreisförmigen Querschnitt und umfasst eine Längs- oder Vertikalachse VA.
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Der Umformer 1 umfasst eine vordere metallische Masse zur Ansteuerung 3, eine hintere metallische Masse zur Ansteuerung 5, einen vorderen Keramikstapel 7, einen hinteren Keramikstapel 9 und einen Abstandshalter 11, der zwischen dem vorderen und dem hinteren Keramikstapel positioniert ist. Ein Befestigungselement 13 (ähnlich der Schraube B von 1) erstreckt sich axial durch die hintere Ansteuerung 5, die Keramikstapel 7 und 9 und in die vordere Ansteuerung 3, um die Keramikstapel 7 und 9 und den Abstandshalter 11 zwischen der vorderen und der hinteren Ansteuerung 3, 5 festzuklemmen. Wie in 2 zu sehen, sind die Keramikstapel 7 und 9 im Wesentlichen symmetrisch bezüglich des Abstandshalters 11, und die Keramikstapel/Abstandshalter-Anordnung 10 ist im Wesentlichen symmetrisch zu einer seitlichen Achse LA. Jeder Keramikstapel besitzt zwei Keramikwafer W. Die Anzahl der Wafer in dem vorderen und dem hinteren Keramikstapel könnte jede Anzahl sein, abhängig von der Dicke der Keramikwafer, der ½ Wellenlängenbetriebsfrequenz und abhängig davon, ob der mittlere Abschnitt elektrisch positiv oder negativ belassen wird oder nicht. Der Umformer 1 ist dimensioniert, um einen vollständigen Halb-Wellenlängen-Resonator bei der vorbestimmten Frequenz auszubilden, der einen Schwingungsknoten der Längsschwingungen innerhalb des Abstandshalters 11 und vorzugsweise etwa auf der seitlichen Achse LA besitzt.
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Der vordere und der hintere Keramikstapel 7 und 9, wie zuvor angegeben, sind durch. den Abstandshalter 11 voneinander getrennt. Dies bringt eine Amplitudenverstärkung in das System. Die Keramikwafer W in den Stapeln 7 und 9 sind aus einem geeigneten piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt, wie beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat, derart, dass, wenn sie mit einer elektrischen Wechselspannung angeregt werden, der Umformer in Resonanz gebracht wird, um entlang der Längsachse A zu schwingen. Vorzugsweise sind die Keramikstapel 7 und 9 jeweils aus einem Waferpaar 15 gemacht. Die Wafer 15 jedes Keramikstapels sind im Wesentlichen gleicher Größe und Form und haben annähernd gleiche elektrische und mechanische Eigenschaften, so dass die Stapel im Wesentlichen symmetrisch sind. Wie in 7 zu sehen, sind die Wafer 15 parallel mit der Energieversorgung PS verbunden, die, wenn sie aktiviert ist, die Wafer 15 anregt. Beispielsweise könnte die Energieversorgung PS ein Modell 930 sein, das kommerziell von Branson Ultrasonics Corporation, Danbury, CT, erhältlich ist. Die Wafer könnten, falls gewünscht, in Reihe mit der Energieversorgung verbunden sein. Die Wafer sind vorzugsweise mit einer leitenden Schicht, beispielsweise aus Silber, beschichtet, so dass die Wafer 15 jedes Waferpaars in elektrischem Kontakt miteinander sind.
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Bezug nehmend auf die 4 ist ein Abstandshalter 11 als ein metallischer Abstandshalter, vorzugsweise aus Aluminium, hergestellt. Er umfasst einen Körper 21 mit einer äußeren Fläche 22. Der Abstandshalter-Körper 21 besitzt einen Durchmesser, der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der Keramikstapel 7 und 9 ist. Der Abstandshalter 21 weist Finnen 23 auf, die von dem Abstandshalter-Körper nach außen strahlen. Die Finnen 23 erstrecken sich in axialer Richtung über die gesamte Höhe des Abstandshalters 11. Wie am besten in 4 zu sehen, haben die Abstandshalter-Finnen 23 Seitenflächen 25 und eine äußere Fläche 27. Die Seitenflächen 25 sind in der Figur mit einem nach außen gerichteten Winkel relativ zu einem Radius des Abstandshalters 11 dargestellt, so dass die obere und die untere Fläche 29 der Finnen 23 eine allgemeine Trapezform besitzen, wobei die Basis 31 der Finnen 23 einen kleineren Durchmesser als die äußere Fläche 27 der Finnen besitzt. Bei aktuellen Designs werden diese Finnen eine Form ähnlich der in 8 Gezeigten haben. Dieses Design ermöglicht die Verwendung einer Kugelmühle bei der Bearbeitung der Finnen. Alternativ könnten diese Komponenten aus extrodiertem Aluminium hergestellt werden und könnten andere radiale Finnenprofile aufweisen.
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Die hintere Masse zur Ansteuerung 5 weist einen Körper 33 mit einer äußeren Fläche 35 auf. Der Körper 33 besitzt einen Durchmesser (gemessen zu der äußeren Fläche 35), der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der Keramikstapel 7 und 9 ist. Wie bei dem Abstandshalter 21 weist auch die hintere Masse zur Ansteuerung 5 Finnen 37 auf, die von der äußeren Fläche der Ansteuerungsmasse 5 nach außen strahlen. Die Finnen 37 erstrecken sich in axialer Richtung über die gesamte Höhe der Masse zur Ansteuerung 5. Wie am besten in 4 zu sehen, sind die Finnen 37 der Masse zur Ansteuerung im Wesentlichen ähnlich zu den Abstandshalter-Finnen 23 geformt. Die Seitenflächen 39 der Finnen 37 der Masse zur Ansteuerung sind nach außen relativ zu einem Radius der Masse zur Ansteuerung 5 gebogen, derart, dass die obere und die untere Fläche 41 der Finnen 37 allgemein trapezförmig sind, wobei die Basis 43 der Finnen 37 eine kleinere Abmessung als die äußere Fläche 45 der Finnen besitzt. Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung kann die Konfiguration der Finnen wie in 8 gezeigt sein. Wie in 2 und 3 zu sehen, sind, wenn der Umformer zusammengebaut ist, die Abstandshalter-Finnen 23 vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) im Wesentlichen mit den Finnen 37 der hinteren Masse zur Ansteuerung ausgerichtet.
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Die vordere Masse zur Ansteuerung 3 ist allgemein im Querschnitt kreisförmig und besitzt ein hinteres Ende 51, ein vorderes Ende 53 und eine äußere Fläche. Die vordere Masse zur Ansteuerung 3, an die ein Horn angebracht ist, hat vorzugsweise eine glatte äußere Fläche, wie in 2 zu sehen (das heißt, dass die vordere Masse zur Ansteuerung nicht mit Finnen versehen ist). Allerdings kann es bei manchen Designs wünschenswert sein, der vorderen Ansteuerung Finnen hinzuzufügen, wie in 9A und 9B gezeigt.
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Die vordere Masse zur Ansteuerung 3 besitzt einen Durchmesser an ihrem hinteren Ende 51, der im Wesentlichen gleich zu dem Durchmesser der Keramikstapel ist. Der Durchmesser der vorderen Ansteuerung 3 kann im Wesentlichen konstant sein (in diesem Fall wäre die Ansteuerung 3 im Wesentlichen zylindrisch) oder die vordere Ansteuerung 3 kann einen reduzierten Querschnittsbereich. aufweisen (wie in 3 zu sehen), um die Schwingungsamplitude des Umformers zu erhöhen.
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Die Anzahl der Finnen 23 und 37 und die Form der Finnen auf der vorderen Ansteuerung des metallischen Abstandshalters 11 und auf der hinteren Ansteuerung 5 sind so gewählt, dass Wärme von dem Umformer 1 mittels Konvektion und Wärmestrahlungs-Übertragung effizient entfernt wird. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die Anzahl und die Form der eingesetzten Finnen variieren kann abhängig von der Größe, der Frequenz und der Leistung des Wandlers. Da der Abstandshalter 11 zwischen dem vorderen und dem hinteren Keramikstapel positioniert ist, hat die während des Betriebs des Umformers erzeugte Wärme einen kurzen Weg, um den Umformer zu verlassen (im Vergleich zu dem bekannten Umformer C). Der Abstandshalter 11 (und die hintere Masse zur Ansteuerung 5) wirkt als Wärmesenke und strahlt die erzeugte Wärme schnell in die umgebende Luft. Wie in 5 zu sehen, ist die Temperatur der Keramikstapel 7 und 9 und des Abstandshalters 11 im Wesentlichen gleichförmig.
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In einem Wandler mit zwei Keramikwafern W in einem Stapel 7 und 9, wobei jeder Wafer einen Durchmesser von etwa 5,6 cm hat, wenn diese mit 9,7 Watt (11 W/m2 bei 25°C) unter stabilen Bedingungen betrieben werden, liegt beispielsweise die gesamte Anordnung 10 (d. h. die Stapel und der Abstandshalter) zwischen etwa 59,5°C und 60,1°C. Es gibt typischerweise einen Gradienten durch den hinteren Keramikstapel 9. Der Wafer benachbart zu der hinteren Ansteuerung 5 zeigt einen Temperaturgradienten von etwa 54,4°C benachbart zu der hinteren Masse zur Ansteuerung 5 bis zu einer Temperatur von etwa 58°C benachbart dem zweiten Wafer des Paars. Der zweite Wafer zeigt einen Temperaturgradienten von etwa 58°C benachbart dem ersten Wafer des Paars bis zu einer Temperatur von etwa 59,4°C benachbart zu dem Abstandshalter 11. Die Temperatureigenschaften des Umformers 1 sind sehr viel gleichmäßiger als jene von vergleichbaren bekannten Umformern C, wie dies gesehen werden kann, wenn 5 und 6 verglichen werden. Wie in 6 zu sehen, zeigen die Wafer W des Umformers C einen großen Temperaturgradienten mit einer Wärmezone in der Mitte der Wafer. An den Waferflächen benachbart der vorderen und der hinteren Masse zur Ansteuerung FM und BM haben die Wafer des bekannten Umformers C eine Temperatur von etwa 54,7°C, und in der Mitte des Keramikstapels besitzt der Stapel eine Temperatur von etwa 60°C. Diese Daten werden erhalten, wenn der Umformer C mit 6,8 Watt (11 W/m2 bei 25°C) betrieben wird. Somit kann der Umformer 1 der vorliegenden Erfindung eine größere Leistung als der bekannte Umformer C handhaben und behält dennoch eine gleichmäßigere Temperaturverteilung.
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Es ist bekannt, dass dielektrische Verluste eine Wärmeerzeugung in den Keramiken verursachen und die thermische Leitfähigkeit der Keramik sehr viel schlechter ist als die von Metall (Aluminium). Diese schlechte Wärmeleitfähigkeit führt zu den Temperaturgradienten, die von dem bekannten Umformer C geliefert werden, wie in 6 zusehen. Wenn die Keramikwafer zusammengeballt werden (um die Ausgangsleistung des Umformers zu erhöhen), wie in 6 zu sehen, baut sich eine höhere Temperatur in den Keramiken auf. Dieser Temperaturaufbau begrenzt die Energieerzeugungsfähigkeit des Umformers C und verursacht Parameteränderungen, die zu einer niedrigeren Gesamtstabilität des bekannten Umformers führen. Da der Umformer 1 der vorliegenden Erfindung die von den Wafern erzeugte Wärme effizienter abführen kann, sind die Wafer kühler als bei dem bekannten Umformer C, und der Umformer 1 ist in der Lage, eine wesentlich höhere Durchschnittsleistung als der bekannte Umformer C zu handhaben. Zusätzlich wird die höhere Durchschnittsleistung mit einer geringeren Keramikmasse gehandhabt als sie in dem bekannten Umformer C vorhanden ist. Die Durchschnittsleistung, die von dem Umformer 1 gehandhabt werden kann, beträgt bis zu 33% mehr als die Durchschnittsleistung, die von dem bekannten Umformer C gehandhabt werden kann.
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Da die Wafer/Abstandshalter-Anordnung 10 symmetrisch zu der seitlichen Achse LA ist und da die Anordnung gleichmäßigere (und niedrigere) Temperaturen zeigt, wenn der Umformer in Betrieb ist, sind die Spannungen in dem Umformer leichter zu kontrollieren. Folglich ist eine Reflexion des Werkzeugs zurück zu den Anschlüssen definierter und sehr viel stabiler. Verschiedene Werkzeugstapel sind ebenfalls sehr viel besser definiert. Zusätzlich, da die Spannung in den Keramikwafern sehr viel gleichmäßiger ist, kann der Umformer mit einem größeren Durchmesser als herkömmliche Umformer, wie beispielsweise der bekannte Umformer C, hergestellt werden, und kann das Keramikvolumen erhöht werden. Beispielsweise haben die Wafer 15 des Umformers 1 einen Durchmesser von etwa 55,9 mm oder 66,0 mm, wobei die Wafer W des bekannten Umformers einen Durchmesser von etwa 50,8 mm haben. Deshalb erreicht das Keramikvolumen des Umformers 1 (mit vier Wafern) das Keramikvolumen des bekannten Umformers C mit sechs Wafern, wie in 6 gezeigt.
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Wie zuvor ausgeführt, haben die Schwingungen einen Schwingungsknoten in dem Abstandshalter 11, vorzugsweise auf der seitlichen Achse LA (d. h. auf der vertikalen Mitte des Abstandshalters 11 mit Bezug auf 3). Folglich sind die Keramiken im Wesentlichen symmetrisch zu dem Schwingungsknoten und beabstandet zu dem Schwingungsknoten. Somit teilen sich die Keramiken gleichmäßiger die Energieerzeugung des Umformers 1. Die dynamischen Spannungen sind ebenfalls gleichmäßiger. Dies beschneidet Kreisströme in dem Umformer und verbundene Verluste bedingt durch Kreisströme.
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Es versteht sich, dass der Abstandshalterabschnitt so ausgelegt werden kann, dass er ein fester Befestigungsbereich des Umformers wird, wie in
US 5 443 240 A und
US 5 590 866 A der Anmelderin beschrieben, die durch Bezugnahme hiermit aufgenommen werden. Auf diese Weise könnte ein Gehäuse um den Umformer installiert werden. Ein fester Befestigungs-„Abstandshalter” würde sowohl eine Konvektions- als auch eine Wärmeleitungs-Übertragungsstrecke zu dem Gehäuse bereit stellen. Ein solches alternatives Design für einen 15-kHz-Wandler oder Umformer mit einer festen Befestigung ist in
10A bis
10C gezeigt. Es versteht sich, dass die feste Befestigung mit einem Flansch (ähnlich dem Flansch F, wie in
1 gezeigt) zusammenwirken würde, der sich von dem Abstandshalter
9 nach außen erstreckt, um den Umformer innerhalb eines Umformergehäuses zu befestigen, wie in der zuvor genannten
US 5 590 866 A beschrieben.
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Da verschiedene Änderungen bei den vorherigen Konstruktionen ausgeführt werden könnten, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, ist beabsichtigt, dass der gesamte Inhalt, der in der vorherigen Beschreibung enthalten und in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, als erläuternd und nicht beschränkend zu interpretieren ist. Beispielsweise könnte die Form und Größe der Finnen geändert werden. Der Abstandshalter 11 könnte mit einem Befestigungsflansch versehen werden, falls dies gewünscht ist. Diese Beispiele sind rein erläuternder Natur.
