DE2745010A1 - PIEZOELECTRIC ULTRASONIC POWER CONVERTER - Google Patents
PIEZOELECTRIC ULTRASONIC POWER CONVERTERInfo
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Description
Piezoelektrischer Ultraschal I-LeistungswandlerPiezoelectric ultrasonic I power converter
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrisclien Ultraschall-Leistungswandler, vor allem für hohe Ultraschalleistung vom Typ Langevin-3andwich, der für Anwendung größerer Leistungen in der Technologie bestimmt ist, wie Ultraschallschweißen und -bearbeiten und/oder Homogenisieren, Bestrahlen von Flüssigkeiten u. dgl.The invention relates to a piezoelectric Ultrasonic power converter, especially for high ultrasonic power of the Langevin-3andwich type, which is used for application greater achievements in technology is intended, such as ultrasonic welding and machining and / or Homogenization, irradiation of liquids and the like.
Der bekannte Langevin-Sandwich-Ultraschallwandler besteht aus wenigstens zwei aktiven piezoelektrischen keramischen Platten und einer zwischen ihnen gelagerten metallischen Plattenelektrode. Alle diese Teile werdenThe known Langevin sandwich ultrasonic transducer consists of at least two active piezoelectric ones ceramic plates and a metallic plate electrode mounted between them. All of these parts will
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durch passive Metallendteile zusammengehalten - einem Reflektor und einem Strahler. Die Verbindung und das Zusammenpressen aller dieser Wandlerteile erfolgt durch eine Zentralschraube, eine Umfangs-Verbindungsmuffe oder durch mehrere Umfangsschrauben. Dieser Ultraschallwandler ermöglicht, die elektrische Energie in eine mechanische eine Ultraschallenergie hoher Intensität mit einem elektroakustischen Wirkungsgrad von 75 bis 95 % umzuwandeln. Die Rest-Energie verwandelt sich in Wärme, welche meist in den piezoelektrischen keramischen Platten erzeugt wird. Da die piezoelektrischen Platten nicht bei hohen Temperaturen arbeiten dürfen, muß die Wärme durch Zwangskühlung abgeführt werden.held together by passive metal end pieces - a reflector and a radiator. The connection and the pressing together of all these converter parts is carried out by a central screw, a circumferential connecting sleeve or several circumferential screws. This ultrasonic transducer enables the electrical energy to be converted into mechanical ultrasonic energy of high intensity with an electroacoustic efficiency of 75 to 95 % . The remaining energy is converted into heat, which is mostly generated in the piezoelectric ceramic plates. Since the piezoelectric plates must not work at high temperatures, the heat must be dissipated by means of forced cooling.
Bei den bekannten piezoelektrischen Ultraschall-Leistungswandlern in Sandwichausführung haben die piezoelektrischen keramischen Platten die Form von Ringen, was ein Zusammenziehen aller Teile des Wandlers durch eine Zentralschraube in der Achse des Wandlers und ein Kühlen des ganzen äußeren Oberflächenteiles des Wandlers durch einen Luftstrom ermöglicht. Durch mehrere Umfangsschrauben zusammengezogene Wandler werden ähnlich gekühlt. Wandler mit einer Umfangs-Verbindungsmuffe nützen ausschließlich voll flächige piezoelektrische Platten aus, was für besonders hohe Ultraschalleistungen vorteilhaft ist, jedoch deren Kühlen wesentlich verschlechtert.In the known piezoelectric ultrasonic power converters in sandwich design, the piezoelectric Ceramic plates take the form of rings, causing a contraction of all parts of the transducer through one Central screw in the axis of the transducer and a cooling of the entire outer surface part of the transducer allows an air flow. Converters pulled together by several circumferential screws are similarly cooled. Converter with a circumferential connecting sleeve only use full-area piezoelectric plates, which is special high ultrasonic power is advantageous, but its cooling is significantly impaired.
Es ist bereits ein piezoelektrischer Leistungs-Ultraschallwandler bekannt, bei dem die KMhlöffnung in der Achse des Wandlers liegt und sich in eine Reihe von in der zwischen den piezoelektrischen keramischen Platten liegenden Speisemetallplatte radial verlaufende öffnungenIt is already a piezoelectric power ultrasonic transducer known, in which the KMhlloch lies in the axis of the transducer and is in a series of in of the feed metal plate lying between the piezoelectric ceramic plates, radially extending openings
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verzweigt. Nachteile dieser Ausführung sind ihre schwierige Herstellung und verhältnismäßig kleine Kühlflächen.branched. Disadvantages of this design are that it is difficult to manufacture and relatively small cooling surfaces.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der Nachteile bekannter Ausführungen einen piezoelektrischen Leistungs-Ultraschallwandler vor allem für hohe Ultraschallleistungen mit erheblich gesteigerter Kühlung zu schaffen.The object of the invention is, while avoiding the disadvantages of known designs, a piezoelectric Power ultrasonic transducers especially for high ultrasonic power to create with significantly increased cooling.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Flansch des Reflektors obere KUhlöffnungen und der Strahler untere Kühlkanäle aufweist, und daß die Metallplatte am Umfang Kühlrippen und die Verbindungsmuffe am Umfang Kühlöffnungen besitzen.This object is achieved according to the invention in that the flange of the reflector has upper cooling openings and the radiator has lower cooling channels, and that the metal plate on the circumference cooling ribs and the connecting sleeve have cooling openings on the circumference.
Bei dem erfindungsgemäßen Leistungs-Ultraschallwandler wird vor allem bei großer Ultraschalleistung eine genügende Kühlung erzielt, die für den richtigen Betrieb des Wandlers erforderlich ist.In the case of the power ultrasonic transducer according to the invention, especially when the ultrasonic power is high, a sufficient Achieved cooling, which is necessary for the correct operation of the converter.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigen:In the following an embodiment of the invention is described in detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 den Wandler im teilweisen Längsschnitt, Fig. 2 die zentrale Metallplatte in Draufsicht und Fig. 3 den Grundriß des Wandlers.1 shows the transducer in partial longitudinal section, FIG. 2 shows the central metal plate in plan view and 3 shows the plan view of the transducer.
Der dargestellte piezoelektrische Ultraschallwandler besonders für hohe Ultraschalleistungen besitzt einen zylindrischen Reflektor 1, der am unteren Ende einen Flansch 2 aufweist. Am Umfang des Flansches 2 sind parallel zur Achse des Reflektors 1 obere Kühlöffnungen 3 verteiltThe illustrated piezoelectric ultrasonic transducer, especially for high ultrasonic powers, has a cylindrical reflector 1, which has a flange 2 at the lower end. On the circumference of the flange 2 are parallel to the axis of the reflector 1 upper cooling openings 3 distributed
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und ein Außengewinde 4 vorgesehen. Den zweiten Teil des Wandlers bildet ein Strahler 6, dessen oberes Ende erweitert ist und der am Umfang ein unteres Gewinde 7 aufweist. Im erweiterten Ende des Strahlers 6 sind in Längsrichtung am Umfang untere Kühlkanäle 8 ausgeführt. Zwischen dem Reflektor 1 und dem Strahler 6 ist eine von keramischen Platten 11 umgebene Metallplatte 12 gelagert. Die Metallplatte 12 besitzt am Umfang Kühlrippen 13. Der Reflektor 1 und der Strahler 6 sind miteinander durch das Gewinde 4 des Reflektors 1, das untere Gewinde 7 des Strahlers 6 und ein Innengewinde 9 einer Verbindungsmuffe 5 verbunden. Die Oberfläche der Verbindungsmuffe 5 hat die Form eines Sechseckes und jede zweite Fläche dieses Sechsecks besitzt eine radiale öffnung 10 zur KUhlmittelzirkulation. An der oberen Stirnseite des Reflektors 1 ist eine Klemme 16 und an der Metallplatte 12 eine positive Klemme 15 für den elektrischen Strom vorgesehen.and an external thread 4 is provided. The second part of the converter is a radiator 6, the upper end of which is widened and which has a lower thread 7 on the circumference. In the extended end of the Radiator 6 are executed in the longitudinal direction on the circumference of lower cooling channels 8. Between the reflector 1 and A metal plate 12 surrounded by ceramic plates 11 is mounted on the radiator 6. The metal plate 12 has cooling ribs 13 on the circumference. The reflector 1 and the radiator 6 are connected to one another by the thread 4 of the reflector 1, the lower thread 7 of the radiator 6 and an internal thread 9 of a connecting sleeve 5. The surface of the connecting sleeve 5 has the shape of a hexagon and every other surface of this hexagon has a radial opening 10 for coolant circulation. On the upper end of the reflector 1 is a terminal 16 and on the metal plate 12 is a positive terminal 15 intended for electrical power.
Der Strahler hat an der unteren Stirnseite eine öffnung 14 zum Befestigen eines Werkzeuges.The radiator has an opening 14 on the lower face for attaching a tool.
Nach Anschließen des piezoelektrischen Leistungs-Ultraschallwandlers an eine elektrische Stromquelle und nach Beginn eines technischen Vorganges, z. B. Ultraschallschweißen, strömt Kühlluft zwangsweise durch die oberen KUhlöffnungen 3 des Flansches in den Bereich der keramischen Platten 11 und gleichzeitig über die Kühlrippen 13, die radialen öffnungen 10 zum Kühlen der Verbindungsmuffe 5 und durch die unteren Kühlöffnungen 8 des Strahlers 6. Dadurch werden die keramischen Platten 11 genügend gekühlt.After connecting the piezoelectric power ultrasonic transducer to an electrical power source and after the start of a technical process, e.g. B. Ultrasonic welding, cooling air forcibly flows through the upper cooling openings 3 of the flange in the area of the ceramic plates 11 and at the same time via the cooling fins 13, the radial openings 10 for cooling the Connection sleeve 5 and through the lower cooling openings 8 of the radiator 6. This will make the ceramic plates 11 sufficiently cooled.
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