论文部分内容阅读
针对当前超声污水降解及超声特种加工等节能、高效、环保领域大功率超声换能器发热严重的问题开展研究。主要因为高温会导致换能器的压电陶瓷快速老化,寿命缩短,甚至去极化等;进一步导致共振频率漂移,振幅衰减,加工精度降低,振动加工系统失稳等诸多不利影响。目前大功率压电超声换能器降温的主要方式有水冷、风冷散热方式,然而此类传统方法只能降低系统外表温度,但换能器内部温度仍然较高。为了进一步解决大功率超声换能器的发热问题,本文以应用最为广泛的夹心式压电超声换能器为原型结合高密度散热的热超导管,设计了一种新型的耦合热超导管的高密度散热型压电复合夹心超声换能器,可在换能器的金属前盖板、后盖板或厚电极位置径向穿孔,用于连接具有强散热能力的热超导管散热装置,以从换能器内部传递热量。利用拥有高密度相变换热特性的热超导管对大功率超声换能器进行散热降温,以期解决因高温导致换能器压电陶瓷急剧老化、寿命短,甚至退极化等行业技术难题,从而确保其稳定的工作性能及强超声辐射效率,并改善超声振动加工质量和提高超声液体处理效率。通过建立机电等效电路,采用有限元方法和数值计算方法,对热超导管换能器的热管耦合深度、管径、管数及热管位置等参数对它们纵向振动特性如共振频率、振速和位移振幅的影响,还有对其动态电容、品质因数等机电特性进行了研究,并通过实验验证了换能器的散热性能以及理论模型的正确性。具体研究内容如下:(1)通过理论分析方法及机电类比原理,建立了径向穿孔复合压电换能器的纵向振动机电等效电路,推导出不同穿孔位置复合压电换能器的共振频率方程。对高密度散热复合压电超声换能器进行初步理论模型构建。(2)采用有限元法,研究了径向穿孔深度、孔径、数量和位置等参数对复合压电换能器的共振频率、有效机电耦合系数、位移幅值和振速等纵向振动特性的影响,有利于散热换能器的进一步优化设计及分析。(3)通过机电类比原理,建立高密度散热复合压电超声换能器的纵向振动等效电路,推导其共振、反共振频率。采用有限元方法和数值计算方法,研究热超导管几何参数和热超导管的耦合位置对高密度散热复合换能器的振幅特性、振动模态、频率特性及阻抗特性等机电特性的影响。(4)装配热超导管散热型大功率压电超声换能器复合振动系统。实验验证了换能器理论模型的正确性。此外,通过实验测试传统换能器及热超导管散热型换能器的工作温升及机电特性参数的变化情况,进行了对比研究,为进一步优化热超导管散热换能器结构提供实验基础。