TW423170B - High power ultrasonic transducer - Google Patents

Description

•4 23 1 7 0 五、發明說明（υ 發明技術領域 本發明係關於超波功率轉送器’特別是關於具有壓電式 元件之高功率超音波功率轉送器’用於相關於周遭而有減 低導熱率之狀況下。 先前技藝 超音波功率轉送器有時必須在減小導熱率之環境條件下 使用，例如用於沉水式功率轉送器時，以及在高溫環境下 工作之功率轉送器。 不論功率轉送器之設計如何，一高周園溫度皆構成減低 導熱率之環境，功率轉送器之壓電式元件所產生之熱容易 在功率轉送器内建立起一高内在溫度，而非轉移熱量至周 側環境。 在一沉水式超音波功率轉送器中，熱量係留置於功率轉 送器内，一沉水式功率轉送器之殼體係密封以供其在水下 操作，致使過量之熱移出功率轉送器形成困難。多種沉水 式功率轉送器係習見於此技藝内，例如頒與 H.J.ffollast on之英國專利卜266-143號揭述—種超音波功 率轉送器，其中一功率轉送器之振盪壓電式元件係容裝於 一管形殼體内。 再者，一般表面安裝式功率轉送器例如設於一槽櫃壁面 外侧上者，其通常需要包封以承受惡劣之工業環境，故其 狀況相似於沉水式功率轉送器所發生者。 因此，包封一功率轉送器之壓電式元件將減低壓電式元 件與功率轉送器周側介質之間之導熱率，藉此即減低壓電

第4頁 ^2317〇 五、發明說明（2) 式元件之冷却，而壓電式元件中昇高之溫度將降 性效率及最後通常在大約60 8卞（32〇。〇溫度時材料即去機 極’而逐漸無效。 此舉在高功率之功率轉送器情況中尤其顯著，宜中所施 加之較高功率可在壓電式元件中產生可觀之内熱了以及產 生^率轉送器之包封中，特別是若整體共振系統並益一 正確之聲音與電氣式調諧。 此外，一高功率超音波功 現象而減少，例電暈放電及 緣與功率轉送器其他導電紕 存在，則電暈放電將產生導 間距離減少時，弧絡即會出 雖然諸現象並不限於包封式 生仍為高溫所致破壞以外之 減少電弧效應之一般方式 緣介質中，但是此將進一步 周側之間之導熱率。 率轉送器之使用壽命亦由以下 弧絡，其發生於壓電式元件邊 件之間。若有任意之有機材料 電性之碳層，且當不同電極之 現，電弧會破壞壓電式元件。 之功率轉送器，但是電弧之發 另一缺點。 係將壓電式元件堆疊浸入〜绝 減低壓電式元件與功率轉送器

在c. G，0’ Neil 1之美國專利4, 011，474號中揭示一種功率 轉送器，其具有相互堆疊之平坦狀壓電式元件，其改良處 在於一電介質係以壓力施加於碟形壓電式元件之徑向束 端’電介質可為一固體材料或流體，較佳為液體。 如4, 011，474號美國專利中所述，以壓力施加於壓電式 元件之電介質可減少衰退式電弧之發生，但是低導熱率之 問題仍然存在。

3說明（3) 發明概述 生一目的在提供—種超音波功率轉送器1以產 “有改善效率之高功率超音波振動。 一此目的係由申請專利範圍第丨項之方法達成，其 壓Π =利用一冷却劑之流動而冷却管形功率轉送疋器之 圭實例中’冷却劑為足以抑制電晕與電 SF6做為主要成份。-最佳實例中’氣體係以六氟化硫 ^發明第二項内容中備有申請專利範、 率轉送器裝置，其中定義一外訃以舢料嗔之超θ波功 之一超音波功率轉送器裝置^ 於本發明方法中 圖式簡單說明 < 一種使用於本發明方法之超音波功 範例及參閱附圖而說明之，其中.牛轉k器裝置將利用 圖1係本發明之—功率轉送器實例戴面圖。 圖2A係本發明之一冷却構件實例之 圖2B係圖2A所示紐件組人 仟分解圖。 nn #廟汕所千厥」 冷却構件之立體圖。 圖3係圖2B所不壓電式元件堆叠 功率轉送器實例中之立體圖。 邱稱件用於本發明 實施例詳細說明 在一超音波功率轉送器中 間增高…歷電式材料内之件溫度將在操作期 量積聚於功率轉送器内之故，特同時因為聲音能 特別是若功率轉換器系統未

囀

423 1 五、發明說明（4) 正確調错時· l 度工作之隹顯然壓電式材料僅能在材料以較低溫 持其有效之ίί傳送超音波能量，而在其使用壽命期間保 之一種方法容許一具有堆疊狀壓電式元件 一上昇功率轉送器，其利胃冷却壓電式元件而以 担 準傳送超音波能量，包括以下步驟： 轉送器以至少一氣體入口及至少一氣體出口； 間之壓電：體1引裝置’用於冷却各對相鄰屋電式元件之 引裝置，二t皮使得來自氣體入口之氣體可流過氣體導 置而由功率轉送器之氣體出口排放； 選擇一冷却氣體；及 =用一外部壓力源迫使該冷氣體 以利冷却鄰近之壓電式元件。 連接製置’ 老用,本發明方法之一超音波功率轉送器較佳實例將春 亏圖1說明如下。 只列腭翏 ::圖1所示’本發明功率轉送器1之實例包括—筒形金 ，係做為—共振體，其包含以熔接12相互固接之 、:4、5筒形殼體，一中央筒形通道2設於上殼 中空筒形容室3由上、下殼體定義之。在容室中； 形壓電式το件6、7，纟配置以令各元件6、7之中心 0於在通道2中央延伸之殼體1中心線。 於 係ΐΪΐ4安及上壓電式元件6之間設有一金屬冷却構件18， 接實ϋ接觸於各相鄰組件之間，因而亦於其間提 礼連接。一第二金屬冷却構件18設於壓電式元件6、7之

五、發明說明（5) 間，及一第三金屬冷却構件18設於下壓電式元件7與下殼 體5之間。為了取得正確之物理性及/或電氣式接觸'，可任 意插入導電夾鐵於相鄰組件之間，但是由於此非強制性， 故其未繪示於本實例中。 連接容室3之通道8、特別是壓電式元件6、7周側之容室 部份以及冷却構件18皆設於上殼體4内，供氣體流通於功 率轉送器外侧。 壓電式元件6、7之材料可為習知之適當陶質材料，例結 酸錯鈦酸鹽（PZT)、鈦酸鉛（PT)、間鈮酸鉛及鈦酸麵。殼 體4、5之金屬較佳為不銹鋼。在本實例中，各冷却構件 係一鋼碟片，具有一中心孔16及至少一枚且較^為多枚之 徑向孔14，可在冷却構件導電及導熱於其與壓電式元件 〕7及上、下殼體4、5鄰接之表面處肖，同時供氣體流過 藝範圍内所知者，壓電式，元件6、？需預施應力以 固工作’預施應力操作需在上、下殼體4、5相互 固接剛元成，且可由任意先前技藝執行。 9 ,中稈央插冷f構士件18例如以一熔接接頭1〇而通電至-金屬桿 氟乙=1太空套筒15之中央通道，中央通道係以聚四 U 接入通道12内。桿穿過套筒末端中之-封 接地之雷 一外部控制與電力單元（圖中未示）。一 接地之電位係提供至金屬殼體4、5。 連：ΪΪ3二通，筒15，通道將套筒中之-氣體入口孔11 各至3，特別是分別由冷却構件18中心孔與壓電式 423170 五、發明說明（6) 元件6、7所定義之容室部份》—適當之管件可接附於氣體 入口孔，以連接至一適當之習知氣體與壓力源（圖中未 示）。雖然圖1中僅示一通道30，但是仍可有一條以上之此 通道可提供，以利於容室内取得一均勻之流動分佈。 因此’一冷却氣體可藉由施加3至30 psi範圍内之正確 壓力而送入氣體入口孔11至通道30内，氣體流入冷却構件 1 8之中心孔及通過徑向孔丨4，藉以經由冷却構件而接收壓 電式元件6、7之熱，且最後經由出口通道8排出。因此， 堡電式元件中之内熱可依控制方式自功率轉送器内側輸送 至外側。 出口通道8最好以管件接至一熱交換裝置，以利冷却氣 體且使其在一封閉之循環系統中循環通過功率轉送器， =，由於此組合為非必要，其可利用習於此技者熟知之適 占=備達成，且其在本發明之新穎性内容以外，因此圖1 中未揭示此一封閉式循環系統。 用制與電力單元提供-經由選定以適於現有應 頻車下Γι ΠίΐηίΓ準及頻率至壓電式元件6、7，例如25 kHz 〇伏特峰峰值電壓，致使其可依習知技藝方 同時，氣體13係由氣體與 δ、7之間，如上所述，以利 效之工作溫度中。 使用於本發明之一冷却構 總成2 1 ’如圖2 A、2 Β所示， 壓力源強迫流動於壓電式元件 冷却元件及保持其在一低而有 件較佳實例係構成如一冷却碟 其中圖2A所示之總成組成為分

五、發明說明（7) 離式’而圖2B所示為其組合情形。 應注意的是，為了估 示冷却碟總成21之組Ϊ 更易於審閱，構成圖2A⑴所 却構件18者。 牛尺寸比例係衍生自圖1所示對應冷 面上：：几件22備有一中心孔23且具有平面式之上、下表 面，下碟形元件24 1右,^ 丄 ^ 取 寸及-平面式底表；(圖中 25 . ^ ^ 3 ^ 固中未不），且在其上表面備有槽道 周緣。、距間隔，且自孔26呈輻射狀伸出碟形元件 21 Ξ圖Up: I :元件22、24組合而構成-冷却構件 却L 碟形元件22覆蓋’藉此形成可供-冷 此冷却構件實例之優點在於括也丄 冷却構件與壓電式元件之二，、藉坦之接觸區域於 最小之機械式接觸壓力，同時可容理想之熱傳導與 isn掘-田&目士 n時可令井較低之製造成本。 圖3揭不用於具有二枚以上（此例中為四枚） 之功率轉送器實例中之交替式壓雷_ ^疋件 堆[除了放置冷却構件Si J = = 構件21 可設於堆疊最外側壓電式元件與其各別“殼體去卩：：亦 (此相似於圖1中之雙壓電式元件堆 面之間 2B中所示之實例’如圖所示’俯視時，各/構件為圖 使其徑向通道29筆直於其他冷却構件之徑：m設置 然通道之任意配置方式皆可行且可a 、上方，雖 在於其提供最佳可行之聲音特徵。，曰疋*配置之優點 五•發明說明（8) '--— 本發明之一超音波功率轉送器相較於習知之功率轉送器 而可將較高之施加電壓比轉換為超音波能量，此因系統冷 却功率轉送器内之壓電式元件所致。此項冷却亦使壓電^ 兀,可比無冷却時承受較高之施加電壓，因而提高功率^ 送器之效率及壽命，同時亦可使用本發明之功率轉送器於 比一般功率轉送器為高之周圍溫度。 應注意的是，組件以及組合功率轉送器之尺寸需經選 定’以適合於目前之應用。因此，功率轉送器應依功率轉 送器系統所用之共同原理而定尺寸，且最好調諧於聲音式 與電氣式共振下工作，以利給予最高之可能輸出效率。 多種氣體可用於冷却壓電式元件之目的，而—般之規定 為氣體需呈充份之惰性，故其不致於損及功率轉送器之任 意組件’此外，其應具有良好之導熱性。 因此’適合之氣體包括氮、氫、二氧化碳、氟氣烷12及 氨。 惟’使用於本發明冷却系統之最佳氣體為六氟化硫， SF6。 六氟化硫sf6具有優異之熱性能，例如其為二至三倍於 任意上述之其他氣體c 此外，SF6亦為一優異之電介質，SF6之此項性質可有利 於使用在本發明之功率轉送器中，因為其在高電磁場強度 出現於壓電式元件附近時，可減少電狐現象發生。 應指出的是，由於本發明可使用較一般類似功率轉送器 者為高之電壓，因此不同電位部份之間之距離即可延長，

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五、發明說明（9) 其相較於一般之功率韓， 之使用即可減少咬消降斟，β避免電弧發生。SFe氣體 全理由仍應安裳^==距離之需求，，，基於安 統中逐漸變低時避免短路雷：J氣體壓力於循環系 轉送器之電壓顯示，當二率不波器亡監視施加於功率 操作時電壓曲線上即出 皮】以=巩或二氧化碳C〇2 . ΠΪΏ祝卞擾波峰，其助成曾營夕發峰， :實際Μ改用巩循環通過功率轉送器時則可完全消 Α ί :漸f測” ί出本發明之超音波功率轉送器使用SF6做 為冷却劑，則當施以12〇〇〇伏特及2〇 1^2時仍有相似之長 期性質，而一般功率轉送器係施以9〇〇伏特及Μ 。 雖然SFs為用於本發明中之最佳氣體，但是應注意的是 SFs亦具有一些較不令滿意之特徵，即當設計一功率轉送 器以供目前之應用時即需加以考量。 因此’吾人已知在極強電場之影響下，一般為1〇〇〇〇伏 特以上’則S Fe會與多種化合物反應，包括水氣，而產生 最終足以衰退及破壞一高電壓裝置之氣體及離子。因此， 重要的是’在SFe環境中’高電壓裝置應含有極少或不含 衰退性化合物於近高壓場處，例苯樹脂、玻璃、玻璃強化 材料或瓷器，由於此一高電壓之壓電式功率轉送器通常在 20 0 00伏特以下操作，因此SFs可用於抑制電暈放電及類似 者於此一功率轉送器中。 再者，SFe對於環境有危害性’特別是其已由國際氣候

423170 五、發明說明（ίο) 變化審查小組之科學家歸類為可能之溫度效應氣體，因此 必須注意其不致逸至大氣中。 用於超音波功率轉送器之一 SF6&却系統因而較佳為一 封閉式系統，其中會在超音波功率轉送器中昇溫之SF6應 在其再次泵送通過超音波功率轉送器之前在功率轉送器外 冷却。 本發明雖已做相關於其較佳實例之詳細說明，但是可以 瞭解的是在申請專利範圍内，諸實例仍可有多種變化。

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Claims (1)

1. 423170 六、申請專利範圍 1. 一種用於改善一超音波功率 至少二壓電式元件 .，且一交流電壓施 其體積， 殼體内之 轉送器係採用 係成列地堆疊 以令其因應於 有包覆於一流 率轉送器穿過 給氣體及至少 該方法包 提供一 用於冷却壓電 可提供一氣體 置配置成使入 於出口導管； 選定及 強迫該 氣體導引裝置 上昇，及排放 2. 如申請專 之該步驟包括 氫、二氧化碳 3. 如申請專 之該步驟包含 以利抑制功率 4. 如申請專 此而改變 體密閉式 其殼體而更進一步 一出口導 含以下步 氣體導引 式元件， 流動路徑 口導管流 管以排出 驟： 裝置於各 該氣體導 而穿過氣 通於該通 轉送器輸出之方法，功率 之型式*其中壓電式元件 加於元件之相對立表面， 及功率轉送器進一步為具 壓電式元件之型式，且功 備有至少一入口導管以供 氣體， 對相鄰壓電式元件之間， 送裝置備有至少一通道， 體導引裝置，及該導引裝 道入口且該通道出口流通 v 提供一冷却氣體； 冷却氣體進入入口導管，藉此迫使其流過該 ，以冷却相鄰壓電式元件而該冷却氣體溫度 該昇溫之冷却氣體通過出口導管。 利範圍第1項之方法，其中選定一冷却氣體 自以下氣體族群中選定該氣體之步驟：氮、 、氟氯烧1 2、氨及六氟化硫SF6。 利範圍第1項之方法，其中選定一冷却氣體 依據其電介質性質選定該冷却氣體之步驟， 轉送器内之弧絡。 利範圍第3項之方法，其中選定一適當電介

   第14頁 4 2 3 丨 7 0， t、申請專利範圍 質性質冷却氣體之該步驟包含選定六氟化硫（SFe)做為該 冷却氣體。 5. —種超音 件，其中壓電 至一施加於元 而改變其體積 至少一入口導 出氣體，其皆 一氣體導 於以 波功率 式元件 件相對 ，且壓 管用於 穿過殼 引裝置 冷却氣 間，用 裝置具有至少一中心 以流通於出口 道，其提供一 入口導 6.如 中該氣 中該金 具有第 其一平 碟片之 槽道， 管與出 申請專 體導引 申請專 屬碟形 二中心 坦表面 徑向内 以定義 導管， 氣體流 口導管 利範圍 裝置係 利範圍 元件係 孔之第 上備有 轉送器裝置，其採用至少二壓電式元 係成列地堆疊且備有裝置以令其通電 立表面之交流電壓源，使其因應於此 電式元件包覆於一氣密式殼體内，及 供給一氣體與至少一出口導管用於排 體，超音波功率轉送器裝置包含·. ，係設於各對相鄰之壓電式元件之 體冷却壓電式元件，其中該氣體導引 孔以流通於入口導管及一外環緣表面 該氣體導引裝置進一步備有至少一通 動路徑而穿過氣體導引裝置，且位於 之間。 第5項之超音波功率轉送器裝置，其 一金屬碟形元件。 第6項之超音波功率轉送器裝置，其 一具有第一中心孔之第一碟形板與一 二碟形板之組合，該第二碟形板則於 至少一槽道，可以其徑向外環緣接於 環緣，及諸板係組合以使第一板覆蓋至少一 一穿過該組合之通道。

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