Дослідження впливу корпусу на ефективність охолодження п’єзокерамічного електроакустичного перетворювача типу Ланжевена

Автор(и)

  • Людмила Вадимівна Перчевська Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-0117-5163
  • Олександр Іванович Дрозденко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-6647-1428
  • Катерина Сергіївна Дрозденко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-7653-600X
  • Олександр Григорович Лейко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-5588-6449

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2021.231279

Ключові слова:

п’єзокерамічний електроакустичний перетворювач, перетворювач типу Ланжевена, стрижневий перетворювач, нагрів перетворювача, теплове поле перетворювача

Анотація

Об’єктом дослідження є теплові процеси в п’єзокерамічному електроакустичному перетворювачі (ПЕП) типу Ланжевена з урахуванням корпусу. При роботі п’єзокерамічні електроакустичні перетворювачі нагріваються. Перегрів перетворювача призводить до негативних наслідків, що супроводжуються зміною параметрів, характеристик приладу, також виходом з ладу перетворювача. Або обмеженням на тривалість і режим роботи, вихідну потужність, струм, амплітуду та швидкість коливань перетворювача.

В роботі проведено дослідження впливу корпусу на температурне поле ПЕП типу Ланжевена методом скінчених елементів, за допомогою моделювання в SolidWorks. Показано результати зменшення температури таких методів охолодження:

– заповнення порожнини корпусу електроізоляційною рідиною, газом, сумішшю термопасти;

– використання отворів в корпусі;

– зміна форми тильної накладки на таку, що має радіаторні бокові ребра, вертикальні радіаторні ребра, циліндричні радіаторні ребра;

– теплорозсіючий шар;

– використання активного охолодження повітрям з трьома різними швидкостями.

Виявлена найбільша ефективність 53 % та рівномірне температурне поле при заповненні сумішші термопасти, але таке рішення супроводжується додатковими експериментами та підготовчим етапом з сумішшю. Ефективність охолодження 47 % дало активне охолодження – обдув повітрям, та для такого способу необхідно додаткове обладнання. Заповнення електроізоляційною рідиною дало ефективність охолодження 27 % – оптимальний результат, який не потребує дороговартісних вкладень. Повільне обдування корпусу або додавання тільки отворів дало зменшення температури макисмального нагріву від 10 до 20 %, тому, якщо конструкція ПЕП дозволяє наявність отворів, то необхідно раціонально їх розташовувати. Зміна форми тильної накладки, теплорозсіючий елемент, заповнення корпусу газом дало ефективність зменшення максимальної температури на 6–8 % у порівнянні з закритим корпусом з повітрям.

Результати досліджень дають можливість обрати оптимальний варіант зменшення температури нагріву ПЕП типу Ланжевен для підвищення ефективності його роботи та тривалої безвідказної роботи.

Біографії авторів

Людмила Вадимівна Перчевська, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант

Кафедра акустичних та мультимедійних електронних систем

Олександр Іванович Дрозденко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра акустичних та мультимедійних електронних систем

Катерина Сергіївна Дрозденко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук

Кафедра акустичних та мультимедійних електронних систем

Олександр Григорович Лейко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Доктор технічних наук, професор

Кафедра акустичних та мультимедійних електронних систем

Посилання

  1. Peng, Z., Zhang, D., Zhang, X., Yao, G. (2020). Ultrasonic-assisted transducer for electrosurgical electrodes. Procedia CIRP, 89, 245–249. doi: http://doi.org/10.1016/j.procir.2019.11.004
  2. Harkness, P., Cardoni, A., Russell, J., Lucas, M. (2010). Designing a Hollow Langevin Transducer for Ultrasonic Coring. Applied Mechanics and Materials, 24-25, 65–70. doi: http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.24-25.65
  3. Bogush, M. V., Bogush, O. M., Pikalev, E. M. (2013). Analiz temperaturnykh napryazheniy v elementakh gidroakusticheskikh antenn. Pribory, 10 (160), 38–42.
  4. Arata, D. (2006). Why Ultrasonic Cleaning Systems Fail – And How to Prevent It. Available at: https://www.ptonline.com/articles/why-ultrasonic-cleaning-systems-fail-and-how-to-prevent-it
  5. Hmelev, G., Barsukov, V., Ilchenko, E. (2013). Study of the effect of temperature on the parameters of ultrasonic oscillatory systems. Polzunovsky Almanac, 1, 54–58.
  6. Ilg, J., Rupitsch, S. J., Lerch, R. (2013). Impedance-Based Temperature Sensing With Piezoceramic Devices. IEEE Sensors Journal, 13 (6), 2442–2449. doi: http://doi.org/10.1109/jsen.2013.2256121
  7. Rathod, V. T. (2019). A Review of Electric Impedance Matching Techniques for Piezoelectric Sensors, Actuators and Transducers. Electronics, 8 (2), 169. doi: http://doi.org/10.3390/electronics8020169
  8. Panich, A. A., Karyukov, E. V., Svirskaya, S. N., Skrylev, A. V., Malykhin, A. Yu. (2012). Vozmozhnost kompleksnogo issledovaniya temperaturnoy zavisimosti elektrofizicheskikh parametrov pezokeramicheskikh materialov. Aktualnye problemy pezoelektricheskogo priborostroeniya. Rostov-na-Donu, 27–31.
  9. Huang, F., Zheng, D.-Y., Hu, S.-M., Peng, G.-G. (2015). The Influence of Environment Temperature on the Degradation of Lead Zirconate Titanate Ceramic. Proceedings of the 2015 International Conference on Material Science and Applications. Suzhou, 3, 723–727. doi: http://doi.org/10.2991/icmsa-15.2015.132
  10. Lee, H., Zhang, S., Bar-Cohen, Y., Sherrit, S. (2014). High Temperature, High Power Piezoelectric Composite Transducers. Sensors, 14 (8), 14526–14552. doi: http://doi.org/10.3390/s140814526
  11. Liao, X., Qiu, Z., Jiang, T., Sadiq, M., Huang, Z., Demore, C., Cochran, S. (2015). Functional Piezocrystal Characterisation under Varying Conditions. Materials, 8 (12), 8304–8326. doi: http://doi.org/10.3390/ma8125456
  12. Georges Sabat, R., Mukherjee, B. K., Ren, W., Yang, G. (2007). Temperature dependence of the complete material coefficients matrix of soft and hard doped piezoelectric lead zirconate titanate ceramics. Journal of Applied Physics, 101 (6), 064111. doi: http://doi.org/10.1063/1.2560441
  13. Cao, H. C., Evans, A. G. (1992). Non-Linear Constitutive Properties of Piezoelectric Ceramics. MRS Proceedings, 276, 39–49. doi: http://doi.org/10.1557/proc-276-39
  14. Li, T., Chen, Y. H., Ma, J. (2007). Frequency dependence of piezoelectric vibration velocity. Sensors and Actuators A: Physical, 138 (2), 404–410. doi: http://doi.org/10.1016/j.sna.2007.05.024
  15. Uchino, K. (2017). Manufacturing Methods for Piezoelectric Ceramic Materials. Advanced Piezoelectric Materials. Elsevier, 385–421. doi: http://doi.org/10.1016/b978-0-08-102135-4.00010-2
  16. Lu, X., Hu, J., Peng, H., Wang, Y. (2017). A new topological structure for the Langevin-type ultrasonic transducer. Ultrasonics, 75, 1–8. doi: http://doi.org/10.1016/j.ultras.2016.11.008
  17. Karafi, M. R., Khorasani, F. (2019). Evaluation of mechanical and electric power losses in a typical piezoelectric ultrasonic transducer. Sensors and Actuators A: Physical, 288, 156–164. doi: http://doi.org/10.1016/j.sna.2018.12.044
  18. Vasiljev, P., Mazeika, D., Borodinas, S. (2012). Minimizing heat generation in a piezoelectric Langevin transducer. IEEE International Ultrasonics Symposium, 2714–2717. doi: http://doi.org/10.1109/ultsym.2012.0680
  19. Butler, J. L., Butler, A. L., Butler, S. C. (2012). Thermal model for piezoelectric transducers (L). The Journal of the Acoustical Society of America, 132 (4), 2161–2164. doi: http://doi.org/10.1121/1.4748583
  20. Dong, X., Yuan, T., Hu, M., Shekhani, H., Maida, Y., Tou, T., Uchino, K. (2016). Driving frequency optimization of a piezoelectric transducer and the power supply development. Review of Scientific Instruments, 87 (10), 105003. doi: http://doi.org/10.1063/1.4963920
  21. Su, Y. H., Liu, Y. P., Vasic, D., Costa, F., Wu, W. J., Lee, C. K. (2013). Power enhancement of piezoelectric transformer by adding thermal dissipation layers. ICAST 2013 – 24th International Conference on Adaptive Structures and Technologies, 239–249.
  22. Robert, A. J., Sheehan, J. F. (2002). Pat. No. 6434244 B1 US. Electroacoustic Converter. MPK: B06B1/0618. published: 13.08.2002.
  23. Peshkovsky, S., Peshkovsky, L. (2015). Pat. No. 9142751 B2 US. Efficient cooling of piezoelectric transducers. MPK: H01L41/053. published: 22.09.2015.
  24. Hielscher, H. (2011). Pat. No. 8004158 B2 US. Method And Device For Cooling Ultrasonic Transducers. MPK: G10K11/004. published: 23.08.2011.
  25. Nilsson, B., Dahlberg, H. (1998). Pat. No. 5955823 US. High power ultrasonic transducer.
  26. Vjuginova, A. A. (2019). Multifrequency Langevin-Type Ultrasonic Transducer. Russian Journal of Nondestructive Testing, 55 (4), 249–254. doi: http://doi.org/10.1134/s1061830919040132
  27. Perchevska, L. V., Drozdenko, O. I., Drozdenko, K. S., Leiko, O. H. (2019). Providing of Rod Piezoceramic Electroacoustic Transducers Thermal Mode Operation. Microsystems, Electronics and Acoustics, 24 (5), 56–63. doi: http://doi.org/10.20535/2523-4455.2019.24.5.190452
  28. Drozdenko, O., Dozdenko, K., Leiko, O., Perchevska, L. (2020). The Thermal Fields Analysis of Sealed Cylindrical Piezoceramic Electroacoustic Transducers Compensated Construction. 2020 IEEE 40th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 815–819. doi: http://doi.org/10.1109/elnano50318.2020.9088757

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-06-30

Як цитувати

Перчевська, Л. В., Дрозденко, О. І., Дрозденко, К. С., & Лейко, О. Г. (2021). Дослідження впливу корпусу на ефективність охолодження п’єзокерамічного електроакустичного перетворювача типу Ланжевена. Technology Audit and Production Reserves, 3(1(59), 50–55. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2021.231279

Номер

Том 3 № 1(59) (2021): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Технології та системи енергопостачання: Оригінальне дослідження

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Liudmyla Pershevska, Oleksandr Drozdenko, Kateryna Drozdenko, Oleksandr Leiko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.