一种具有热管冷却装置的大功率超声波换能器，属于超声波换能器和热管应用技术领域，包括超声波辐射头、压电陶瓷元件、后盖板、紧固螺栓、正电极引线、负电极引线、蒸发段、中间段、冷凝段、导液芯和导热肋片；呈圆柱状的超声波换能器由超声波辐射头、陶瓷元件和后盖板通过紧固螺栓紧密连接加工而成，热管冷却系统由蒸发段、中间段、冷凝段、导液芯和导热肋片组成。本发明利用热管元件高导热特性对大功率超声波换能器进行冷却散热，能有效保证大功率超声波换能器在正常温度范围内高效工作，延长超声波换能器的使用寿命，结构简单，加工方便，具有很强的适应性和可操作性。
1.一种具有热管冷却装置的大功率超声波换能器，包括：
呈圆柱形状的超声波换能器，所述超声波换能器包括超声波辐射头、两块压电陶瓷元件和后盖板，通过紧固螺栓将所述超声波辐射头、所述压电陶瓷元件和所述后盖板紧密连接加工而成；其中，相邻的两块所述压电陶瓷元件的正极面相对，中间夹有薄铜片，作为所述超声波换能器的正极引线端；一块所述压电陶瓷元件的负极面与所述超声波辐射头的下端面相对，中间夹有薄铜片作为所述超声波换能器的第一负极引线端；另一块所述压电陶瓷元件的负极面与所述后盖板的上端面相对，中间也夹有薄铜片作为所述超声波换能器的第二负极引线端；正电极引线与所述超声波换能器的所述正极引线端相连；负电极引线与所述超声波换能器的所述第一和第二负极引线端同时相连；
所述热管冷却装置由蒸发段、中间段、冷凝段、导液芯和导热肋片组成，所述蒸发段通过所述中间段与所述冷凝段连通；其中，所述中间段由所述蒸发段至所述冷凝段具有预定角度的向上的坡度；所述导液芯依附于所述冷凝段的内表面，所述导热肋片设置于所述冷凝段的外侧，并与所述外侧紧密结合；
所述热管冷却装置的所述蒸发段呈圆筒形状，所述超声波换能器设置于所述蒸发段之内。
2.如权利要求1所述的大功率超声波换能器，其特征在于，所述热管冷却装置的工作工质充注量大于所述蒸发段的内部空间体积，同时不大于所述蒸发段和所述中间段的内部空间体积之和。
3.如权利要求1所述的大功率超声波换能器，其特征在于，所述中间段的内表面沿所述坡度方向开有多个微小的“U”形槽，其中所述“U”形槽的“U”形开口方向为所述中间段的内表面的法线方向并指向所述中间段的中心。
4.如权利要求1所述的大功率超声波换能器，其特征在于，所述蒸发段的内表面分别与所述超声波辐射头及所述后盖板的外表面紧密接触，接触面均涂有导热硅脂。
5.如权利要求1所述的大功率超声波换能器，其特征在于，所述超声波辐射头由铝合金制成，所述后盖板由钢制成。
6.如权利要求1所述的大功率超声波换能器，其特征在于，所述压电陶瓷元件呈圆环状，采用PZT4压电陶瓷材料制成。
7.如权利要求1所述的大功率超声波换能器，其特征在于，所述蒸发段、所述中间段、所述冷凝段及所述导热肋片均采用导热性能强的金属加工而成，所述热管冷却装置的工作工质的工作温度区间为20℃～100℃。
具有热管冷却装置的大功率超声波换能器
技术领域
[0001] 本发明涉及大功率超声波换能器，尤其涉及一种具有热管冷却装置的大功率超声波换能器，属于超声波换能器和热管应用技术领域。
背景技术
[0002] 超声波换能器在电能与声能转换过程中，因涡流而产生热量，使超声波换能器装置温度升高，有可能导致换能器性能衰减或无法长时间正常工作而不能满足实际使用要求。小功率超声波换能器，由于发热功率相对较少，通常不需要设专用的冷却系统；但对于大功率超声波换能器，例如功率在100瓦以上的超声波换能器，因发热功率较大，如果在其工作时不能有效进行冷却，换能器温度将会达到较高温度，不仅导致换能器工作效率下降较快，而且还将损坏换能器中核心元件——压电晶片。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请CN200810163538.9号，名称为“超声波换能器冷却系统”，公开了一种利用制冷系统对超声波换能器进行冷却，使超声波换能器能够在规定的温度范围内高效工作。这种冷却系统采用蒸汽压缩式制冷原理，通过制冷剂的压缩、冷凝、节流和蒸发过程，形成制冷循环，制冷剂不断带走超声波换能器内腔的热量，冷却系统比较复杂，而且投资也较高，不利于实际推广；中国实用新型CN200620133985.6号，名称为“超声波换能器”，公开了一种多振子以阵列形式排列而成的超声波换能器，该换能器采用“T”型管多路气体对各个振子分别进行冷却，达到迅速降温的效果，但这种直接气体冷却方式，由于换热面积较小，因此需要较低温度的冷却气体才能达到换能器散热要求。
[0004] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种具有高效冷却系统的大功率超声波换能器。
发明内容
[0005] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高效冷却系统的大功率超声波换能器，在不影响换能器性能的前提下，以超声波换能器的机械结构为基础，利用热管高效的传热特性将大功率超声波换能器工作时产生的热量带走，确保换能器在正常的温度范围内安全高效运行，并延长超声波换能器寿命。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种具有热管冷却装置的大功率超声波换能器，包括：呈圆柱形状的超声波换能器，所述超声波换能器包括超声波辐射头、两块压电陶瓷元件和后盖板，通过紧固螺栓将所述超声波辐射头、所述压电陶瓷元件和所述后盖板紧密连接加工而成；其中，相邻的两块所述压电陶瓷元件的正极面相对，中间夹有薄铜片，作为所述超声波换能器的正极引线端；一块所述压电陶瓷元件的负极面与所述超声波辐射头的下端面相对，中间夹有薄铜片作为所述超声波换能器的第一负极引线端；另一块所述压电陶瓷元件的负极面与所述后盖板的上端面相对，中间也夹有薄铜片作为所述超声波换能器的第二负极引线端；正电极引线与所述超声波换能器的所述正极引线端相连；负电极引线与所述超声波换能器的所述第一和第二负极引线端同时相连；所述热管冷却装置由蒸发段、中间段、冷凝段、导液芯和导热肋片组成，所述蒸发段通过所述中间段与所述冷凝段连通；其中，所述中间段由所述蒸发段至所述冷凝段具有预定角度的向上的坡度；所述导液芯依附于所述冷凝段的内表面，所述导热肋片设置于所述冷凝段的外侧，并与所述外侧紧密结合；所述热管冷却装置的所述蒸发段呈圆筒形状，所述超声波换能器设置于所述蒸发段之内。
[0007] 较佳地，本发明的大功率超声波换能器中，所述热管冷却装置的工作工质充注量大于所述蒸发段的内部空间体积，同时不大于所述蒸发段和所述中间段的内部空间体积之和。
[0008] 较佳地，本发明的大功率超声波换能器中，所述中间段的内表面沿所述坡度方向开有多个微小的“U”形槽，其中所述“U”形槽的“U”形开口方向为所述中间段的内表面的法线方向并指向所述中间段的中心。
[0009] 较佳地，本发明的大功率超声波换能器中，所述蒸发段的内表面分别与所述超声波辐射头及所述后盖板的外表面紧密接触，接触面均涂有导热硅脂。
[0010] 较佳地，本发明的大功率超声波换能器中，所述超声波辐射头由铝合金制成，所述后盖板由钢制成。
[0011] 较佳地，本发明的大功率超声波换能器中，所述压电陶瓷元件呈圆环状，采用PZT4压电陶瓷材料制成。
[0012] 较佳地，本发明的大功率超声波换能器中，所述蒸发段、所述中间段、所述冷凝段及所述导热肋片均采用导热性能强的金属加工而成，所述热管冷却装置的工作工质的工作温度区间为20℃～100℃。进一步地，所述金属为铜、铝、铜合金或铝合金。
[0013] 本发明的具有热管冷却装置的大功率超声波换能器利用热管元件的高导热特性，对大功率超声波换能器进行冷却散热，能有效保证大功率超声波换能器在正常温度范围内高效工作，并对大功率超声波换能器的核心元件——压电晶片具有一定的保护作用，解决了目前大功率超声波换能器工作温度高的技术难题，将具有很好的应用前景。
[0014] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0015] 图1是本发明的一个实施例的具有热管冷却装置的大功率超声波换能器结构的剖视图；
[0016] 图2是图1所示实施例的A-A剖视图；
[0017] 图3是图1所示实施例中的中间段的横截面示意图。
具体实施方式
[0018] 如图1、图2所示，本实施例发明包括超声波辐射头1、压电陶瓷元件2、后盖板3、紧固螺栓4、正电极引线5、负电极引线6、蒸发段7、中间段8、冷凝段9、导液芯10，导热肋片11和“U”形槽12。
[0019] 超声波辐射头1、陶瓷元件2和后盖板3通过紧固螺栓4紧密连接，加工制作成圆柱形超声波换能器，相邻两块压电陶瓷元件2的正极面相对，中间夹有薄铜片作为超声波换能器的正极引线端，压电陶瓷元件2的负极面分别和超声波辐射头1的下端面及后盖板3的上端面相对，中间夹有薄铜片作为超声波换能器的负极引线端，正电极引线5、负电极引线6分别与超声波换能器的正、负极引线端相连。
[0020] 蒸发段7、中间段8、冷凝段9、导液芯10和导热肋片11组成热管冷却系统，蒸发段7通过中间段8和冷凝段9连通，中间段8由蒸发段7至冷凝段9具有一定的向上坡度(坡度i＞0.1)。参见图3的横截面示意图，中间段8的内表面沿坡度方向开有若干微小“U”形槽12，“U”形开口的方向为中间段8内表面的法线方向并指向中间段8的中心，“U”形槽12具有疏导液体的作用。图中，中间段8为圆管状，实践中，其也可以为方管状或其他形状，均可实现本发明的目的。
[0021] 热管冷却系统的工作工质充注量应大于蒸发段7的内部空间体积，同时，不能大于蒸发段7和中间段8的内部空间体积之和。导液芯10依附于冷凝段9内表面，冷凝液在导液芯10的毛细管压力作用下，回流至中间段8，并顺着中间段8内表面的“U”形微通道流回至蒸发段7，导热肋片11的作用是增加冷凝段9外表面积，提高热管冷却系统的散热能力。蒸发段7为圆筒形状，其内表面分别和超声波辐射头1及后盖板3的外表面紧密接触，接触面均涂有导热硅脂，以增大接触面之间的导热系数，使超声波换能器工作时的产热量快速传给蒸发段7，并通过蒸发器7中工作介质蒸发将热量传给冷凝段9，达到散热目的。
[0022] 本实施例中，超声波辐射头1由高强度的铝合金制成，后盖板3由钢制成，呈圆环状的压电陶瓷元件2采用PZT4压电陶瓷材料，蒸发段7、中间段8、冷凝段9及导热肋片11均采用导热性能强的金属加工制成，例如铜、铝等金属或合金，热管工作工质的工作温度区间为20℃～100℃。
[0023] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
