轴向水冷超声换能器.pdf

一种轴向水冷超声换能器，在变幅杆的上部通过轴向加工有水孔的联接螺栓上设前振动块，前振动块通过轴向加工有水孔且与出水接头连为一体的预应力螺栓上设后振动块，在前振动块与后振动块之间设在绝缘环内的前压电陶瓷片、中下压电陶瓷片、中上压电陶瓷片、后压电陶瓷片、前电极、后电极，在变幅杆和前振动块的轴向加工有与联接螺栓和预应力螺栓的轴向水孔相联通的轴向水孔，在变幅杆的径向加工有与轴向水孔相联通的径向水孔、并设与其径向水孔相联通的进水接头，在联接螺栓与变幅杆和前振动块之间、预应力螺栓与前振动块和后振动块之间设封水胶层。它具有稳定性好、散热性能好、使用寿命长等优点，可在超声处理等设备上推广使用。

1、  一种轴向水冷超声换能器，在变幅杆[12]的上部通过前联接件联接有前振动块[9]，前振动块[9]通过同一轴向的后联接件联接有后振动块[3]，在前振动块[9]与后振动块[3]之间依次设置有前压电陶瓷片[8]、中下压电陶瓷片[7]、中上压电陶瓷片[6]、后压电陶瓷片[5]，前压电陶瓷片[8]、中下压电陶瓷片[7]、中上压电陶瓷片[6]、后压电陶瓷片[5]与后联接件之间设置有绝缘环[4]，在前压电陶瓷片[8]与前振动块[9]之间以及中下压电陶瓷片[7]与中上压电陶瓷片[6]之间设置有前电极[16]，在前压电陶瓷片[8]与中下压电陶瓷片[7]之间以及中上压电陶瓷片[6]与后压电陶瓷片[5]之间设置有后电极[17]，其特征在于：所说的前联接件为轴向加工或制作有轴向水孔的联接螺栓[10]，在联接螺栓[10]与变幅杆[12]和前振动块[9]之间设置有联接螺栓封水胶层[11]；所说的后联接件为轴向加工有轴向水孔且与出水接头[1]联或连为一体的预应力螺栓[2]，在预应力螺栓[2]与前振动块[9]之间设置有预应力前封水胶层[15]、与后振动块[3]之间设置有预应力后封水胶层[18]，在变幅杆[12]的轴向位置加工或制作有与联接螺栓[10]的轴向水孔相联通的轴向水孔，在变幅杆[12]的径向位置加工或制作有与轴向水孔相联通的径向水孔，在变幅杆[12]的径向设置有与变幅杆[12]径向水孔相联通的进水接头[13]，在前振动块[9]的轴向位置加工或制作有与联接螺栓[10]的轴向水孔和预应力螺栓[2]轴向水孔相联通的轴向水孔。

2、  按照权利要求1所述的轴向水冷超声换能器，其特征在于：所说的联接螺栓[10]的轴向水孔、预应力螺栓[2]的轴向水孔、变幅杆[12]的轴向水孔和径向水孔、前振动块[9]的轴向水孔、进水接头[13]以及出水接头[1]的轴向水孔的孔径为1～30mm；所说的联接螺栓封水胶层[11]、预应力前封水胶层[15]、预应力后封水胶层[18]为环氧胶层或硅橡胶层或502胶层或臭氧胶层。

3、  按照权利要求2所述的轴向水冷超声换能器，其特征在于：所说的环氧胶层为A、B环氧胶层或HY-9.4粘接剂层或Dg-1粘接剂层或Dg-3粘接剂层或Dg-4粘接剂层或Dg-7粘接剂层或万能胶层；所说的硅橡胶层为703硅橡胶层或704硅橡胶层或705硅橡胶层或707硅橡胶层。

4、  按照权利要求1或2所述的轴向水冷超声换能器，其特征在于：所说的联接螺栓[10]的轴向水孔、预应力螺栓[2]的轴向水孔、变幅杆[12]的轴向水孔和径向水孔、前振动块[9]的轴向水孔、进水接头[13]以及出水接头[1]的轴向水孔的孔径相同。

5、  按照权利要求1或2所述的轴向水冷超声换能器，其特征在于：所说的联接螺栓[10]的轴向水孔、预应力螺栓[2]的轴向水孔、变幅杆[12]的轴向水孔和径向水孔、前振动块[9]的轴向水孔、进水接头[13]以及出水接头[1]的轴向水孔为中心水孔。

6、  按照权利要求4所述的轴向水冷超声换能器，其特征在于：所说的联接螺栓[10]的轴向水孔、预应力螺栓[2]的轴向水孔、变幅杆[12]的轴向水孔和径向水孔、前振动块[9]的轴向水孔、进水接头[13]以及出水接头[1]的轴向水孔为中心水孔。

7、  按照权利要求1或2所述的轴向水冷超声换能器，其特征在于：所说的联接螺栓封水胶层[11]、预应力前封水胶层[15]、预应力后封水胶层[18]为同一材料的封水胶层。

轴向水冷超声换能器
技术领域
本发明属于产生亚声频、声频或超声频的机械振动的方法或设备技术领域，具体涉及到利用电能的用压电效应或用电致伸缩的轴向水冷超声换能器。
背景技术
传统的超声换能器的散热系统采用风冷却，这种散热系统，只能对超声换能器的振动器件的表面进行冷却，而不能对产生温度较高的超声换能器的内部进行冷却，因高频介电损耗和高频机械振动内耗，造成超声换能器内部温度上升速度很快，几分钟就可达到上百度(摄氏)，热量不能及时带走，热量累积使其温度上升更高，造成超声换能器频率漂移很大，严重失谐不能长期正常工作，予应力螺栓高频机械强度降低、产生断裂纹不能使用，温度超过压电陶瓷片居里点，将失去压电效应，严重时还会破裂。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于克服上述超声换能器的缺点，提供一种结构简单、体积小、重量轻、产品成本低、使用方便、稳定性好、散热性能好、使用寿命长的轴向水冷超声换能器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在变幅杆的上部通过前联接件联接有前振动块，前振动块通过同一轴向的后联接件联接有后振动块，在前振动块与后振动块之间依次设置有前压电陶瓷片、中下压电陶瓷片、中上压电陶瓷片、后压电陶瓷片，前压电陶瓷片、中下压电陶瓷片、中上压电陶瓷片、后压电陶瓷片与后联接件之间设置有绝缘环，在前压电陶瓷片与前振动块之间以及中下压电陶瓷片与中上压电陶瓷片之间设置有前电极，在前压电陶瓷片与中下压电陶瓷片之间以及中上压电陶瓷片与后压电陶瓷片之间设置有后电极。本发明的前联接件为轴向加工或制作有轴向水孔的联接螺栓，在联接螺栓与变幅杆和前振动块之间设置有联接螺栓封水胶层。本发明的后联接件为轴向加工有轴向水孔且与出水接头联或连为一体的预应力螺栓，在预应力螺栓与前振动块之间设置有预应力前封水胶层、与后振动块之间设置有预应力后封水胶层，在变幅杆的轴向位置加工或制作有与联接螺栓的轴向水孔相联通的轴向水孔，在变幅杆的径向位置加工或制作有与轴向水孔相联通的径向水孔，在变幅杆的径向设置有与变幅杆径向水孔相联通的进水接头，在前振动块的轴向位置加工或制作有与联接螺栓的轴向水孔和预应力螺栓轴向水孔相联通的轴向水孔。
本发明的联接螺栓的轴向水孔、预应力螺栓的轴向水孔、变幅杆的轴向水孔和径向水孔、前振动块的轴向水孔、进水接头以及出水接头的轴向水孔的孔径为1～30mm。本发明的联接螺栓封水胶层、预应力前封水胶层、预应力后封水胶层为环氧胶层或硅橡胶层或502胶层或臭氧胶层。
本发明的环氧胶层为A、B环氧胶层或HY-9.4粘接剂层或Dg-1粘接剂层或Dg-3粘接剂层或Dg-4粘接剂层或Dg-7粘接剂层或万能胶层。本发明的硅橡胶层为703硅橡胶层或704硅橡胶层或705硅橡胶层或707硅橡胶层。
本发明的联接螺栓的轴向水孔、预应力螺栓的轴向水孔、变幅杆的轴向水孔和径向水孔、前振动块的轴向水孔、进水接头以及出水接头的轴向水孔的孔径相同。
本发明的联接螺栓的轴向水孔、预应力螺栓的轴向水孔、变幅杆的轴向水孔和径向水孔、前振动块的轴向水孔、进水接头以及出水接头的轴向水孔为中心水孔。
本发明的联接螺栓封水胶层、预应力前封水胶层、预应力后封水胶层为同一材料的封水胶层。
本发明与空气冷却压电陶瓷超声换能器相比，采用了水冷却系统，冷却水由变幅杆处流入，流经联接螺栓和前振动块，通过预应力螺栓流出，贯穿了超声换能器的轴向部位，有效地带走了大功率超声换能器振动系统工作时，由压电陶瓷介电损耗及高频机械振动内耗所产生的热量。提高了预应力螺栓高频机械强度，避免了工具头、变幅杆前端热量传播到换能器上，防止了因超声换能器内部温度过高所造成压电陶瓷片破裂，有效地提高了超声换能器的工作稳定性。本发明具有设计合理、结构简单、体积小、重量轻、产品成本低、稳定性好、使用方便、散热性能好、使用寿命长等优点，可在超声处理设备、纳米超声粉碎、超声加工、超声食品提取、超声中药提取、超声污水处理等设备上推广使用。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的轴向水冷超声换能器是由出水接头1、预应力螺栓2、后振动块3、绝缘环4、后压电陶瓷片5、中上压电陶瓷片6、中下压电陶瓷片7、前压电陶瓷片8、前振动块9、联接螺栓10、联接螺栓封水胶层11、变幅杆12、进水接头13、法兰盘14、预应力前封水胶层15、前电极16、后电极17、预应力后封水胶层18联接构成。
在变幅杆12的下部加工有法兰盘14，在变幅杆12的上部中心位置加工有螺孔和中心水孔，中心水孔的直径为20mm，螺孔的直径大于中心水孔的直径，在变幅杆12的上部径向位置加工有径向进水孔和同一中心的径向螺孔，径向进水孔的直径为20mm，径向进水孔与轴向位置的中心水孔相联通，在变幅杆12的径向螺孔内通过螺纹联接安装有进水接头13，进水接头13将通过管道与水管相联通，进水接头13的中心水孔的直径为20mm。在变幅杆12上部中心位置的螺孔内通过螺纹与联接螺栓10地下部联接，联接螺栓10的下部与变幅杆12上部之间封装有联接螺栓封水胶层11。在前振动块9的中心位置加工有下螺孔以及中心水孔，中心水孔的直径为20mm，下螺孔的直径大于中心水孔的直径，联接螺栓10的上部通过前振动块9的中心位置下螺孔内的螺纹与前振动块9的下部联接，联接螺栓10的上部与前振动块9的下部之间封装有联接螺栓封水胶层11，联接螺栓封水胶层11起防水作用，防止水进入变幅杆12与前振动块9的联接面，造成变幅杆12与前振动块9的联接面氧化腐蚀。在前振动块9的上部中心位置加工有上螺孔和中心水孔，中心水孔的直径为20mm，上螺孔的直径大于中心水孔的直径，在前振动块9上部中心位置的上螺孔内通过螺纹联接安装有预应力螺栓2，预应力螺栓2的中心位置加工有中心水孔，中心水孔的直径为20mm，预应力螺栓2的外表面加工有外螺纹，预应力螺栓2与前振动块9上部之间封装有预应力前封水胶层15。在预应力螺栓2的中部依次安装有前压电陶瓷片8、中下压电陶瓷片7、中上压电陶瓷片6、后压电陶瓷片5，前压电陶瓷片8、中下压电陶瓷片7、中上压电陶瓷片6、后压电陶瓷片5与预应力螺栓2之间安装有绝缘环4，绝缘环4使得前压电陶瓷片8、中下压电陶瓷片7、中上压电陶瓷片6、后压电陶瓷片5与预应力螺栓2之间绝缘。在前压电陶瓷片8与前振动块9之间以及中下压电陶瓷片7与中上压电陶瓷片6之间安装有前电极16，在前压电陶瓷片8与中下压电陶瓷片7之间以及中上压电陶瓷片6与后压电陶瓷片5之间安装有后电极17，前电极16和后电极17通过导线与电源线相连接。后振动块3的中心位置加工有螺孔，后振动块3通过其中心位置螺孔内的螺纹联接安装在预应力螺栓2的上部，后振动块3与预应力螺栓2的上部之间封装有预应力后封水胶层18，预应力前封水胶层15和预应力后封水胶层18用于防止冷却水流入到前压电陶瓷片8、中下压电陶瓷片7、中上压电陶瓷片6、后压电陶瓷片5、前电极16、后电极17处，造成高频电压短路。在预应力螺栓2的上端与预应力螺栓2连为一体有出水接头1，出水接头1的中心水孔的孔径为20mm，出水接头1将与管道相联接。本实施例的联接螺栓封水胶层11和预应力前封水胶层15以及预应力后封水胶层18为市场上销售的A、B环氧胶，也可采用HY-9.4粘接剂层或Dg-1粘接剂层或Dg-3粘接剂层或Dg-4粘接剂层或Dg-7粘接剂层或万能胶层。还可采用502胶层或臭氧胶层。
实施例2
在本实施例中，变幅杆12的中心水孔和径向水孔、联接螺栓10的中心水孔、前振动块9的中心水孔、预应力螺栓2的中心水孔、进水接头13以及出水接头1的中心水孔的孔径为1mm。其它另部件以及另部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，变幅杆12的中心水孔和径向水孔、联接螺栓10的中心水孔、前振动块9的中心水孔、预应力螺栓2的中心水孔、进水接头13以及出水接头1中心水孔的孔径为30mm。其它另部件以及另部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
在本实施例中，本实施例的联接螺栓封水胶层11和预应力前封水胶层15以及预应力后封水胶层18为市场上销售的705硅橡胶，也可采用703硅橡胶层或704硅橡胶层或705硅橡胶层或707硅橡胶层。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1所制备的轴向水冷超声换能器与空气冷却压电陶瓷超声换能器和日本生产的空气冷却NTK超声换能器进行了对比试验，试验情况如下：
1、测试仪器
ACQ-600超声发生器、功率计(EMB10K250-1551)、不锈钢水槽、超声换能器、变幅杆、工具头、玻璃棒水银温度计(0～200℃)。
2、被测仪器
(1)轴向水冷超声换能器；
(2)空气冷却压电陶瓷超声换能器；
(3)日本生产的空气冷却NTK超声换能器。
3、试验方法
将功率计串插于ACQ-600超声发生器与本发明之间，测量本发明输入的有效功率，本发明与变幅杆用螺栓联接，变幅杆与工具头用螺栓联接，工具头为等截面杆，向水中辐射，玻璃棒水银温度计测量本发明的后振动块的温度。空气冷却压电陶瓷超声换能器、空气冷却NTK超声换能器的试验方法同本发明的测试方法。
4、试验结果
在输入功率为200W时，试验时间5分钟、空气冷却压电陶瓷超声换能器的温度为90℃，试验时间10分钟、空气冷却压电陶瓷超声换能器的温度为120℃，破裂报废。
在输入功率为400W时，试验时间5分钟、空气冷却NTK超声换能器的温度为100℃，试验时间10分钟、空气冷却NTK超声换能器的温度为150℃，破裂报废。
在输入功率为450W时，试验时间5分钟、本发明的温度为30℃，试验时间10分钟、本发明的温度为40℃，试验时间30分钟、本发明的温度为50℃，试验时间2小时、本发明的温度为50℃，试验时间6小时、本发明的温度为50℃。