專利名稱：用于冷卻超聲換能器的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于冷卻超聲換能器的方法和裝置，此方法和裝置具有權利要求1和6所述的技術特征。
背景技術：
在超聲換能器的工作過程中，能量損失被轉換為熱。這些損失一方面是由于電的損失而造成的，另一方面是由于當電能被轉換為機械能時壓電元件內產生的內部摩擦而造成的。已知有不同的方法能夠有效的消除產生的熱量。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)通過熱傳導或對流進行熱傳遞的。在很多情況下，這兩種工作原理是組合使用的。
固有地具有大的振幅的高功率超聲換能器很難冷卻，因為必須消除大量的熱且同時不能產生更多的摩擦或額外的熱量。由于冷卻液易于發(fā)生氣穴現(xiàn)象從而容易產生大量的額外能量，潛在地損壞換能器，迄今只有氣體介質被成功的使用來利用對流有效地消除熱量。當使用氣體時需要大量的高壓氣體，這使得這種冷卻方法很不經濟。而且，冷卻氣體必須沒有固體或液體污染物，以防止在高功率超聲換能器工作的高電壓下形成橋接電路導致短路。
EP0553804 A2公開了一種基于熱傳遞的用于高頻超聲波變換器的冷卻系統(tǒng)。散熱器被布置在超聲換能器的后面并通過導熱樹脂與殼體連接。熱量最初被從換能器傳遞到散熱器并從那里經過樹脂到達周圍的殼體，而后周圍空氣從殼體上帶走熱量。這種冷卻不適用于高功率裝置，也不能被用在幾個微米的大振幅情況下，因為大量的能量會被傳遞到樹脂上。
在很多情況下，超聲換能器的冷卻系統(tǒng)全部地通過布置在包圍換能器殼體上的開口進行對流來消除熱量(如SONOPULS HD 60，BANDELIN electronic GmbH&Co.KG)。這種冷卻方式也不適用于高功率應用。
對這樣的冷卻系統(tǒng)的一些改進已為人們所知，通過風扇或壓縮空氣提供額外冷卻。通過這種冷卻，大量的灰塵或污染物被不利地傳送到殼體中，這將會增加由于導電污染物形成的橋接電路導致的電路短路的危險。已知的還有利用風扇和熱交換器從內到外進行熱交換的封閉系統(tǒng)。這些系統(tǒng)十分復雜并只允許消除有限的熱量。
EP 0782125 A2公開了一種用于冷卻高頻超聲換能器的配置，攜帶液體的導熱管與布置在換能器下游側的散熱器相連接。冷卻液經過連接管路被提供和去除。因此熱被通過對流從散熱器消除。在這樣的冷卻系統(tǒng)的具體實施例中，在轉換器的周圍導熱管被整個或部分地形成如槽狀以獲得尤其大的接觸表面。冷卻液不會流過超聲換能器，而流經與轉換器接觸的冷卻系統(tǒng)。這樣的配置也不適用于有效的消除高功率裝置的熱量。
WO 0008630 A1公開了一種消除熱量的配置，特別是從高功率操作的超聲換能器中。熱量的消除是基于熱傳導和對流。換能器主體的表面設置了吸振層，此吸振層在熱量傳遞期間會減少機械摩擦損失。一層導熱材料被布置在吸振層上方。散熱器被布置在導熱層上，經對流冷卻裝置將熱量從散熱器上消除。這樣的配置具有這樣的缺陷各層之間過渡處的溫度梯度導致熱量消除效率的降低。而且，換能器和冷卻裝置之間的最大公共接觸面被限定成換能器的表面。因此，僅當提供大量的冷卻液時超聲換能器才能夠在高功率下連續(xù)工作，這使得該方法很不經濟。
U.S.5,936,163公開了一種超聲換能器，其被使用在高溫環(huán)境，如反應堆與蒸汽管。為了消除從周圍傳入換能器的熱量，超聲換能器的主體通過循環(huán)冷卻介質進行冷卻。
這些已知的方案都會防礙超聲換能器在高功率下連續(xù)工作和/或傾向于僅在降低效率的情況下允許連續(xù)工作。

發(fā)明內容
因此本發(fā)明的一個目的是為了提供一種用于冷卻超聲換能器的方法和裝置，其能夠比之前已知的裝置更加有效地消除由于熱量損失產生的熱量，且因此能夠使超聲換能器可靠與經濟地連續(xù)工作，甚至在高功率水平下連續(xù)工作。
本發(fā)明通過具有權利要求1中所敘述特征的方法與具有權利要求8所敘述特征的裝置的來實現(xiàn)這個目的。如本發(fā)明所述的用于冷卻超聲換能器的方法，其特征在于，冷卻液流過和/或環(huán)繞地流過超聲換能器的主體。通過這樣的方法，在換能器中產生的熱量直接通過對流被方便地消除。不需要經過散熱器的熱傳導。穿過換能器的液流在換能器和冷卻液之間提供了很大的公共接觸表面。比傳統(tǒng)方法更加有效地消除熱量，因此根據本發(fā)明的技術手段允許超聲換能器在高功率水平上連續(xù)工作。
較佳地，在本方法的范圍內，確定冷卻液的壓力以便減小或防止氣穴現(xiàn)象。最好地，壓力被設置在2到20bar的范圍內，優(yōu)選5bar。這個方法有效地降低了由于氣穴現(xiàn)象損壞裝置的風險并降低或甚至阻止了能夠產生額外能量的氣穴現(xiàn)象。
冷卻液的壓力能夠通過合適地確定流過通道和/或通過氣壓而得出。
而且，在本發(fā)明的方法的內容中，穿過超聲換能器主體的液流被從內部區(qū)域向外部區(qū)域提供，由此液流壓力在內部區(qū)域被建立且冷卻液經殼體被排出，或從外部區(qū)域到內部區(qū)域，其中壓力在外部區(qū)域內被建立且冷卻液經內部區(qū)域被排出。本方法從換能器消除熱量尤其有效。而且，為了消除氣穴現(xiàn)象，可在內部區(qū)域和外部區(qū)域中都產生壓力，由此必須在內部區(qū)域和外部區(qū)域之間建立壓力梯度以允許冷卻液流動。
同時，冷卻液最好地能夠在內部區(qū)域中和/或外部區(qū)域中繞著超聲換能器的主體流動，因為經對流熱量被由此從換能器表面消除。
內部區(qū)域在這里被定義為拉桿和換能器主體之間的空腔，而外部區(qū)域被定義為換能器主體和殼體之間的空間。
而且，在本發(fā)明的方法的內容中，冷卻液可以是非導電的液體以阻止電路短路。
根據本發(fā)明的用于冷卻超聲換能器的裝置較佳地包括至少一個壓電堆和至少兩個圓柱形換能器主體，且該換能器主體與壓電堆形成λ/2振蕩器，其中多重換能器的組合能夠通過將兩個換能器主體組合為單一換能器主體而形成，且其中至少兩個換能器主體中的至少一個包括至少一個流過通道，在壓力作用下冷卻液能夠流過此流動通道。這樣，在換能器中產生的熱量能夠方便地直接通過對流消除。不需要經過散熱器的熱傳導。而且，根據本發(fā)明的的技術手段，能夠在換能器與冷卻液之間實現(xiàn)很大的公共接觸面。這種熱量消除形式比傳統(tǒng)方法更加有效，所以本發(fā)明的技術手段使得超聲換能器能夠在高功率水平上連續(xù)工作。
根據本發(fā)明的較佳實施例，冷卻液的壓力被確定以減少或甚至阻止氣穴現(xiàn)象。最好地，在2到20bar的范圍內調節(jié)壓力，優(yōu)選壓力為5bar。這個方法有效地降低了由于氣穴現(xiàn)象損壞裝置的風險并降低或甚至阻止了能夠產生額外能量的氣穴現(xiàn)象。
而且，根據本發(fā)明的較佳實施例，至少一個流通管道形成為槽，這在換能器主體和冷卻液之間提供了尤其大的公共接觸面，提高了熱消除效率。
根據本發(fā)明的另一個較佳實施例，裝置包括布置在至少兩個轉換器主體的空腔中的拉桿和至少兩個開口和至少一個導向通道，導入的加壓冷卻液能夠流過此導向通道。冷卻液由此能夠以特別簡單和一致的方式被導入空腔。
另外，根據本發(fā)明的另一個較佳實施例，冷卻液能夠通過至少一個導向通道被提供且通過至少一個流過通道排出。較佳地，冷卻液也能夠通過至少一個流過通道被提供且經過布置在拉桿上的至少一個導向通道被排出。通過這樣的方法，冷卻液能夠以尤其直接的方式從內部區(qū)域到外部區(qū)域，或從外部區(qū)域到內部區(qū)域流過換能器主體。
而且，根據本發(fā)明的一個較佳實施例，裝置包括液體密封殼體。殼體的配置，一方面，是為了保護換能器的活性元件，另一方面，代表了尤其有利的收容與導向冷卻液的選擇。
而且，根據本發(fā)明的較佳實施例，裝置包括與殼體和/或與喇叭和/或與端塊連接的法蘭。此法蘭容易地與殼體相連。而且，電極臂喇叭是與超聲極連接的尤其有利的選擇。
根據本發(fā)明的另一較佳實施例，裝置包括至少一個冷卻液管線接頭，通過其冷卻液能夠流進換能器空腔和/或被從換能器主體的空腔中排出。通過這樣的方法，空腔能夠簡單地與冷卻液供應裝置連接且容易地提供冷卻液。
根據本發(fā)明的另一較佳實施例，裝置具有至少一個冷卻液管線接頭，通過其冷卻液能夠流進至少一個導向通道和/或能夠被從至少一個導向通道中排出。通過這樣的方法，導向通道能夠簡單地與冷卻液供應裝置連接且容易地提供冷卻液。
而且根據本發(fā)明地另一較佳實施例，裝置具有至少一個冷卻液管線接頭，通過其冷卻液能夠流進殼體和/或能夠從殼體中排出。通過這樣的方法，殼體能夠簡單地與冷卻液供應裝置連接且容易地提供冷卻液。
最后，還是根據本方明地另一較佳實施例，冷卻液能夠至少部分地環(huán)繞內表面和/或至少部分地環(huán)繞至少兩個換能器主體中的至少一個的外表面流動。通過這樣的方法，經對流熱被從換能器主體有效地消除了。
根據本發(fā)明的另一實施例，換能器主體不包括流過通道。在這個實施例中，冷卻液只環(huán)繞換能器主體流動，且內部空間通過連接通道與外部空間相連。
本發(fā)明的其它較佳實施例包括其它從屬權利要求敘述的特征。


下面將參考相關的附圖對本發(fā)明的實施例進行描述。如下所示圖1為具有軸向布置的冷卻液供應管線的冷卻裝置的超聲換能器的截面示意圖；圖2為具有兩個徑向布置的冷卻液供應管線的冷卻裝置的超聲換能器的截面示意圖；以及圖3為不具有流過通道，但有連接通道的冷卻裝置的超聲換能器的截面示意圖。
具體實施例方式
圖1顯示了超聲換能器的縱向截面示意圖，其中包括根據本發(fā)明的用于冷卻超聲換能器的裝置。超聲換能器由圓柱形換能器主體5，6以及布置在相應的換能器主體的端面之間的壓電堆4構成。換能器主體5，6中的幾個被構成單一換能器主體6，其中在每個端面上布置有獨立的壓電堆4。獨立壓電堆4中的一個與換能器主體5中的一個連接且與單一換能器主體6中的一個的任一半或兩個單一換能器主體6的一半形成λ/2振蕩器。換能器主體5，6具有徑向延伸的流過通道7。換能器主體5，6與壓電堆4交替布置在具有端螺紋的拉桿3上。這樣的布置通過布置在拉桿3兩側的兩個螺紋端塊10被固定且拉緊，且每一個端塊10被旋在拉桿3的端螺紋上。拉桿3包括冷卻液的導向通道13。在導向通道13的一端配置了與冷卻液管線1的接頭，這形成了冷卻液的供應管線1。拉桿具有出口用于冷卻液流出導向通道進入換能器主體的空腔11中。相對的端塊10連接喇叭8，該喇叭8能夠連接超聲極并發(fā)送換能器產生的機械振蕩。該裝置配置了液體密封殼體12以容納冷卻液，其與法蘭9相連以安裝在外部系統(tǒng)中。法蘭9與喇叭8相連。法蘭有用于冷卻液管線2的接頭，這形成將冷卻液從殼體12中排出的排出管線2。冷卻液供應管線1穿過殼體12。冷卻液在壓力下通過供應管線1被導入拉桿3的導向通道13。冷卻液通過導向通道13被供應進入換能器主體的空腔11。然后冷卻液流經換能器主體最終通過換能器主體5，6的流過通道7。換能器產生的熱量由此通過對流直接傳輸?shù)嚼鋮s液。從流過通道7出來的冷卻液被收集在殼體12中而后通過排出管線2從裝置中排出。通過這樣的方法，超聲換能器能夠被比傳統(tǒng)的方法更加有效的冷卻。本發(fā)明的方法也能夠使超聲換能器在高功率下連續(xù)工作。
換能器主體的壽命能夠被延長和/或經過槽狀流過通道7的流動能夠通過配置開口得到改進，例如在流過通道7的端部的圓形孔。較佳地，孔的直徑大于槽的寬度。
圖2顯示了具有根據本發(fā)明另一實施例的超聲換能器的冷卻裝置的超聲換能器設計的縱向截面示意圖，其基本上對應于圖1的描述。但是，與圖1的實施例不同，布置了兩個冷卻液供應管線1，且每一個從外部經過殼體12與端塊10徑向延伸進入拉桿3與換能器主體5，6之間的空腔11。連接冷卻液管線與空腔11的接頭1在這里被布置在換能器的兩側。然后冷卻液在壓力下從相對端被導入空腔11且經流過通道7被排出。與圖1的布置相比，這樣的布置有利于在裝置的整個長度上更加均勻地消除熱量。因此，超聲換能器比圖1描述的實施例更加有效的冷卻。
圖3顯示了本發(fā)明的另一實施例，其中換能器主體5，6缺少流過通道7。但是，內部空間11通過連接通道15與外部空間相連。在第一個變型中，冷卻液通過供應管線1供應，經過導向通道13到達內部空間11，環(huán)繞換能器主體5，6流動，冷卻它們，然后通過連接通道15排出到外部空間11，且經過外部空間14與排出管線2被排出。在這個變型中，只有換能器主體5，6的內部被冷卻。另一方面，在第二個變型中，只有換能器主體5，6的外部被冷卻，使用通過殼體供應管線1a和圓環(huán)管線17供應的冷卻液。通過殼體供應管線1a供應的冷卻液被均勻的供應并通過圓環(huán)管線17分配，而后繞著換能器5，6的外部流動，且在被通過排出管線2排出之前在這里形成至少一個冷卻液層。
在第三個變型中，換能器主體5，6的內部表面與外部表面能夠通過供應管線1供應冷卻介質進入內部空間11和通過殼體供應管線1a進入外部空間14被冷卻。
通過供應管線1提供的用于冷卻內部表面的冷卻介質和通過殼體供應管線1a的用于冷卻換能器主體5，6的冷卻介質通過排出管線2排出。
本實施例通過氣壓接頭16在殼體12內產生氣壓來防止氣穴現(xiàn)象，在本實施例中氣壓為6bar。
本發(fā)明不局限于所描述的實施例與改進。通過組合前述的方法和特征能夠實現(xiàn)其它實施方式和改進，而不脫離本發(fā)明的范圍與精神。
符號說明1冷卻液管線接頭，供應管線1a殼體供應管線2冷卻液管線，排出管線3拉桿4壓電堆5換能器主體6單一換能器主體7流過通道8喇叭
9法蘭10端塊11空腔，內部空間12液體密封殼體13引導通道14外部空間15連接通道16氣壓接頭17圓環(huán)管線
權利要求
1.一種通過消除能量損失產生的熱量來冷卻超聲換能器的方法，其特征在于，冷卻液流過和/或環(huán)繞超聲換能器的主體流動。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在冷卻液中產生壓力，通過確定壓力大小以減少或阻止氣穴現(xiàn)象。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，通過確定流過通道和/或通過氣壓產生壓力。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的方法，其特征在于，冷卻液的壓力被調節(jié)在2-20bar的范圍內，最好為5bar。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的方法，其特征在于，冷卻液通過超聲換能器的主體從內部區(qū)域流到外部區(qū)域或從外部區(qū)域流到內部區(qū)域。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的方法，其特征在于，冷卻液環(huán)繞著超聲換能器的內部區(qū)域和/或超聲換能器的外部區(qū)域流動。
7.根據權利要求1至6中的任一項所述的方法，其特征在于，冷卻液是不導電的液體。
8.一種用于冷卻超聲換能器的裝置，包括至少一個壓電堆(4)和至少兩個圓柱形換能器主體(5)，該換能器主體(5)與壓電堆(4)一起形成λ/2振蕩器，其中兩個相對應的換能器主體能夠被組合成多重換能器配置以形成單一換能器主體(6)，其特征在于，換能器主體(5，6)被內部空間(11)與外部空間(14)環(huán)繞，且至少兩個換能器主體(5，6)中的至少一個包括至少一個流過通道(7)，在壓力作用下導入的冷卻液能夠流過該流過通道(7)流動，和/或至少一個連接通道(15)被布置在內部空間(11)和外部空間(14)之間。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，確定壓力大小以減少或防止氣穴現(xiàn)象，且壓力被調節(jié)在2-20bar的范圍內，最好為5bar。
10.根據權利要求8和9中的任一項所述的裝置，其特征在于，至少一個流過通道(7)被形成為槽，且所述裝置包括布置在由至少兩個換能器主體(5，6)形成的空腔(11)中的拉桿(3)，該拉桿具有至少一個開口和至少一個導向通道(13)，在壓力作用下導入的冷卻液能夠通過該導向通道(13)流動，所述冷卻液能夠通過至少一個導向通道(13)被提供和通過至少一個流過通道(7)被排出，且所述冷卻液也能夠通過至少一個流過通道(7)被提供和通過布置在拉桿(3)內的至少一個導向通道(13)被排出。
11.根據權利要求8至10中的任一項所述的裝置，其特征在于，該裝置包括液體密封殼體(12)和法蘭，該法蘭與殼體(12)和喇叭(8)連接，且該裝置包括至少一個相對應的冷卻液管線接頭(1，2)，通過該接頭冷卻液能夠流進空腔(11)和/或從空腔(11)中排出，或者該裝置包括至少一個相對應的冷卻液管線接頭(1，2)，通過該接頭冷卻液能夠流進至少一個導向通道(13)和/或從至少一個導向通道(13)中排出，或者該裝置包括至少一個相對應的冷卻液管線接頭(1a，2)，通過該接頭冷卻液能夠流進殼體(12)和/或從殼體(12)中排出。
12.根據權利要求8至11中的任一項所述的裝置，其特征在于，冷卻液能夠繞至少環(huán)著至少兩個換能器主體(5，6)中的至少一個的一部分內表面和/或至少一部分外表面流
13.根據權利要求8至12中的任一項所述的裝置，其特征在于，開口被布置在流過通道(7)的末端，其開口的直徑比流過通道(7)的寬度大。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冷卻超聲換能器的方法和裝置。發(fā)明的裝置特征在于其包括至少一個壓電堆(4)和至少兩個圓柱形換能器主體(5)，且其與壓電堆(4)一起形成λ/2振蕩器。在多重轉換器組合體中，兩個獨立的換能器主體(5)能夠被組合形成為一個共同的換能器主體(6)且換能器主體(5，6)包括流過通道(7)，加壓的冷卻液能夠通過其流動。獨創(chuàng)性的冷卻超聲換能器的方法特征在于超聲換能器的主體被加壓冷卻液橫穿過和/或環(huán)繞。這使得在換能器中產生的熱能夠通過對流被直接地驅散。而且，獨創(chuàng)性的元件在換能器與冷卻液之間形成大的公共接觸表面。獲得了實質上比已知方法更加有效的熱消散且獨創(chuàng)性的元件也保證了高性能的連續(xù)工作。
文檔編號B06B1/06GK1739137SQ200380108610
公開日2006年2月22日 申請日期2003年11月19日 優(yōu)先權日2002年11月20日
發(fā)明者哈拉爾德·希爾舍 申請人:希爾舍博士有限公司