JP5243802B2 - 超音波棒変換器 - Google Patents

Description

浴を洗浄する洗浄効果を改良するため、浴の液体は、超音波により励起される。完全に浸漬されるかまたは共振器のみが浴内に延びるかのいずれかである所謂棒変換器は、超音波励起のために使用される。

超音波棒変換器は、超音波ヘッドが少なくとも一端を取り付けられ、放熱器として機能する共振器を有する。ヘッドは、圧電超音波変換器が収容される筐体を形成する。

電気変換器は、多数の圧電セラミックウェハから構成される。セラミックウェハのキュリー温度は、概略３００℃である。セラミックウェハがこの温度またはより高く加熱される場合、圧電効果は、不可逆的に消失する。

圧電変換器が永久動作で使用されることを目的とされる場合、キュリー温度から確実に離れた明確な余裕が維持されなければならない。通常、セラミック変換器の表面の温度は、概略１５０℃を超えてはならない。このため、浴温度が概略１３０℃である場合、２０℃のみの許容可能な温度余剰が残存する。

圧電変換器は、セラミックから構成され、非常に効率的である。それでも、供給された電気エネルギーは、超音波エネルギーに完全には変換されないが、むしろ、一部がまた変換器の加熱を発生する。

変換器により発生されるべき超音波エネルギーは、従って、変換器の過剰温度により限定される。

知られた装置において、圧電変換器は、チタンから構成される、機構的に結合された共振器のみにより実質的に冷却される。チタンは、不良熱伝導体である。超音波技術の理由のため、ヘッドの筐体は、著しく不良の熱伝導体を形成する空気を充填され、その結果、熱が、実際の条件において、筐体の壁を介して除去されないので、いかなる他の冷却はない。

このことに基づいて、本発明の課題は、より大きい超音波エネルギーを発生可能である超音波変換器を創作することである。

本発明に対応するこの課題は、請求項１の特徴を有する超音波棒変換器である。

本発明に係る超音波棒変換器は、圧電変換器が結合要素を介して超音波について結合された共振器を有する。結合要素は、同一の部分が、筐体の壁の部分を形成する。筐体または筐体壁の装着部は、振動波節に配置され、その結果、超音波エネルギーは、専ら共振器に入力され、その一方、筐体自体は、実際に超音波から自在に維持される。

装着装置と共に、圧電変換器は、概略λ／４の結合装置に連接部を有し、このため、非常に小型であり有効に熱を放出することが可能でない。

それ故、本発明に従って、伝熱要素は、圧電変換器に結合される。１つの解決策によれば、伝熱要素は、それが一つの形態、筐体の内壁と共に非常に狭い空隙を形成するように構成される。空隙が狭くなると、この空気層の熱抵抗が小さくなり、すなわち、圧電変換器から筐体に、従って浴に伝達可能である熱が多くなるであろう。

他の解決策によれば、通気される筐体の場合に冷却要素として機能する伝熱要素が、生成される。後者の装置は、変換器が浴の外側にどのようにでも配置される場合に可能である。これは、場合に応じて発生する解決策である。

音響路の部分である領域における伝熱要素の長さは、音響条件が、それによって妨害されないように選択される。例えば、伝熱要素が、そのとき、圧電変換器の前面に直接連接される場合、伝熱要素は、λ／２の長さを有することが可能である。可能な限り広く、それによって熱が筐体に、従って浴に渡されることが可能である表面を得るため、断面が適切に星形状である場合、この構成において、伝熱要素は、円筒形状を有することが可能であり、または、角柱形状を有することが可能である。

他の可能性は、伝熱要素としてカップを使用することである。例えば、カップの場合、中心のナットと圧電変換器との間に存在してそれらを機構的に連接する底部は、通常の磨かれた鋼円板から形成される。

伝熱要素は、結合部分から離れた圧電変換器の端部にのみ配置される必要はない。圧電変換器が、共振器から離れた端部の領域直近でなく、むしろそれからより小さい距離にてその最高温度に達することが判明した。この理由のため、伝熱要素を圧電変換器に嵌め込むことが有利である。このため、伝熱要素は、再度、λ／２の長さを有する。

表面構成、挿入部またはカップ形状の構成、または通過構成に関する各手段は、異なる方法で互いに確認可能である。

空気が通過可能である共振器ヘッドの筐体の場合、伝熱要素が大きい表面積を有し、冷却のために機能する表面が、それが、対流効果のため、空気流路に平行に存在するように、適切に向けられることは、有利である。

その他、本発明のさらなる展開は、従属クレームの対象である。図面の説明の通読において、関連する要求から発生する多くの変形が可能であることが、明らかになるであろう。さらに、開示された特徴の多くの組合せが可能である。すべての考えられる組合せを説明することは、不必要に、図面の説明の範囲を増加することになる。

それ故、図面の説明は、いくつかの基本の変形例に限定される。

本発明の対象の実施例は、図に表わされる。

図１は、超音波棒変換器１を斜視図に（一定の比例でなく）示す。超音波棒変換器１は、共振器２、及び共振器２に連接されたヘッド３を有する。共振器２は、一定の直径を有するその長さにわたって円筒形である。ヘッド３から離れた端部に、円錐の先端部４が存在する。

ヘッド３は、それを介して電気エネルギーがヘッド３に供給される電気ケーブル６が通過するねじ筒ステム５を設けられている。ヘッドの構造は、図２に示される。

ヘッド３は、連接要素７、圧電変換器８、伝熱要素９、及びカップ形状の筐体１０を有する。

連接要素７は、チタンからなり、円筒の延長部１１、共振器２の直径に対応する外径を有する一体の胴である。円筒の延長部１１内に、内ねじを有する共軸のポケット孔１２が存在する。共振器２は、ポケット孔１２により、連接要素に取り付けられる。

延長部１１との接点に、連接要素７は、オフセット部分を介してねじ延長部１４になり、かつヘッド３の筐体の部分である、フランジを形成する。ねじ延長部１４は、筒形であり、円筒の延長部１１に機構的に固着されたステム１５を囲む。

フランジ１３またはねじ１４を圧電変換器８から延長部１１に送られた振動から最大限に切り離すため、一種の膜が、ステム１５とねじ部材１４との間に形成されている。

連接要素７は、固体ブランクから機械加工されたチタンの部材であり、従って一体である。

延長部１１に共軸であるステム１５は、その上に圧電変換器８が配置される平面１６を形成する。示された実施例において、圧電変換器８は、その間に電極１８が挿入された全部で６個の圧電セラミックウェハ７から構成される。電極１８は、それぞれ、一方の側面に、導線２０が接続された端子１９を設けられる。示された実施例において、３つの端子１９が上方に向き、３つが下方に向いている（図２）。それぞれの場合において同じ側面にある端子１９は、電気的に並列に接続され、その結果、電気的観点から、供給または励起Ａ．Ｃ．電圧が、通常２５ｋＨｚより高い周波数にて供給される双極子が形成される。

セラミックウェハ１７及びウェハ形状の電極１８の両方は、平坦な表面を有するウェハ形状の輪である。

図３において、右側に最も離れて存する電極１８は、圧電変換器８の右側の端面を形成し、一方、左側に最も離れて存し、ステム１６に直接に接して存するセラミック円板１７は、左側の端面である。理解されるように、圧電変換器８は、平坦な表面を有する概略円筒形である。

伝熱要素９は、平坦な端面２２、２３を有する円筒形の管として構成される。外表面２４は、円筒形である。

伝熱要素９の圧電変換器８からより離れた側面に、ナット２６により圧電変換器８に押圧され、摩擦を減少する鋼円板２５が存在する。ナット２６は、破線により示され、連接要素７の軸１６の他端に固定されたねじステム２７に螺号される。ねじステム２７及びナット２６の両方は、チタンから構成され、一方、伝熱要素９は、アルミニウムから構成される。

この配置の結果として、右側に最も離れた電極１８は、左側に最も離れたセラミックウェハ１７に、同時にまた、給電する電極である。

その２つの表面２２、２３の間で、伝熱要素９は、λ／２の音響長を有する。円板２５、ナット２６、及びステム１６を含み、筐体の壁に及ぶ圧電変換器８の長さは、λ／４の長さを有する。ナット２６の右側の端面は、このため、共振周波数で波腹に存在する。

筐体１０は、示されるように、カップ形状であり、カラー２８、及びそれからねじステム２５が突出するカップ底部２９から構成される。その自由端に、カラー２８は、組み立てられた状態でねじ１４と共に螺号される内ねじ３１を設けられている。

カラー２８は、筐体の円筒の内側面３２を形成する。内側面３２により規定される直径は、熱伝達部９の外周面２４の外径より僅かに大きい。組み立てられた状態で、筐体の内側面３２は、図２において破線３３により示される位置にある。このため、外周面２４と共に、内側面３２は、０．５及び５ｍｍの間の厚さ、及び伝達要素９の長さを有する狭い円筒間隙３４を形成する。このことにより、筐体１０の外側に対する熱抵抗は、非常に減少される。

図からまた理解可能であるように、突出端子１９を含む圧電変換器８の最大の外径は、伝熱要素９の外径または内側面３２の内径より小さい。

伝熱要素９を通過する電気導路を案内するため、それは、図の視野のために見ることが不可能である２つの長さ方向のスロットを含む。接続ケーブル６は、筒ねじステム５を通過する。

図２におけるようにヘッド３を装備された超音波棒発振器１が作動しているとき、熱は、圧電変換器８に発生する。この熱は、ステム１６、及び、延長部１１に連接された共振器２を介して、一部が浴内に散逸される。このように、圧電変換器８の左端部は、相当の量の冷却を受ける。右端部は、その熱を伝熱要素９に渡す。アルミニウム管の形態の伝熱要素９は、熱を、狭い空隙を介して筐体１０のカラー２８に、そこから浴内に移動する。

それ故、圧電変換器８の右端部は、従来技術の場合より、著しく良好な冷却を受ける。従来技術の場合、右端部は、不良熱伝導のチタンボルト２７が、共振器２の方向に除去可能である程度にのみ冷却されるであろう。伝熱要素９の使用により、さらに、筐体１０は、熱を圧電変換器８から浴内に伝達するために用いられる。

セラミックウェハ１７は、良熱伝導体でない。図２おけるような配置は、結果的に、圧電変換器の２つの面端部の間に存在する領域において、最大の過剰温度を示し、伝熱要素９が、図３におけるように圧電変換器８に挿入されることは、有利である。図から見ることが可能であるように、全部で４個のセラミック円板１７が、伝熱要素９と連接要素７との間に配置され、一方、２つのセラミック円板１７が、伝熱要素９とスペーサ円板２５との間に配置される。これにより、圧電変換器８の右側の面端部は、ナット２６及びボルト２７を介して冷却され、中間の部分は、伝熱要素９の助けを借りて、筐体１０に向かう方向に冷却され、圧電変換器８の左端部は、共振器２についての連接要素７を介して冷却される。

図２及び図３におけるような実施例の場合、熱抵抗は、環状の隙間の面積及びその厚さにより決定される。熱抵抗は、面積に反比例し、厚さに反比例する。隙間の厚さは、製造技術の理由のため、伝熱要素９が内側面３２に接触するおそれなく、一定の技術的寸法以下に減少することが不可能である。さもなければ超音波エネルギーがこれにより筐体１０に結合されることになるので、この実行は、絶対的に、防止されなければならない。また、ヘッドの寸法を正確に任意の直径に増加することはできないので、隙間の面積に関して限界が存在する。

冷却面積の増加は、図４における実施形態により実現可能である。

図４における実施形態で、伝熱要素９は、底部３６及びカラー３７を有するカップの形状を有する。カップのカラーは、圧電変換器８から離れて、すなわち図４における右側に向いている。底部３６は、圧電変換器８の右端部と、中心の固定ナット２６との間に存する。底部３６は、鋼円板２６に代わり、すなわち、カップは、望ましくは少なくとも底部３６の領域において磨かれた鋼円板から構成される。

この実施形態において、伝熱要素９、底部３６、及びカラー３７を単一部材に構成する強制的な必要はない。伝熱要素９が筐体１０に向けて示す熱抵抗との比較により、底部３６からカップのカラー３７に至る移行部における熱抵抗が小さいことが確保されることが十分である。

カラー３７は、外側及び内側両方で円筒であり、すなわち、それは、円筒空間を画定する。所望の広い伝熱面積を得るため、以前の実施例から逸脱して、収容カップは、内側に突出する円筒の軸３８を設けられる。軸３８は、浴液がその内部を循環可能であるように、中空構造として構成される。

組み立てられた状態で、筐体１０のカラー２８は、図２及び図３における実施例におけるような小さい隙間を有する円筒の隙間３４を形成する。同様の小さい隙間幅を有する他の円筒の隙間は、カップ３７の円筒の内壁とステム３８との間に発生する。

そのことにより、カップ形状の伝熱要素９は、カラー３７の外側及び内側両方にて、筐体１０から、そこから浴内に熱を除去する。

伝熱要素９とカップ形状の筐体１０との間の空隙の面積を増加する他の可能性は、図５に示される。

以前の実施例において、電気接続のためのスロットから離れた伝熱要素９は、広く回転対称であり、一方、図５における伝熱要素９は、断面について星形状の構造を有する。図５は、ヘッド３を通る、特に熱伝達部９を通る部分を、長さ方向の軸に直角に、またはそれに沿って超音波が伝搬する軸に平行に示す。中心の締結ボルト２７及び星形状の伝熱要素９を見ることが可能である。それは、輪から突出する三角形の点を有する環状の輪から形成されるとして想像可能である。

筐体１０のカラー２８は、対応する星形状を有して構成された内側面３２を有する。そのような構造は、例えば、適当な板から機械加工または打抜きにより製造可能である。

ねじ１４及びねじ３１により共に螺号されることの代わりに、連接は、穿孔４１を通過する連接ロッドによりなされる。互いに一列に並ぶ穿孔４１は、筐体１０の底部２９の突出するショルダ上及びフランジ１３内両方に設けられている。図２乃至図５における実施例は、完全に浸漬されることが可能である超音波棒変換器に関する。これらの棒変換器の場合、ヘッド３は、また、浴内に配置される。

図６は、そのヘッド３が浴の外側に配置される超音波棒変換器１の実施形態を示す。ヘッド３は、フランジ１３により、容器壁に取り付けられる。筐体１０は、自在な空気内に配置される。さらなる説明は、以前の実施形態との差異に限定可能である。

良好な冷却効果を実現するため、筐体１０のカラー２８は、それを通って外側の空気が循環可能である多数の空気孔４２を設けられている。圧電変換器８を良好に冷却するため、その外側に多数の冷却フィン４３を有する伝熱要素９が、使用される。この実施形態において、伝熱要素９と筐体１０との隙間が、可能な限り小さいことは重要でない。むしろ、問題点は、可能な限り大量の熱を、冷却フィン４３を介して、空気の循環する貫通空気孔４２に散逸することである。

図６における伝熱要素９は、図１における実施例と同様に配置される。それは、また、図２と対応して、圧電変換器８について中心に配置可能である。

再度、伝熱要素９の軸方向の長さは、定常波の波腹が締結ナット２６の端部に配置されるように選択され、一方、連接要素７に形成された壁による移動位置は、振動波節の位置に存在する。

図６における冷却フィンは、図６に模式的にのみ表わされている。誘導音響振動による破損を防止するため、冷却フィン４３の断面構成及び直径は、また、音響技術に従って、寸法を定められる。

超音波棒変換器は、熱について良好に圧電変換器に結合された伝熱要素を有する。それは、周囲の空気、または筐体、従って浸漬棒変換器の場合に減少されるべき浴に対する熱抵抗を提供する。

超音波棒変換器を簡略化された斜視図に示す。 図１における棒変換器のヘッドを、筐体が開放された側面図に示す。 棒変換器のヘッドを、伝熱要素の異なる配置で、図２と同様の図に示す。 図１における棒変換器を、カップ形状の伝熱要素と共に、図２と同様の図に示す。 図１における棒変換器を、カップ形状の伝熱要素と共に、図２と同様の図に示す。 冷却フィンを有する伝熱要素を用いる棒変換器のヘッドを図２と同様の図に示す。

Claims (17)

1. 内部空間を画定し、その内側面（３２）が前記内部空間に面しカラー（２８）と底部（２９）とから成る少なくとも１つの外壁を有する筐体（１０）と、
   ２つの端面を有し、前記筐体（１０）の前記内部空間に収容された圧電変換器（８）と、
   前記筐体（１０）の外側に配置された共振器（２）と、
   前記圧電変換器（８）を前記共振器（２）に接続し、少なくとも一部が前記筐体（１０）から突出する連接要素（７）と、
   内部空間を有するカップ形状に形成され、底部（３６）が前記圧電変換器（８）の表面に音響的及び熱的に結合され、前記外壁の前記内側面（３２）に隙間（３４）を形成して隣接して延びる少なくとも１つの表面（２４）を有し、前記圧電変換器（８）の損失熱を前記隙間（３４）を介して前記外壁に伝達する伝熱要素（９）と、を備え、
   前記筐体（１０）は、中空構造であり前記底部（２９）から内側に突出し前記伝熱要素（９）の前記内部空間に配置される突出部（３８）を有し、
   前記突出部（３８）は、前記伝熱要素（９）の前記内部空間に配置されたときに、前記伝熱要素（９）の内側面との間に隙間ができるように形成されている、
   液体に超音波を発生させる超音波棒変換器（１）。
2. 前記内部空間は、円筒の断面を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
3. 前記伝熱要素（９）は、円筒状の外側面を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
4. 前記伝熱要素（９）は、星形状の断面を有し、
   前記カラー（２８）の前記内側面（３２）は、前記伝熱要素（９）に沿うように断面が星形状となるように形成され、
   前記内部空間は、星形状の断面を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
5. 前記星形状は、中心領域、及び、この中心領域から突出する複数の突起から構成されるものである、ことを特徴とする請求項４に記載の超音波棒変換器。
6. 前記複数の突起は、夫々同様の形状を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の超音波棒変換器。
7. 前記突起は、断面に見て、概略三角形である、ことを特徴とする請求項５又は６に記載の超音波棒変換器。
8. 前記カラー（２８）は、円筒の外表面を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
9. 前記筐体（１０）は、円筒状のカラー（２８）とカップ底部（２９）とから成る、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
10. 前記筐体（１０）は、その内部に、角柱状の内部空間を画定する、ことを特徴とする請求項９に記載の超音波棒変換器。
11. 前記隙間（３４）の幅は、０．５ｍｍと３ｍｍの間である、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
12. 前記連接要素（７）は、その外径が、前記内部空間の内寸幅より大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
13. 前記圧電変換器（８）は、その間に電極（１８）が挿入された多数の隣接して配置された圧電ウェハ（１７）から形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
14. 前記圧電変換器（８）は、２つの端面部を有し、伝熱要素（９）は、一の端面部に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
15. 前記圧電変換器（８）は、音響的に結合された２つの区分を有し、前記伝熱要素（９）は、前記２つの区分の間に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
16. 前記液体に発生する前記超音波の波長をλとした場合、
    前記伝熱要素（９）は、振動軸に平行な方向に、λ／２の長さを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。
17. 前記連接要素（７）は、一部が、前記筐体（１０）の外側に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波棒変換器。

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