JP4739759B2 - 超音波トランスデューサ冷却装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲第１項及び第６項のプレアンブルに記載した特徴を有する、超音波トランスデューサ冷却装置及びその方法に関する。

超音波トランスデューサの作動中に、エネルギの損失が熱に変換される。このエネルギの損失は、電気的損失及び、電気エネルギが機械エネルギへ変換される際、ピエゾ素子内に働く内部摩擦により起こる。発生した熱を効果的に取り除くための方法はたくさんあり、公知である。従来の冷却システムは、熱伝導若しくは熱対流により熱を伝達することにより行われている。多くの場合、この２つの原則を組み合わせて行っている。

本質的に大きな振動振幅を有する強力超音波トランスデューサを冷却するのは、困難である。というのも、さらに摩擦を発生させずに、かつ更に熱を発生させずに、大量の熱を除去する必要があるからである。冷却流体は、キャビテーションにより、トランスデューサを損傷するおそれのある、かなりの量のエネルギを更に発生させやすいため、今までは、うまく、かつ効果的に熱を取り除くためにガス媒体だけを使用してきた。高圧における大量のガスが必要となるため、ガスを使用すると、この冷却方法が非常に高くついてしまう。更に、強力超音波トランスデューサを作動させる際、高圧でブリッジ回路を形成すると起こる短絡を防ぐために、冷却ガスには、固体や液体のごみが含まれていない状態でなければならない。

ＥＰ ０５５３８０４ Ａ２は、熱伝導に基づいて高周波超音波コンバータを冷却するシステムを開示している。超音波コンバータの背後に、ヒートシンクを配置させ、これを熱伝導樹脂によりハウジングに連結させる。最初に熱はトランスデューサからヒートシンクに伝えられ、そこから前記樹脂を介して周囲のハウジングに熱が伝わり、そこで、大気により熱を運び去る。この種の冷却方法は、強力装置には不向きであり、大量のエネルギが樹脂に運搬されるため、数マイクロメータの高い振動振幅では、この冷却方法を使用することが出来ない。

多くの場合、超音波コンバータの冷却システムは、トランスデューサ（例えば、ＢＡＮＤＥＬＩＮ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧのＳＯＮＯＰＵＬＳ ＨＤ ６０）の周囲にあるハウジング内に配置された開口部を介して、対流により熱を取り除くことによってのみ作動している。この種の冷却方法も又、ハイパワーにおける使用には不向きである。

この種の冷却システムに幾つかの変更を加えたものが知られており、ファンや圧縮空気を使用した冷却をプラスしている。このタイプの冷却方法では、かなりの量のちりや湿気がハウジング内に運搬されてしまう不都合があり、これにより、電気的に伝導する混入物によりブリッジ回路が形成されるため、電気短絡を起こす危険が増えてしまう。また、ファン及び、内部から外部への熱交換を利用した閉鎖システムが知られている。これらのシステムは、かなり複雑であり、除去出来る熱の量も制限されている。

ＥＰ ０７８２１２５ Ａ２は、高周波超音波トランスデューサを冷却させるための配置を開示しており、ここでは、液体を運搬する熱伝導パイプが、トランスデューサの下流に配置されたヒートシンクに連結している。連結ラインを介して、冷却液が供給され、また、除去される。熱は、このようにして、対流によりヒートシンクから除去される。この冷却システムの特別な実施例では、トランスデューサの周囲にある部材内に溝を形成することにより、熱伝導パイプの一部、若しくは全部を形成して、特別に大きい接触面積を持たせている。この冷却液は、超音波トランスデューサ内を流動せず、トランスデューサと接触している冷却システム内を流動するようになっている。この配置もまた、ハイパワーを有する装置から効果的に熱を除去する際には不向きである。

ＷＯ ０００８６３０ Ａ１は、特にハイパワーで作動している超音波トランスデューサから、熱を除去するための配置を開示している。熱の除去は、熱伝導や熱対流の組み合わせにより行っている。トランスデューサ本体の表面には、振動吸収層が設けられており、該層により、熱の移動中の機械的振動損失を減少させている。この振動吸収層の上方に、熱伝導部材層が配置されている。熱を対流させることにより冷却手段がヒートシンクから熱を除去することが可能であるが、このヒートシンクが、熱伝導層上に配置されている。この配置では、層と層の間の移りゆく温度差により、熱の除去効率が減少する欠点がある。更に、トランスデューサと冷却装置間の最大共通接触表面が、トランスデューサ表面に限定されてしまう。これにより、超音波トランスデューサは、大量の冷却流体を供給しない限り、ハイパワーで連続的に運転させることが出来ず、この方法では非常に不経済である。

米国特許第５，９３６，１６３は、原子炉や蒸気管等の、高温環境で使用する超音波トランスデューサを開示している。周囲からトランスデューサに入り込む熱を除去するために、超音波トランスデューサ本体を、循環冷却媒体により冷却する。

これら公知の解決方法は全て、超音波トランスデューサのハイパワー連続運転を阻んでおり、及び／又は、低効率での連続運転を可能にしているだけという傾向にある。

そこで、本発明は、熱損失によって発生した熱を、公知の装置よりもずっと効果的に除去可能で、それ故、ハイパワーレベルにおいても経済的に、確実に連続運転可能な超音波トランスデューサ冷却装置及び方法を提供することである。

この目的は、本発明の特許請求の範囲第１項記載の特徴を有する方法、及び第８項記載の特徴を有する装置により解決できる。本発明による超音波コンバータ冷却方法の特徴は、冷却液が、超音波トランスデューサの本体中を流通すること及び／又は、その本体の周囲を流動することである。このようにして、トランスデューサ内に発生した熱は、対流することにより直接的に除去できる利点がある。なお、ヒートシンクを介して熱を伝導させる必要はない。トランスデューサ内を冷却液が流れると、コンバータと冷却液の共通接触面積を大きくすることが出来る。これにより、本発明による手段を用いて、従来の方法と比較して、ずっと効果的に熱を除去するので、超音波トランスデューサのハイパワーでの連続運転が可能となる。

本発明による方法では、冷却液体の圧力を所定の大きさに設定することで、キャビテーションを減少させるか、若しくは該現象の発生を防止しているので、都合が良い。圧力は、２〜２０バールの範囲で、好ましくは５バールに設定すると都合が良い。この方法によると、キャビテーションに伴う装置の損傷リスクを大幅に減少させることが出来、また、更にエネルギを消費してしまうキャビテーションを減少させるか、若しくはその発生を防止することが出来る。

流通溝及び／又はガス圧を適宜な値に設定することで、冷却液体に圧力をかけることが出来る。

更に、本発明の方法によると、冷却液体が超音波トランスデューサの本体内で、内部領域から外部領域にかけて流動するようにすることで、液体圧を内部領域で高め、冷却液体をハウジングを介して排出し、又は、液体が超音波トランスデューサの本体内で、外部領域から内部領域にかけて流動するようにすることで、圧力を外部領域で高め、該冷却液体を内部領域を介して排出する。この方法によると、特に効率的に熱をトランスデューサから排除することが出来る。加えて、キャビテーションを防止するために、内部領域及び外部領域の双方で圧力を設定することで、内部領域と外部領域間で圧力勾配を設定して、冷却液体を流動させることが出来る。更に、冷却液体を超音波トランスデューサの本体の周囲、好ましくは内部領域及び／又は外部領域で流動させることが出来、これにより熱が対流することで、該熱がトランスデューサ表面から除去可能である。

本明細書では、内部領域は、テンションロッドとトランスデューサ本体間の中空空間であるのに対して、外部領域は、トランスデューサ本体とハウジング間の空間である。

更に、本発明による方法では、冷却液体は、電気的に伝導しない液体であり、これにより電気短絡の発生を防止している。

本発明による超音波トランスデューサ冷却装置には、少なくとも１つのピエゾスタック及び、該ピエゾスタックと共に、λ／２発振器を構成する、少なくとも２個の円筒形トランスデューサ本体が設けられており、２個のトランスデューサ本体を組み合わせて一体型トランスデューサ本体にすることにより、複合トランスデューサを有する構成を形成することが出来、また、少なくとも２個のトランスデューサ本体の内、少なくとも１個のトランスデューサ本体には、流入した冷却液体を強制的に流動させる少なくとも１つの流通溝が設けられている。このようにして、トランスデューサ内に発生した熱を、対流により直接除去できる利点がある。ヒートシンクを介して熱を伝導させる必要は無い。更に、本発明による手段では、トランスデューサと冷却液体との間の大きな共通接触面積を利用することが出来る。この方法による熱除去は、従来の方法よりもずっと効果的であり、それ故、本発明の手段を用いると、超音波トランスデューサがハイパワーレベルでも連続運転が可能となる。

本発明の好都合な実施例によると、冷却液体の圧力を所定の値に設定することで、キャビテーションの発生を減少させるか、又は、該発生を防止することが出来る。該圧力は、２〜２０バールの範囲で調整すると好ましく、最も好ましい圧力は、５バールである。この方法では、キャビテーションによる装置損傷の危険性を大幅に減少させ、該キャビテーションによって更にエネルギが消費されるのを防止する、若しくは消費されるエネルギを減少させるので都合が良い。

更に、本発明の有利な実施例によると、少なくとも１つの流通溝をスリットの形で、トランスデューサ本体と冷却液体間の共通接触面積を特に大きくするように形成させて、熱除去の効率性を向上させている。

本発明の更に有利な実施例によると、装置は、少なくとも２つのトランスデューサ本体の内部空間に配置させたテンションロッド、少なくとも２つの開口部、及び流入した加圧冷却液体が流動する、少なくとも１つのガイド溝を有している。これにより、冷却液体は、特に簡単に、かつ均一に内部空間内に流動し得る。

更に、本発明の更に有利な実施例によると、冷却液体を少なくとも１つのガイド溝を介して供給することが出来、また、少なくとも１つの流通溝を介して除去することが出来る。冷却液体は、少なくとも１つの流通溝を介して供給し、テンションロッド内に設けた少なくとも１つのガイド溝を介して除去することが出来れば好ましい。このように、冷却液体を、トランスデューサ本体内を、内部領域から外部領域に向けて、若しくは、外部領域から内部領域に向けて、特にまっすぐに流動させることが出来る。

更に、本発明の更に有利な実施例によると、装置には、液体密ハウジングが設けられている。ハウジングを設けたのは、一方でトランスデューサの駆動部分を保護するためであり、他方では冷却液体を収容し、これを案内する特別有利な選択肢になるからである。

更に、本発明の有利な実施例によると、装置にはハウジング及び／又はホーン及び／又は終端マスに連結されたフランジが設けられている。フランジは、ハウジングの装着を簡単にする。更に、ホーンは、ソノトロードと接触するための特に有利な選択である。本発明の有利な実施例によると、装置には、冷却液体ライン連結部が少なくとも１個設けられており、ここから冷却液体がトランスデューサ本体の内部空間に流れ込み、及び／又はここを介して、トランスデューサ本体の内部空間から冷却液体を除去することが出来る。このようにして、内部空間を冷却液体供給装置に簡単に接続させることが出来、また簡単に冷却液体を供給することが出来る。

更に、本発明の有利な実施例によると、装置には、冷却液体ライン連結部が少なくとも１個設けられており、ここを介して冷却液体が少なくとも１つのガイド溝内に流れ込み、及び／又はここを介して、少なくとも１つのガイド溝から冷却液体を除去することが出来る。このようにして、ガイド溝を、冷却液体供給装置に簡単に接続させることが出来、また、簡単に冷却液体を供給することが出来る。

更に、本発明の有利な実施例によると、装置には、冷却液体ライン連結部が少なくとも１個設けられており、ここを介して冷却液体がハウジング内に流れ込み、及び／又はここを介して、ハウジングから冷却液体を除去することが出来る。このようにして、ハウジングを冷却液体供給装置に簡単に接続することが出来、該液体供給装置に冷却液体を簡単に供給することが出来る。

更に、本発明の有利な実施例によると、冷却液体は、少なくとも２個のトランスデューサ本体の内の、少なくとも１つのトランスデューサ本体の、内表面の少なくとも一部の周囲を、及び／又は外表面の少なくとも一部の周囲を流動することが出来る。このようにして、熱を対流させて、該熱をトランスデューサから効果的に排除する。

更に、本発明の有利な実施例によると、トランスデューサ本体には、流通溝が設けられていない。この実施例においては、冷却液体は、連結溝によって外部空間に連結した内部空間を有する、トランスデューサ本体の周囲だけを流動する。

本発明による更に別の実施例は、他の従属項に列挙した特徴をもつ。

本発明による実施例を、関連図面を参照して以下に述べる。

図１は、超音波トランスデューサの長手方向の横断面を概略的に示した図であり、ここには、本発明による、超音波トランスデューサ冷却装置の実施例が示されている。超音波トランスデューサは、円筒形のトランスデューサ本体５及び、対応するトランスデューサ本体５の端面間に配置された複数のピエゾスタック４から構成されている。数個のトランスデューサ本体５が、一体型のトランスデューサ本体６として形成され、ピエゾスタック４が一体型トランスデューサ本体６の端面のそれぞれに配置される。複数のピエゾスタック４のそれぞれは、１個のトランスデューサ本体５と共に、また、１個の一体型トランスデューサ本体６の半分と共に、また、１個の一体型トランスデューサ本体６と共に、λ／２発振器を構成している。トランスデューサ本体５には、放射方向に伸延する流通溝７が設けられている。終端螺子を有するテンションロッド３上には、トランスデューサ本体５及びピエゾスタック４が交互に配置されている。この配置は、２つの螺子切りされた端部マス１０により固定され、ピンと張られている。前記端部マス１０は、テンションロッド３の対向する両側に設けられており、両端部マス１０のそれぞれは、テンションロッド３の終端螺子に取り付けられている。テンションロッド３には、冷却流体用のガイド溝１３が設けられている。ガイド溝１３の一端には、冷却流体供給ライン１を構成している、冷却流体ライン連結部１が設けられている。テンションロッドには、冷却流体用出口開口部が形成されており、ここを介して、冷却流体が、ガイド溝からトランスデューサ本体の内部空間１１に流出するようになっている。反対側の端部マス１０には、ホーン８が連結されており、該ホーン８は、ソノトロードに連結し、かつ、トランスデューサによって発生した機械的振動を伝達することが出来る。装置には、冷却流体を収納する、流体密ハウジング１２が設けられており、該流体密ハウジング１２には、外部システムに装着されたフランジ９が連結されている。このフランジ９には、ホーン８が連結されている。フランジには、ハウジング１２からの冷却流体を排出するドレインライン２を構成する、冷却流体ライン連結部２が形成されている。供給用冷却流体ライン１は、ハウジング１２を貫通している。テンションロッド３のガイド溝１３には、供給ライン１を介して強制的に冷却流体が入る。そして、該冷却流体は、ガイド溝１３を介してトランスデューサ本体の内部空間１１に供給される。その後、冷却流体はトランスデューサ本体内を流れ、最終的にトランスデューサ本体５の流通溝７内を流れるようになっている。これにより、トランスデューサによって発生した熱が対流することにより、該熱が直接冷却流体に運搬される。流通溝７から出た冷却流体はハウジング１２に集められ、ドレイン２を介して装置から一掃される。このようにして、超音波トランスデューサを、従来の方法と比較してより効果的に冷却することが出来る。本発明の手段により、ハイパワーレベルでの超音波トランスデューサの連続運転が可能となる。

流通溝７の両端に、円形の穴等の、開口部を形成すると、トランスデューサ本体の寿命を延ばすことが出来、及び／又は、スリット状の流通溝７を介した流れを改善することが可能である。前記穴の直径は、スリットの幅よりも大きいと好ましい。

図２は、本発明による超音波トランスデューサ冷却装置の別の実施例である、超音波トランスデューサのデザインの、長手方向横断面を概略的に示しており、これは基本的には図１に示す装置と対応している。しかしながら、図１の実施例と違って、冷却流体供給ライン１が２本設けられており、各供給ライン１は、ハウジング１２及び端部マス１０を介して外側から、テンションロッド３とトランスデューサ本体５間に形成された内部空間１１内に放射方向に伸延している。こうして、トランスデューサの対向端部には、冷却流体ラインと内部空間１１の連結部１が配置される。すると、冷却流体は、対向端部から内部空間１１内に強制的に入り込み、流通溝７を介して一掃される。この配置は、図１の配置よりも、熱を装置の全長に亘ってより均一に除去で出来て都合が良い。従って、図１に示す実施例と比較して、より効果的に超音波トランスデューサを冷却することが出来る。

図３は、本発明の更に別の実施例を示しており、この実施例では、トランスデューサ本体５には、流通溝７が設けられていない。しかしながら、連結溝１５により、内部空間１１と外部空間１４は連結している。第一の変更では、供給ライン１を介して冷却流体が供給され、ガイド溝１３を介して内部空間１１に到達し、トランスデューサ本体５の周囲を流れ、これを冷却し、その後、連結溝１５を介して内部空間１１から流出し、外部空間１４及びドレインライン２を介して除去される。この変更では、トランスデューサ本体５の内部だけが冷却される。別の選択肢として、第２の変更では、ハウジング供給ライン１ａと円形ライン１７を介して冷却流体を供給すると、トランスデューサ本体５の外側だけを冷却することが出来る。ハウジング供給ライン１ａを介して供給された冷却流体を、円形ライン１７により均一に供給、運搬し、該冷却流体は、トランスデューサ５の外側の周囲を流れ、少なくともここに冷却流体層を形成した後、ドレイン２を介して除去する。第３の変更では、内部空間１１に、供給ライン１を介して冷却手段を供給することにより、また、外部空間１４内に、ハウジング供給ライン１ａを介して冷却手段を供給することにより、トランスデューサ本体５の内表面及び外表面を冷却することが出来る。トランスデューサ本体５の内表面を冷却するために供給ライン１を介して供給した冷却手段、また、トランスデューサ本体５の外表面を冷却するためにハウジング供給ライン１ａを介して供給した冷却手段は、ドレインライン２を介して除去する。ガス圧、本実施例では６バールのガス圧を、ガス圧連結部１６を介してハウジング１２内に発生させる本実施例により、キャビテーションの発生を防ぐことが可能である。

本発明は、例示実施例やこの変更に限定されるものではない。本発明の範囲及び趣旨を逸脱しない範囲で、前述した手段及び特徴を組み合わせることで、実施例や変更例を更に追加することが可能である。

軸方向に冷却流体用供給ラインを配置した、冷却装置付き、超音波トランスデューサの概略横断面図である。 放射状に２本の冷却流体用供給ラインを配置した、冷却装置付き、超音波トランスデューサの概略横断面図である。 流通溝をもたず、連結溝を形成した、冷却装置付き、超音波トランスデューサの概略横断面図である。

符号の説明

１
冷却流体ライン連結部、供給ライン
１ａ
ハウジング供給ライン
２
冷却流体ライン連結部、ドレイン
３
テンションロッド
４
ピエゾスタック
５
トランスデューサ本体
６
一体型トランスデューサ本体
７
流通溝
８
ホーン
９
フランジ
１０
端部マス
１１内部空間
１２
流体密ハウジング
１３
ガイド溝
１４
外部空間
１５
連結溝
１６
ガス圧連結部
１７
円形ライン

Claims (5)

1. 少なくとも２個の円筒形トランスデューサ本体（５）を複合トランスデューサ配置として連結した超音波トランスデューサ本体の冷却装置において、
   該トランスデューサ本体はハウジングに包囲され、該ハウジング内には、該円筒形トランスデューサ本体（５）の中空部を貫通する内部空間（１１）と、該円筒形トランスデューサ本体（５）の外面とハウジングとの間に形成される外部空間（１４）が形成され、
   前記少なくとも２個の円筒形トランスデューサ本体（５）の間を前記内部空間（１１）を通って該円筒形トランスデューサ本体（５）に直接接触しながら流通する冷却液体を前記外部空間（１４）に流動させ得る、少なくとも１個の流通溝を有し、
   該ハウジング内に冷却液体を流入させるの第１の冷却液体ライン連結部（１）と該ハウジング外に冷却液体を排出させる第２の冷却液体ライン連結部（２）を設けたことを特徴とする、超音波トランスデューサの冷却装置。
2. キャビテーションの発生を減少させ、又は防止し得るように、前記冷却液体の圧力を所定の値に調整し、該圧力を、２〜２０バールの範囲で調整することを特徴とする、請求項１項記載の装置。
3. 前記装置は、前記内部空間（１１）に配置されたテンションロッド（３）を有し、
   該テンションロッド（３）には、前記加圧された冷却液体を流入させる少なくとも１つのガイド溝（１３）及び前記冷却液体を前記ガイド溝から前記内部空間に流出させる少なくとも１個の開口部が形成され、
   前記冷却液体を、第１の冷却液体ライン連結部（１）を介して前記少なくとも１個のガイド溝（１３）から供給することが出来ることを特徴とする、請求項１若しくは２記載の装置。
4. 前記冷却液体は、少なくとも２個の前記円筒形トランスデューサ本体（５）の内、少なくとも１個のトランスデューサ本体の内表面部分の少なくとも周囲を、及び／又は外表面部分の少なくとも周囲を流動することを特徴とする、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の装置。
5. 前記圧力を５バールに調整することを特徴とする請求項２に記載の装置。

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