超声处理系统、变幅杆和方法技术方案

在第一方面，公开了一种超声处理系统(1)，其包括具有超声工具头(30)的超声振动臂(10)，该超声工具头带有至少一个工作面(31)用于超声处理至少一个工件，其中振动臂(10)包括：纵轴(L)；至少在工具头(30)中沿纵轴(L)延伸的封闭腔体(32,51)；至少一个介质入口(52)，冷却介质可通过介质入口(52)被送入腔体(32,51)；至少一个涡流发生器(53)，其被设计和布置在介质入口(52)和腔体(32,51)之间，从而可产生在腔体(32,51)内的介质绕纵轴(L)的涡旋运动；至少一个冷却通道(34)，其流体连通至封闭腔体(32,51)并将介质引导通过工作面(31)附近，使得工作面(31)被冷却介质冷却；至少一个第一介质出口(33)，其流体连通至冷却通道(34)。

Ultrasound Processing System, Amplifier and Method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超声处理系统、变幅杆和方法
本专利技术涉及超声处理工件，例如超声连接工件诸如焊接和/或钎焊工件、超声清洁工件或超声切割工件。
技术介绍
已知的超声处理工件系统包括具有至少一个工作面的超声焊头(工具头)，用于超声处理工件。超声塑料焊接过程将约200℃至250℃的温度施加至工具头工作面。在焊接完成之后，重要的是允许已焊接的工件冷却至塑料材料的玻璃化温度以下以保持其形状。因此，必须施加焊接力直到达到玻璃化温度，其通常需要花费数秒。为了加速这个过程，需要具有冷却工具头及其工作面的冷却装置，以使由于工具头热容量储存的热量消散。现有技术中已经提出了多种解决方法以提供这种冷却。例如DE4206584A1公开了一种通过超声连接两个工件的系统，其中，工具头的工作面被一个或多个布置在工作面周围的喷嘴喷射的冷却空气冷却。然而，这种仅对于工具头的外侧的冷却不是十分有效。根据US2003/0066863A1，冷却介质在外部吹过工具头或它可经过位于工具头内的各种通道。在US2003/0066863A1中的另一实施例利用了连接至工具头的散热片的使用以将工具头冷却至更低的温度。DE10250741A1、DE10151992A1、DE202008007271U1、DE102008029769A1、EP2832456A2和WO2017/001255A2进一步教导了具有内部通道的工具头，加热或冷却介质诸如液体可被引导通过该内部通道。ES1163609U所公开的工具头包含连接至倾斜通道的中心孔，倾斜通道在工具头工作面附近开口。冷却介质可被引导通过这种孔和通道的系统。虽然从现有技术中已知的这些方案允许加快超声处理期间所产生的热量的消散，但依然需要更有效的消散和冷却。这是实现尽可能短的循环时间的关键因素之一，其在批量生产大规模物品中尤其重要。除此之外，使用液体冷却介质需要封闭的液体回路，其显著阻碍另一个工具头的替换。此外，空化经常发生在暴露于超声波的液体介质中，其同样可导致困难。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供系统和方法，其允许在超声处理期间更加有效的消散所产生的热量并且因此更加有效的冷却。在一些实施例中，工具头应该可更加容易地被另一个工具头替换。在本专利技术的第一方面，这些和其它目的通过一种超声处理系统实现，超声处理系统包括具有超声工具头的超声振动臂，该超声工具头带有至少一个工作面用于超声处理至少一个工件。如上所述，超声处理可为超声连接工件如焊接和/或钎焊工件、超声清洁工件或超声切割工件。振动臂包括：-纵轴；-至少在工具头中沿纵轴延伸的封闭腔体；-至少一个介质入口，冷却介质尤其冷却气体可通过介质入口被送入腔体；-至少一个涡流发生器，其被设计和布置在介质入口和腔体之间，从而可产生在腔体内的介质绕纵轴的涡旋运动；-至少一个冷却通道，其流体连通至封闭腔体并且将介质引导通过工作面附近，使得工作面被冷却介质冷却；以及-至少一个第一介质出口，其流体连通至冷却通道。使用时，冷却介质被送入介质入口、经过涡流发生器并且流过封闭腔体。至少已经流过封闭腔体的冷却介质的第一部分接着流过冷却通道并且最终通过第一介质出口被排出。因此，与现有技术所知的系统相比，本专利技术的系统包含至少一个涡流发生器，其被设计和布置在介质入口和腔体之间，从而可产生在腔体内的介质绕纵轴的涡旋运动。如专利技术人所示，当这种冷却介质的涡旋运动可在腔体内产生时，会获得更快速的热量消散，由此冷却工具头以及尤其是其工作面。这导致循环时间的大幅减少，这在例如工件的批量生产中十分重要。在一些实验中可表明循环时间从大约3秒减少至不到1秒。不受本专利技术的限制，目前假设公知的焦耳-汤姆森效应在冷却介质通过涡流发生器时至少部分地减少冷却介质的温度并由此有助于改善本专利技术的热量消散。当在连接至振动臂的相邻超声换能器附近由于焦耳-汤姆森效应发生冷却，换能器用于激起超声振动臂振动，这种换能器也能被冷却。同样不受本专利技术的限制，目前假设涡流发生器和超声振动臂尤其是其工具头内的封闭腔体用为涡流管。涡流管本身为已知的并且归功于乔治.J.拉克和鲁道夫.希尔什。目前还假设在封闭腔体的径向内区域流动的冷却介质的第一部分相比于正在进入的冷却介质减少，而在封闭腔体的径向外区域流动的冷却介质的第二部分相较于正在进入的冷却介质具有变大的温度。进一步地，目前假设在径向内区域的冷却介质的第一冷却部分通过在径向外区域中的冷却介质的第二部分与变热的振动臂热屏蔽。因此，优选地，冷却通道流体连通至封闭腔体，以使已经流过封闭腔体的径向内区域的冷却介质的至少一部分被引导通过工作面附近。为了避免可能的疑虑，本专利技术的说明书所用的术语“封闭腔体”不表示气密封闭的腔体而是由除了介质入口和介质出口之外的内壁包围的腔体。振动臂还可包括变幅杆，变幅杆连接至工具头并且包括介质入口和涡流发生器，其中该封闭腔体延伸在工具头和变幅杆二者中。因此，腔体由工具头和变幅杆二者围成。因此，在那些振动臂包含变幅杆的实施例中，还可使用振动臂的长度的至少一部分来限定涡流管并且因此提供冷却效果。尤其优选地，工具头是可拆卸连接的或被连接至变幅杆。这允许将一个工具头替换为另一个工具头，例如当一个工具头不得不接受维修时或当需要具有不同特性的另一个工具头用于特定的超声处理时。例如，工具头可为可拆卸连接的或通过螺纹连接机构被连接至变幅杆，其极大地简化了将一个工具头替换为另一个工具头。优选地，介质入口形成为径向通道，其允许易于制造但是仍然有效。同样优选地，振动臂、尤其变幅杆包含至少一个通路，其基本平行于纵轴延伸并且使介质入口与涡流发生器流体连通。因此，冷却介质被轴向引导至涡流发生器。优选地，涡流发生器包含至少一个优选多个引导面，其被设计和布置用于将已经通过介质入口进入的冷却介质偏转为在腔体内绕纵轴的涡旋运动。在一个实施例中，涡流发生器由螺钉件和界定振动臂的封闭腔体的内壁、尤其是界定变幅杆中延伸的腔体的一部分的内壁形成，其中螺钉件的杆部被保持在封闭腔体的具有第一直径d1的第一圆柱形部段中；通路形成在杆部的无螺纹部和基本平行于纵轴延伸的内壁之间；螺钉件的头部被布置在封闭腔体的具有第二直径d2的第二圆柱形部段中，第二直径d2大于第一直径d1，且头部在其面对杆部的一侧包含引导面中的至少一个。该结构特别简单且有效。杆部背对头部的螺纹部和无螺纹部可与第一圆柱形部段密封接合。进一步优选地，在预期操作期间，从第一圆柱形部段到第二圆柱形部段的过渡部位于振动臂尤其是变幅杆的纵向振动波节附近。这阻碍了振动能向热能的不利转换。有利地，该系统还包括用于将冷却介质送入介质入口的输入法兰，其中该输入法兰至少部分包围振动臂。这允许冷却介质简单但有效地送入。除此之外，输入法兰可同时保持超声振动臂，尤其变幅杆。该法兰可在垂直于系统纵轴的平面中包围振动臂。输入法兰有利地包括用于冷却介质的入口通道和至少部分包围振动臂的纵轴的第一环形通道，第一环形通道使入口通道与振动臂的介质入口流体连通。这种环形通道允许供给振动臂的若干介质入口。入口通道可被布置成基本平行于振动臂的纵轴。尤其优选地，在预期操作期间，输入法兰在振动臂尤其变幅杆的纵向振动波节区域中连接并保持振动臂。这阻碍了振动能向热能的不利转换。输入法兰还可包括至少一个冷却通道，第二冷却介质可被引导通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声处理系统(1)，其包括具有超声工具头(30)的超声振动臂(10)，该超声工具头带有用于超声处理至少一个工件的至少一个工作面(31)，其中所述振动臂(10)包括：‑纵轴(L)；‑至少在所述工具头(30)中沿所述纵轴(L)延伸的封闭腔体(32,51)；‑至少一个介质入口(52)，冷却介质尤其冷却气体能通过所述介质入口被送入所述腔体(32,51)；‑至少一个涡流发生器(53)，其被设计和布置在所述介质入口(52)和所述腔体(32,51)之间，从而能产生在所述腔体(32,51)内的介质围绕所述纵轴(L)的涡旋运动；‑至少一个冷却通道(34)，其流体连通至所述封闭腔体(32,51)并引导介质经过所述工作面(31)附近，使得所述工作面(31)被所述冷却介质冷却；‑至少一个第一介质出口(33)，其流体连通至所述冷却通道(34)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种超声处理系统(1)，其包括具有超声工具头(30)的超声振动臂(10)，该超声工具头带有用于超声处理至少一个工件的至少一个工作面(31)，其中所述振动臂(10)包括：-纵轴(L)；-至少在所述工具头(30)中沿所述纵轴(L)延伸的封闭腔体(32,51)；-至少一个介质入口(52)，冷却介质尤其冷却气体能通过所述介质入口被送入所述腔体(32,51)；-至少一个涡流发生器(53)，其被设计和布置在所述介质入口(52)和所述腔体(32,51)之间，从而能产生在所述腔体(32,51)内的介质围绕所述纵轴(L)的涡旋运动；-至少一个冷却通道(34)，其流体连通至所述封闭腔体(32,51)并引导介质经过所述工作面(31)附近，使得所述工作面(31)被所述冷却介质冷却；-至少一个第一介质出口(33)，其流体连通至所述冷却通道(34)。2.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述振动臂(10)还包括变幅杆(50)，该变幅杆连接至所述工具头(30)并包括所述介质入口(52)和涡流发生器(53)，其中所述封闭腔体(32,51)在所述工具头(30)和所述变幅杆(50)二者中延伸。3.根据权利要求2所述的系统(1)，其中，所述工具头(30)是可拆卸连接的或例如通过螺纹连接机构(70)连接至所述变幅杆(50)。4.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述至少一个介质入口(52)作为径向通道(52)形成。5.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述振动臂(10)且尤其所述变幅杆(50)包含至少一个通路(61)，该通路基本平行于所述纵轴(L)延伸并且将所述介质入口(52)与所述涡流发生器(53)流体连通。6.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述涡流发生器(53)包含至少一个、优选多个引导面(54)，该引导面被设计和布置用于将已经由所述介质入口(52)进入的冷却介质(52)偏转为在所述腔体(32,51)内绕所述纵轴(L)的涡旋运动。7.根据权利要求6所述的系统(1)，其中，所述涡流发生器(53)由螺钉件(62)和内壁(63)形成，该内壁界定出所述振动臂(10)的所述封闭腔体(51)、尤其界定出在所述变幅杆(50)中延伸的所述腔体(32)的一部分，其中，-所述螺钉件(62)的杆部(64)保持在所述封闭腔体(32,51)的具有第一直径(d1)的第一圆柱形部段(59)中；-通路(61)形成在所述杆部(64)的无螺纹部(66)和基本平行于所述纵轴(L)延伸的所述内壁(63)之间；-所述螺钉件(62)的头部(65)布置在所述封闭腔体(32,51)的具有第二直径(d2)的第二圆柱形部段(60)中，所述第二直径(d2)大于所述第一直径(d1)，并且-所述头部(65)在其面对所述杆部(65)的一侧包含所述引导面(54)中的至少一个。8.根据权利要求7所述的系统(1)，其中，在预期操作期间，从所述第一圆柱形部段(59)到所述第二圆柱形部段(60)的过渡部位于所述振动臂(1)且尤其是所述变幅杆(50)的纵向振动波节附近。9.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述系统(1)还包括用于将所述冷却介质送入所述介质入口(52)的输入法兰(20)，其中尤其在垂直于所述纵轴(L)的平面中，所述输入法兰(20)至少部分包围所述振动臂(10)、尤其所述变幅杆(50)。10.根据权利要求9所述的系统(1)，其中，所述输入法兰(20)包括用于所述冷却介质的入口通道(22)和至少部分包围所述振动臂(10)的所述纵轴(L)的第一环形通道(23)，所述第一环形通道(23)使所述入口通道(22)与所述振动臂(10)的所述介质入口(52)流体连通。11.根据权利要求10所述的系统(1)，其中，所述入口通道(22)基本平行于所述振动臂(10)的所述纵轴(L)布置。12.根据权利要求中9至11中任一项所述的系统(1)，其中，在预期操作期间，所述输入法兰(20)在所述振动臂(10)、尤其所述变幅杆(50)的纵向振动波节区域中连接至所述振动臂(10)并保持所述振动臂(10)。13.根据权利要求9至12中任一项所述的系统(1)，其中，所述输入法兰(20)还包括至少一个冷却通道(21)，第二冷却介质、尤其冷却液体可被引导通过所述冷却通道(21)。14.根据权利要求13所述的系统(1)，其中，所述冷却通道(21)形成为至少部分包围所述振动臂(10)的所述纵轴(L)的第二环形通道(21)。15.根据权利要求13至14中任一项所述的系统(1)，其中所述输入法兰(20)还包括：-至少一个第二入口通道(55)，所述第二冷却介质能通过所述第二入口通道(55)被送入所述冷却通道(21)；和-至少一个第二出口通道(56)，所述第二冷却介质能通过所述第二出口通道(56)被排出所述冷却通道(21)；以及其中所述系统(1)还包括：-外部冷却部段(2)，其使所述第二出口通道(56)与所述第二入口通道(55)流体连通；和-外部冷却单元(3)，其用于冷却在所述外部冷却部段(2)中的所述第二冷却介质。16.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述封闭腔体(32,51)、尤其在所述工具头(30)中延伸的所述腔体(32)的一部分包含：-第一圆柱形部段(36)，其面向所述涡流发生器(53)、沿所述纵轴(L)延伸并且具有第一直径(D1)；和-邻接所述第一圆柱形部段(36)的第二圆柱形部段(37)，其背离所述涡流发生器(53)、沿所述纵轴(L)延伸并且具有小于所述第一直径(D1)的第二直径(D2)，其中尤其D2<D1/2。17.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述第一介质出口(33)布置在所述工作面(31)附近。18.根据权利要求17所述的系统(1)，其中，所述第一介质出口(33)布置在所述工具头(30)的外表面的一部分中，所述外表面的一部分被布置成相对于所述纵轴(L)成一个角度(β)，所述角度(β)优选在60°至80°范围内。19.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述冷却通道(34)相对于所述纵轴(L)成一个角度(α)延伸，所述角度(α)优选小于60°并且更优选在7°至15°范围内。20.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述振动臂(10)、尤其所述工具头(30)还包括至少一个第二介质出口(35)，所述第二介质出口流体连通至所述封...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·苏伦泰勒，
申请(专利权)人：远程声波控股公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH