热管散热型大功率复合压电超声换能器研究

A new type of high power piezoelectric ultrasonic transducer with heat pipe is proposed and studied. The transducer is composed of a pulsating heat pipe and a sandwiched piezoelectric transducer. The main contents are investigated as follow: Firstly, the electromechanical equivalent circuit of the piezoelectric ultrasonic transducer with pulsating heat pipe will be set up, the effects of the geometrical parameters of pulsating heat pipe on the vibration mode and electromechanical characteristics of the transducer will be studied, and the coupled vibration between the transducer and pulsating heat pipe will be investigated. Secondly, according to the requirement of heat dissipation of the transducer, the structure and characteristic parameters of pulsating heat pipe will be designed. Thirdly, the temperature field of the transducer is simulated by using numerical computation, and the thermal coupling between the transducer and the pulsating heat pipe will be discussed. Fourthly, the load characteristics of composite piezoelectric transducer with pulsating heat pipe will be studied and the optimization design will be investigated. The research purpose of this project is to make full use of the excellent heat transfer of the pulsating heat pipe for cooling the high power piezoelectric transducer under the long-time-and-heavy-load working conditions and improve the working performance of transducer. Also, it will help to fully exploit the power limit and prolong the service life of the piezoelectric transducer.

本项目拟对一种新型的热管散热型大功率压电超声换能器进行系统的理论与实验研究。该系统由脉动热管与夹心式压电超声换能器复合而成。研究内容主要包括：一、建立热管散热型复合压电换能器系统的机电等效电路模型，研究热管的几何参数对换能器振动模态及机电振动特性的影响，并探讨两者之间的振动耦合规律；二、依据换能器散热要求，对适用于压电换能器系统散热的热管结构及特性参数进行设计与优化；三、利用有限元方法对换能器的温度场进行数值仿真与分析，探究热管与压电换能器之间的热耦合规律；四、探讨热管散热型压电换能器的负载特性，并对系统进行优化设计。通过本项目研究，目的在于充分利用热管优异的换热能力降低大功率压电换能器长时间、大负荷工作下的温度，提高其工作性能的稳定性，充分发挥压电换能器功率极限，延长其使用寿命。

降低压电超声换能器大功率工作状态下发热温升导致的共振频率漂移等问题对提高压电换能器的机电效率和性能稳定性具有重要意义。在国家自然科学基金资助下，本项目进展顺利，达到了预期研究目标。我们按预定计划开展了以下研究工作：（1）通过实验测试了工作状态下，厚电极压电超声换能器内、外温度场分布特性，研究结果表明，压电陶瓷是换能器发热升温的重要原因；（2）通过实验测试了压电换能器共振频率、动态电感、电容等参数随温度的变化关系，研究表明，换能器共振频率随温度升高而降低，而动态电容随温度升高而增大；（3）基于机电类比原理，建立了节面穿孔压电超声换能器的等效电路模型；（4）通过数值仿真研究了径向穿孔对换能器共振频率与位移振幅的影响，研究表明，在换能器节面位置穿孔使换能器共振频率有所降低，但换能器的输出振幅有所增加；（5）研制了脉动热管散热系统，并对其传热性能进行了理论与实验研究；（6）利用有限元仿真法研究了热管的耦合数目、装配位置对换能器共振频率、位移振幅及振速的影响，结果表明，热管安装在换能器压电陶瓷节面位置散热效果最佳；（7）通过实验研究了加热负荷分别为40W、60W、80W、100W及120W工况下，低频振动对热管温度脉动曲线的影响，振动对脉动热管启动时间、启动温度以及热阻的影响以及脉动热管最佳充液率；（8）通过实验研究了大功率状态下（400W），换能器有、无热管两种工况下的温升特性，以及共振频率和动态电容随温度的变化关系。本项目的研究表明，利用热管可使换能器温度降幅达60%以上，并使换能器共振频率与动态电容漂移量分别降低73.5%和59.5%。本项目研究共发表学术论文12篇，其中SCI三篇、EI一篇，包括刊物Ultrasonics-Sonochemistry、Ultrasonic、制冷学报；申请发明专利4项。