熱管冷卻對壓電換能器振動穩(wěn)定性的影響

劉世清，樊葉萍，麻磊磊，高曉蕾

(浙江師范大學 物理與電子信息工程學院，浙江 金華 321004)

在超聲焊接、加工等技術領域，換能器通常工作于大功率振動狀態(tài)[1-4]。由于材料的機械損耗、壓電陶瓷的介電損耗以及換能器因負載變化與電源阻抗失配引起的功率損耗等原因，換能器在長時間工作下會出現(xiàn)嚴重的發(fā)熱現(xiàn)象[5-7]，進而引起換能器輸入阻抗、電容等機電參數(shù)變化，并導致其共振頻率漂移、位移振幅衰減以及電聲效率急劇下降，甚至會導致壓電陶瓷退極化等一系列問題。因此，換能器的發(fā)熱問題是長期困擾業(yè)界的關鍵技術難題之一，如何有效控制壓電超聲換能器在大功率工作狀態(tài)下的發(fā)熱升溫具有重要意義。

目前，針對大功率超聲換能器的散熱降溫主要采用自然風冷、水冷或風水混合冷卻等方式[8]，但此類傳統(tǒng)降溫方式存在以下不足：一方面冷卻效率較低，且需要外部動力驅動，增加了額外能耗；另一方面，傳統(tǒng)的風冷或水冷是一種外部降溫方式，由于壓電陶瓷材料導熱性能差，其內(nèi)部溫度仍然很高。文獻[9]對直徑25.4 mm的PZT壓電陶瓷棒發(fā)熱情況進行了研究，當壓電陶瓷棒連續(xù)高強度工作時，通過水冷方式進行冷卻，其表面溫度基本能維持在常溫，但棒芯溫度仍高達200 ℃，接近壓電陶瓷的居里溫度。過高的溫度會加速壓電陶瓷老化，甚至使之退極化，嚴重影響壓電換能器的性能和使用壽命。傳統(tǒng)冷卻方式難以將熱量從換能器內(nèi)部導出，為此迫切需要尋求一種更加行之有效的散熱降溫方式。

熱管是近幾十年發(fā)展起來的一類新型換熱器件，它利用其內(nèi)部飽和工質(zhì)的汽化和凝結相變來實現(xiàn)換熱，具有高等溫性和極高的傳熱特性，目前已廣泛應用于高端電力電子設備的散熱降溫領域[10-14]。相同工況下，熱管的相對換熱效率是氣體自然對流換熱效率的幾百倍[15]。研究表明，熱管的導熱能力是等量銅、鋁等優(yōu)良導體的幾百乃至千倍以上。

基于熱管優(yōu)異的傳熱性能，本文將熱管應用于大功率壓電換能器的散熱降溫中。首先，實驗測試了有、無熱管兩種狀態(tài)下，空載換能器發(fā)熱的溫度場分布；其次，在換能器振動位移節(jié)面位置附近耦合熱管，對其振動特性進行了有限元仿真；最后，在相同工況的大功率工作狀態(tài)下，對換能器有、無熱管兩種狀態(tài)下的溫升進行了實驗測試和分析。

1 換能器內(nèi)部軸向溫度分布測試

為方便測試工作狀態(tài)下?lián)Q能器的溫度分布，設計加工了半波長對稱結構夾心式壓電換能器，如圖1所示。換能器設計頻率為20 kHz；前、后金屬蓋板均為硬鋁合金，尺寸?60×30 mm；壓電陶瓷片為PZT4，幾何尺寸為?60?20×7 mm；中央采用鋁合金厚電極設計，尺寸為?20?8×10 mm，并沿其半徑方向等弧間隔鉆有6個孔徑8 mm、深度為25 mm的圓孔，用以安裝熱管。由于兩端嚴格對稱，中央厚電極始終為換能器位移振幅節(jié)面位置。組裝后的換能器實測頻率為19.7 kHz。

圖1 對稱結構夾心式壓電換能器

為測試工作狀態(tài)下壓電換能器內(nèi)部軸向溫度場分布，以中央節(jié)面位置為原點，在前后蓋板中沿軸向鉆有一定數(shù)量的孔深為20 mm的小孔，中央節(jié)面金屬圓盤鉆孔深度為27 mm、孔徑均為1.5 mm，用于熱電偶測溫布點。布點位置如表1所示。

表1 換能器軸向測溫布點位置(節(jié)面為原點)

在空載情況下，利用AG1024超聲電源對換能器分別施加20、30、40 W的電功率，工作50 min，在環(huán)境溫度為20 ℃下，利用熱電偶對有熱管和無熱管兩種工作狀態(tài)下的換能器軸向溫度分布進行測試，結果如圖2所示?？梢钥闯觯瑩Q能器的溫度隨功率增大而升高。無熱管時換能器中心節(jié)面溫度最高，并沿兩端逐漸降低；節(jié)面裝有熱管時換能器的中心溫度較低，甚至低于兩端金屬蓋板的溫度。圖3為利用德國testo872熱成像儀測得的換能器表面熱像圖。由圖3亦可看出，節(jié)面附近的壓電陶瓷是換能器發(fā)熱的高溫“熱點”，這也說明壓電陶瓷工作發(fā)熱占換能器發(fā)熱的主導地位，其原因是位移節(jié)面是應力腹點，容易發(fā)熱。因此，若將熱管安裝于換能器振動位移節(jié)面位置將有利于提高散熱效果。此外，將熱管耦合于換能器的節(jié)面位置可最大限度地減少熱管對換能器振動的影響。

圖2 有、無熱管換能器軸向溫度分布

圖3 換能器熱像圖

圖4為中央節(jié)面位置安裝熱管后的對稱式結構夾心式壓電超聲換能器。所用熱管直徑8 mm、長度20 mm，共6支；每支熱管冷凝段耦合有長度為100 mm、直徑為40 mm的散熱翅片組；熱管內(nèi)部工質(zhì)為醇水混合液，質(zhì)量1.3 g；熱管工作啟動溫度約為20 ℃。

圖4 熱管換能器

2 熱管對換能器振動特性的影響

熱管的引入勢必對換能器的振動特性產(chǎn)生一定的影響，以下主要利用有限元仿真方法研究熱管耦合位置、數(shù)量以及耦合深度對換能器振幅及共振頻率的影響。

2.1 熱管耦合位置對振幅的影響

對于圖5所示的聚能型夾心式復合壓電超聲換能器，晶堆中間為厚電極，并耦合以熱管，構成熱管散熱型壓電超聲換能器。換能器前后蓋分別為硬鋁合金和不銹鋼，壓電片為PZT4，熱管為燒結粉末毛細吸液芯銅管。為降低網(wǎng)格劃分自由度，采用1/6軸對稱圖形進行建模。換能器各部分尺寸如表2所示。

圖5 耦合熱管壓電換能器示意圖

表2 換能器幾何尺寸

利用COMSOL Multiphysics 5.4進行有限元仿真，研究熱管耦合位置對換能器軸向縱振動位移分布、振速分布的影響。

當耦合熱管數(shù)量N為12支、管徑D為5 mm、熱管長為150 mm、耦合深度L為10 mm時，通過對熱管耦合位置的優(yōu)化，得到節(jié)面耦合熱管時換能器的縱向振動模態(tài)振型(圖6)； 仿真得到換能器相應的縱向位移(圖7)及振速分布(圖8)。由圖7、8可以看出，熱管耦合在節(jié)面位置時換能器振幅及振速最大，并具有較好的振動模態(tài)振型；熱管偏離節(jié)面位置越大，換能器的位移振幅及振速越小；而無耦合熱管換能器的位移振幅及振速最小。

圖6 熱管換能器的縱振模態(tài)圖

圖7 位移振幅隨熱管耦合位置的變化關系

圖8 振速隨熱管耦合位置的變化關系

2.2 熱管數(shù)量及耦合深度對換能器共振頻率的影響

利用有限元數(shù)值仿真研究熱管數(shù)量、耦合深度對換能器共振頻率的影響。熱管及換能器材料、尺寸同前述。本例中取熱管管徑D為6 mm，當管數(shù)N=6、9、12時，通過仿真計算了換能器縱向共振基頻fs隨熱管的耦合深度L改變的變化關系，結果如圖9所示。

由圖9可以看出，換能器共振頻率隨熱管數(shù)量及耦合深度的增加而升高。相比于無熱管換能器，在穿孔位置耦合熱管會導致其等效彈性剛度和等效共振質(zhì)量均增加，但由于熱管耦合位置為振動位移節(jié)面位置，其是應力腹點和位移節(jié)點，在該位置耦合熱管所引起等效共振質(zhì)量的增加對換能器共振頻率的影響幾乎可忽略，而主要表現(xiàn)為等效彈性剛度的增大，從而導致?lián)Q能器共振頻率的升高。

圖9 換能器共振頻率與熱管數(shù)量及耦合深度的關系

3 熱管型換能器的溫度特性

3.1 換能器溫升試驗

為驗證熱管對換能器的散熱作用，設計制作了熱管散熱型全波長壓電換能器，如圖10所示。換能器共振頻率為20 kHz；前后蓋板均為硬鋁，前蓋板尺寸為?50×18 mm，后蓋板尺寸為?50×60 mm；壓電圓片為PZT4；半波長階梯型變幅桿材料為鋼。L型熱管設計在前蓋板靠近壓電陶瓷節(jié)面位置，直徑6 mm，長150 mm，數(shù)量12支；熱管冷凝段均加裝銅制散熱翅片，以提高散熱效率；熱管工作啟動溫度為20 ℃。為便于施加液體負載，換能器變幅桿輸出端加裝了直徑150 mm、厚度3 mm的不銹鋼圓盤輻射器。

圖10 熱管散熱型全波長壓電換能器

為比較耦合熱管換能器與無熱管換能器的散熱性能。在20 ℃環(huán)境下，利用AG1024超聲電源分別對有熱管和無熱管兩種情形下的換能器均施加400 W的電功率，以水作為負載介質(zhì)，利用熱電偶測溫儀實時測試了換能器在準諧振頻率下節(jié)面位置處的內(nèi)部和外部溫度，測試時間為50 min，間隔為1 min，結果如圖11所示。

圖11 換能器溫升實驗曲線

由圖11可以看出，無熱管時，換能器內(nèi)部溫度高達95.6 ℃，內(nèi)外溫差為25.7 ℃；而耦合熱管后，相同工況下，換能器內(nèi)部溫度為55.0 ℃，內(nèi)外溫差僅為6.6 ℃?？梢?，熱管不僅使換能器的工作溫度大幅降低，本實驗中安裝熱管后換能器溫升降幅達42.5%，且使換能器內(nèi)外溫度梯度較小，分布更為均勻。

3.2 換能器共振頻率及動態(tài)電容隨溫度的變化

將未耦合熱管的換能器在400 W功率下工作至熱平衡狀態(tài)，然后關閉電源使其自然降溫，在室溫20 ℃下，以1 min為測試間隔，測量了降溫50 min換能器的共振頻率及動態(tài)電容；在相同工況下，對耦合熱管后的換能器共振頻率及動態(tài)電容進行同樣測試。換能器的共振頻率及動態(tài)電容隨溫度的變化關系如圖12、13所示。

由圖12、13可知，相同工況下，無熱管換能器的共振頻率及電容漂移量分別為4.9%和15.3%；而耦合熱管后換能器的共振頻率及電容漂移量分別為1.3%和6.2%?？梢姡詈蠠峁芎?，換能器的共振頻率漂移量大幅降低，降幅達73.5%；同樣地，有熱管時換能器動態(tài)電容漂移量比無熱管時降低約59.5%。

圖12 換能器頻率漂移曲線

由此可見，利用熱管可大幅提高壓電換能器工作的熱穩(wěn)定性，有利于確保換能器處于較佳的阻抗匹配狀態(tài)，并維持較高的電聲效率。

圖13 換能器電容漂移曲線

4 結論

本文提出一種新型熱管散熱型壓電換能器，并對其熱穩(wěn)定性進行了仿真和實驗研究。

通過實驗測試了壓電換能器工作狀態(tài)下內(nèi)部軸向溫度場分布。結果表明，壓電陶瓷工作發(fā)熱是換能器發(fā)熱的主要因素。

利用有限元法研究了熱管數(shù)量、耦合位置及深度對換能器共振頻率及振幅的影響。仿真結果表明，熱管耦合在換能器節(jié)面位置，不僅散熱效果好，且有較佳的振動性能。

實驗測試了相同工況下，有、無熱管兩種狀態(tài)換能器的溫升及共振頻率隨溫度的變化關系，研究表明，在400 W負載功率下，換能器安裝熱管后其溫升降幅達42.5%、共振頻率漂移下降73.5%、動態(tài)電容漂移量下降59.5%，壓電換能器的熱穩(wěn)定性大幅提高。

需要指出的是，熱管的散熱效果不僅取決于熱管管徑、長度等幾何參數(shù)，而且取決于其內(nèi)部工質(zhì)的類型和質(zhì)量多少。一般來說，超聲換能器系統(tǒng)選用常溫熱管比較合適，其工作啟動溫度為20～40 ℃，熱管數(shù)量需依據(jù)熱管散熱功率及具體對象進行選擇。