基本信息
- 項目名稱：
- 新型徑向復合管壓電超聲換能器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目提出一種新型的徑向復合管形壓電超聲換能器系統(tǒng)，提高了徑向復合壓電換能器的功率容量并改善其性能，并解決目前徑向復合壓電超聲振動系統(tǒng)中施加徑向預應力的關(guān)鍵技術(shù)問題。為改善徑向復合型壓電超聲換能器系統(tǒng)的性能，提高其功率容量，拓展其應用范圍等方面提供理論及技術(shù)支持。
- 詳細介紹：
- 目前超聲處理作為一種高新技術(shù)，以其無污染，低能耗，高效率等突出優(yōu)點，在機械工業(yè)、電子電器、光學光電、航空航天、環(huán)境、軍工以及制藥工業(yè)等領域獲得廣泛應用。然而，所有這些超聲處理技術(shù)都是基于產(chǎn)生強超聲的大功率超聲換能器實現(xiàn)。大容量液體超聲處理需要大功率容量的超聲換能器以及盡可能均勻的輻射聲場。目前隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的“喇叭換能器加金屬槽”的處理方式已不能滿足當今技術(shù)要求。自上世紀八十年代，特別是近十幾年來發(fā)展起來一類大功率柱形或管形徑向輻射超聲換能器，并已成為當前功率超聲領域新的研究熱點之一。這種浸沒式徑向輻射超聲換能器所具備的大功率、大輻射面積以及徑向輻射無指向等獨特優(yōu)點，使其在大規(guī)模液體超聲處理技術(shù)領域顯示出強大的生命力。但是作為功率超聲換能器用，目前應用中管狀復合壓電換能器存在的關(guān)鍵技術(shù)問題是： （1）外部預應力管內(nèi)徑與其內(nèi)部的壓電陶瓷管外徑之間多大的過盈配合才能對壓電圓管施加最佳徑向預應力目前還無定論； （2）預應力大小與預應力管壁厚度的關(guān)系； （3）如何進一步提高換能器的功率密度； （4）如何提高其溫度穩(wěn)定性，減少頻率“溫漂”效應。 基于以上問題，本項目提出一種新型的徑向復合管形壓電超聲換能器系統(tǒng)，提高了徑向復合壓電換能器的功率容量并改善其性能，并解決目前徑向復合壓電超聲振動系統(tǒng)中施加徑向預應力的關(guān)鍵技術(shù)問題。為改善徑向復合型壓電超聲換能器系統(tǒng)的性能，提高其功率容量，拓展其應用范圍等方面提供理論及技術(shù)支持。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 該新型徑向復合管壓電超聲換能器主要由三部分組成。內(nèi)部為擴張式彈性脹套裝置，其功能是提供由內(nèi)向外的可調(diào)徑向預壓應力。換能器中間為一組環(huán)形排列的幾何及性能參數(shù)一致的柱面壓電陶瓷環(huán)組。厚度極化壓電陶瓷片的厚度模機電耦合系數(shù)kt比徑向極化壓電陶瓷管的徑向模橫向機電耦合系數(shù)k31要大30%以上。可提高換能器的機電轉(zhuǎn)換能力。 換能器外部為預應力圓管外殼。其功能是協(xié)同內(nèi)部的彈性脹套裝置對中間的壓電陶瓷環(huán)組施加足夠大雙向徑向預壓應力。 由此通過對本換能器內(nèi)部的柱面壓電陶瓷環(huán)組提供了徑向雙向的預壓應力，從而大幅度提高了壓電陶瓷的功率密度及換能器功率容量。 【創(chuàng)新點】： 1)利用厚度極化柱面壓電陶瓷片（組）的厚度振動模，提高了換能器的機電轉(zhuǎn)換能力。 2)采用徑向力大小可調(diào)擴張式彈性脹套，協(xié)同外部金屬管對柱面壓電陶瓷環(huán)組施加內(nèi)外雙向的徑向預壓應力，大幅提高了此類徑向復合壓電換能器的功率密度。 3)可依據(jù)具體應用需要，采用模塊化設計方案，得到任意功率大小的徑向復合管形超聲換能器。 【技術(shù)關(guān)鍵和技術(shù)指標】： 1)找到換能器系統(tǒng)的最佳徑向預應力參數(shù)及徑向力可調(diào)擴張式彈性脹套結(jié)構(gòu)的設計。 2)解決如何進一步提高換能器的功率密度。 3)單個短圓管換能器的功率容量達1.5KW，頻率50kHz。效率比目前同類型高20%以上。當單個換能器沿軸向機械套接構(gòu)成任意長柱型換能器時，其功率也隨之累加，便可以滿足各種液體超聲處理的功率要求。
科學性、先進性
- 該徑向復合管形壓電超聲換能器，其內(nèi)部采用了徑向力大小可調(diào)的擴張式彈性脹套裝置。換能器內(nèi)部的彈性脹套裝置本身作為內(nèi)部電極，避免了目前同類產(chǎn)品內(nèi)壁電極極易打脫落的問題。同時協(xié)同外部金屬預應力管殼，對中間的PZT壓電陶瓷元件施加足夠大雙向預壓應力，可大幅提高壓電陶瓷的功率密度及換能器的功率容量。研制出工作頻率為20~50 kHz，單個換能器功率密度比現(xiàn)有產(chǎn)品大1倍、效率高20%以上，且性能更穩(wěn)定的樣機。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- （1）2011年浙江省新苗人才計劃立項課題。 （2）浙江師范大學“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽一等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 實用新型專利
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像 、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本徑向復合管形超聲換能器相比于目前同類產(chǎn)品具有更大的功率、更廣輻射面積、更高能量轉(zhuǎn)換效率以及徑向輻射無指向等獨特優(yōu)點。 適用范圍包括超聲波清洗、超聲波萃取、生物燃油制備以及超聲波污水降解等。 超聲波液體處理技術(shù)作為一種高新技術(shù)具有能耗少，效率高的特點，應用前景十分廣闊。而目前的同類產(chǎn)品還存在很大的提高空間。所以本產(chǎn)品一旦研究完善，在同類產(chǎn)品中具有較大的競爭力。相應的具有較高經(jīng)濟效益。 本產(chǎn)品尤其在污水處理領域有著廣闊的應用前景。液體超聲處理設備在未來幾年的市場將呈現(xiàn)整體上升的趨勢。而本新型徑向復合管壓電超聲換能器在現(xiàn)有的基礎上進行了改進，優(yōu)化了復合管換能器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進一步提高了換能器的效率，從而更好地起到了節(jié)能減排的目的。一旦推入市場，將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 近幾十年來，國內(nèi)外研究用于液體處理的超聲換能器種類較多，結(jié)構(gòu)各異。典型的有，上世紀七、八十年代林仲茂等研制出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的半穿孔結(jié)構(gòu)寬頻帶夾心式壓電換能器；Branson公司研制的由縱向換能器驅(qū)動薄圓環(huán)輻射的污水處理器；美國先進聲處理系統(tǒng)（Advanced Sonic Processing System）公司推出的雙頻水處理超聲換能器等。為適應大容量液體超聲處理應用需要，一類大功率徑向振動管形、柱形或棒形超聲換能器逐步發(fā)展起來并獲得應用。早期的圓柱或管形壓電換能器主要應用于水聲領域。由于水聲信號的無失真收發(fā)一般要求處在穩(wěn)定的工作條件下，以避免產(chǎn)生非線性和空化，因而功率密度較小，效率僅為30%－40%。而功率超聲對此類換能器的功率和效率等性能指標提出了更高的要求。從最新的文獻檢索看，近二十多年來國內(nèi)外發(fā)展起來并正在研究的大功率徑向振動超聲換能器主要有以下幾種。 九十年代Hielscher公司推出一種UIP系列大功率柱形超聲換能器。目前該型換能器最大能承受16kW的電功率，且能在高溫等惡劣環(huán)境下工作，特別適合于大容量液體超聲處理。其工作原理類似push－pull換能器，即由多個大功率縱向復合壓電超聲振子縱向激勵一根加工有多個圓盤的金屬長棒，通過縱徑振動模式耦合來輻射能量。棒長度亦為多個?/2整數(shù)倍。圓盤處于棒的每個位移振幅波腹及波節(jié)上，其作用一方面增加棒的有效聲輻射面積，以增大輻射有功阻，從而提高聲能輻射效率。另一方面可防止振幅位移節(jié)點處因應力集中而在大功率工作狀態(tài)下發(fā)生斷裂。有限元分析及實驗表明，由于圓盤的作用，該柱形換能器在聲輻射功率與效率以及改善液體中聲場分布均勻性等方面要優(yōu)于上述push－pull推拉換能器。 自上世紀末以來，國內(nèi)在這方面開展了較多研究。周光平等對這類徑向振動換能器振動特性進行了深入研究，并取得了一系列成果。其工作主要是對這類管形及柱形徑向振動超聲換能器的耦合振動模態(tài)、輻射聲場特性以及結(jié)構(gòu)進行深入分析和優(yōu)化設計。理論分析方法主要為解析法、有限元及邊界元法。并在此基礎上進一步研制出了用于聲化學反應、超聲降解等液體超聲處理用新型復合超聲變幅桿、超聲管形聚焦式聲化學反應器以及棒形超聲輻射器等，并對這類超聲輻射器的聲輻射特性進行了深入研究。
