专利名称：一种压电变压器散热装置及压电变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电变压器技术领域，特别涉及一种压电变压器散热装置及压电变压器。
背景技术：
压电变压器与电磁变压器相比，具有体积小、重量轻、结构简单等优点，因此应用 越来越广泛。压电变压器的工作原理是利用压电陶瓷的正压电效应将输入部分施加的固有频 率的电压，转换成机械振动，然后根据逆压电效应在输出部分重新转换为电能。现有的压电变压器根据压电陶瓷的工作方式主要可以分成三种类型径向振动模 式型、厚度振动模式型以及辐射振动模式型。其中径向振动模式型的压电变压器主要为长 条形，振动方向沿着长度方向；厚度振动模式型的振动方向沿着厚度方向；辐射振动模式 型在压电陶瓷表面振动。理论上，在应力极限下，压电变压器的功率密度可以达到300W/Cm3-600W/Cm3，但是 现在使用的压电变压器的功率密度低于30W/cm3，一般功率密度在15W/cm3左右。目前压电 变压器的功率密度距离潜在的功率密度还有很大上升空间。现在的功率密度较低主要是受 限于内耗造成的温度升高。因为当压电陶瓷处于高于150°C的情况下时，工作极其不稳定， 而且带来电损耗和机械损耗，最后导致压电变压器退极化，无法使用。目前，国内外给压电变压器散热主要利用压电变压器自身的散热能力，例如，提高 材料的品质因数Q值以及改善压电常数d33或者d31，尽量减少其工作时的内耗，提高压电变 压器的工作效率。但是，压电变压器自身的散热能力非常有限，仍然导致其功率密度很低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种压电变压器散热装置及压电变压器，能够给 压电变压器散热，提高其功率密度。本发明提供一种压电变压器散热装置，该压电变压器散热装置设置在压电变压器 的上表面和下表面的至少一侧；压电变压器的上表面是输入电极和输出电极；下表面是地 电极，所述地电极包括输入地电极和输出地电极；该散热装置包括散热金属片和导热绝缘垫；所述散热金属片与压电变压器的上表面和/或下表面接触；所述散热金属片位于所述导热绝缘垫上方并接触；所述散热金属片，用于将压电变压器的产生的热量以热传递的形式传递给所述导 热绝缘垫；所述导热绝缘垫用于将所述热量传递给外界并与外界绝缘。优选地，在压电变压器的下表面设置所述散热装置，压电变压器的地电极与所述散热金属片接触。优选地，在压电变压器的上表面设置所述散热装置，压电变压器的输入电极和输出电极与所述散热金属片接触。优选地，还包括预紧力施加模块，用于给压电变压器的上表面和/或下表面施加 预定的预紧力。优选地，还包括预紧力施加介质，所述预紧力施加模块通过预紧力施加介质为压 电变压器的上表面施加预紧力，所述预紧力施加介质为硬性材料和软性材料中的至少一 种。优选地，所述预紧力施加介质包括软性材料和硬性材料，所述软性材料位于所述 硬性材料的上方，所述硬性材料与所述压电变压器的上表面相接触。优选地，当所述压电变压器的输入地电极和输出地电极为同一电极时，压电变压 器下表面设置的散热装置中的散热金属片为一片；当所述压电变压器的输入地电极和输出地电极为两个独立的电极时，压电变压器 下表面设置的散热装置中的散热金属片为两片，输入地电极和输出地电极分别位于两片散 热金属片上。优选地，所述导热绝缘垫为硅脂导热绝缘垫。优选地，所述散热金属片的尺寸小于、大于或等于压电变压器的尺寸。优选地，所述散热金属片的上下表面的粗糙度小于或等于0. 05 μ m。优选地，所述压电变压器为径向振动模式型或辐射振动模式型；径向振动模式型的压电变压器的形状为长条形，辐射振动模式型的压电变压器的 形状为矩形、圆形或环形。本发明实施例还提供一种压电变压器，包括输入电极、输出电极，还包括所述的散 热装置。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明提供的压电变压器的散热装置及压电变压器，在压电变压器上增加了散热 金属片和导热绝缘垫，散热金属片与压电变压器的上表面或下表面接触，将压电变压器产 生的热量传递给导热绝缘垫，导热绝缘垫再将热量传递到外界，并且与外界绝缘。这样便可 以将压电变压器工作过程中产生的热量散发掉，从而降低压电变压器的温度，提高压电变 压器的功率密度，进而提高工作效率。
图1是现有技术中矩形压电变压器的实施例一示意图；图2是现有技术中矩形压电变压器的另一实施例示意图；图3是本发明提供的压电变压器的散热装置实施例一结构图；图4是图3中A方向的剖面图；图5是本发明提供的压电变压器散热装置的另一实施例结构图；图6是图5中B方向的剖面图；图7是本发明压电变压器尺寸小于散热金属片尺寸的示意图；图8是本发明压电变压器尺寸等于散热金属片尺寸的示意图；图9是本发明压电变压器尺寸大于散热金属片尺寸的示意图；图10是本发明提供的压电变压器散热装置又一实施例结构图11是图10中E方向的剖视图；图12是本发明提供的压电变压器散热装置另一实施例结构图；图13是图12中F方向的剖面图；图14是本发明提供的压电变压器散热装置又一实施例结构图；图15是图14中G方向的剖面图。
具体实施例方式为了本领域技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案，下面首先介绍压电变 压器的基本结构。压电变压器的地电极分为输入地电极和输出地电极，其中输入地电极和输出地电 极可以为同一个电极，也可以为两个独立的电极。参见图1，该图为现有技术中矩形压电变压器的实施例一示意图。图1中的压电变压器的输入地电极和输出地电极为两个独立的电极。左边是电压 输入端Vi，右边为电压输出端Vo。参见图2，该图为现有技术中矩形压电变压器的另一实施例示意图。图2中的压电变压器的输入地电极和输出地电极为同一个电极，可以看出，左边 的电压输入端Vi和右边的电压输出端Vo的地端连接在一起，即共地。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。 本发明实施例提供的压电变压器散热装置，该压电变压器散热装置设置在压电变 压器的上表面和下表面的至少一侧；所述散热金属片与压电变压器的上表面和/或下表面 接触；压电变压器的上表面是输入电极和输出电极；下表面是地电极，所述地电极包括输 入地电极和输出地电极；该散热装置包括散热金属片和导热绝缘垫；所述散热金属片位于所述导热绝缘垫上方并接触；所述散热金属片，用于将压电变压器的产生的热量以热传递的形式传递给所述导 热绝缘垫；所述导热绝缘垫用于将所述热量传递给外界并与外界绝缘。可以理解的是，由于压电变压器的结构是对称的，输入电极、输出电极和地电极是 位于压电陶瓷的上表面和下表面的，因此本发明实施例提供的散热装置既可以设置在压电 变压器的上表面，又可以设置在压电变压器的下表面；也可以压电变压器的上表面和下表 面均设置该散热装置。为了方便描述，下面实施例中均以散热装置设置在压电变压器的下表面为例进行 介绍。由于压电变压器的上表面和下表面是个相对概念，因此工作原理相似，在此不再赘 述。本发明提供的压电变压器散热装置适用于径向振动模式型或辐射振动模式型；其中，径向振动模式型的压电变压器的形状为长条形，辐射振动模式型的压电变 压器的形状为矩形、圆形或环形。下面结合附图首先介绍矩形压电变压器的散热装置。参见图3，该图为本发明提供的压电变压器的散热装置实施例一结构图。
图3所示的矩形压电变压器中的输入地电极和输出地电极为两个独立的电极。左边为电压输入端Vi，右边为电压输出端Vo。可以理解的是，由于此压电变压器 的结构是对称的，因此电压输入端和电压输出端是可以互换的。输入地电极5和输出地电极6的下边均设置散热金属片7。由于输入地电极5和 输出地电极6为两个独立的电极，因此，可以在输入地电极5下边设置一片散热金属片，同 时在输出地电极6下边设置一片散热金属片。输入电极3和输入地电极5分别连接输入电压Vi的两端，输出电极4和输出地电 极6分别连接输出电压Vo的两端。散热金属片7的下边设置导热绝缘垫9，用于将散热金属片7上的热量传递至外 界，并与外界绝缘。8表示该压电变压器的极化方向。优选地，本发明提供的压电变压器散热装置还可以包括预紧力施加模块，用于给 压电变压器的上表面施加预定的预紧力。该预紧力施加模块可以为外设的一个独立的模块，例如，可以将图3所述的装置 放置于一个盒子内，盒子的上盖可以作为该预紧力施加模块。该散热装置还可以包括预紧力施加介质，所述预紧力施加模块通过预紧力施加介 质为压电变压器的上表面施加预紧力，所述预紧力施加介质为硬性材料和软性材料中的至 少一种。本实施例中以所述预紧力施加介质包括软性材料和硬性材料为例进行介绍，如图 3所示，所述软性材料1位于所述硬性材料2的上方，所述硬性材料2与所述压电变压器的 上表面相接触。可以理解的是，可以根据实际需要选择预紧力施加介质的具体材料和体积。例如， 可以选择圆柱形或长方体形等。优选地，本发明实施例中，软性材料1选择的是圆柱形的橡胶材料，硬性材料2选 择的是圆柱形的陶瓷材料。根据实际应用所需压力值选择了软性材料直径为2mm，软性材料 高度为2mm ；硬性材料直径为2mm，硬性材料高度为2mm。矩形压电变压器工作于共振模态，因此预紧力的施加点应位于此共振模态时压电 变压器的上表面位移最小的点。该矩形压电变压器的几何中心点是此模态下位移最小的 点，理论位移为零。将预紧力施加介质放于此处对整个振型影响最小，即对功率传递和功率 传递效率影响最小。如果预紧力施加介质位于输入电极和输出电极之间的绝缘缝隙上，则如果预紧力施加介质上表面中最长的边不小于压电变压器中间的绝缘缝隙，预紧 力施加介质必须为非导电体。如果预紧力施加介质上表面最长的边小于压电变压器中间的绝缘缝隙，预紧力施 加介质可以为非导电材料或导电材料。本发明实施例提供的散热装置适用于径向振动模式型或辐射振动模式型的压电 变压器。现有的径向振动模式型或辐射振动模式型的压电变压器的工作频率一般在 50kHz-200kHz之间，在此振动频率下，压电变压器主表面和散热金属片主表面接触，互相摩擦产生热量，因此制作的散热金属片表面需要尽量光滑。本发明实施例中优选地，散热金属片的上下表面粗糙度Ra ^ 0. 05 μ m，现有工艺 制作的压电变压器的电极表面粗糙度Ra ( 0. 2 μ m，压电变压器的上下表面或散热金属片 的上下表面的平面度误差< 0. 3 μ m，满足以上条件，摩擦产生热量相对于散热金属片散去 的热量可以忽略不计。参见图4，该图为图3中A方向的剖面图。从图4中可以明显地看出，输入地电极5下方设置第一散热金属片，输出地电极6 下方设置第二散热金属片。图3和图4对应的实施例是输入地电极和输出地电极为两个独立的电极，下面介 绍输入地电极和输出地电极为同一个电极的情况。参见图5，该图为本发明提供的压电变压器散热装置的另一实施例结构图。该图所示的压电变压器散热装置中的输入地电极和输出地电极为同一个电极。该图中与图3所示的区别是，输入地电极和输出地电极为同一个地电极10。其他 部分与图3所示的相同，在此不再赘述。参见图6，该图为图5中B方向的剖面图。从图6中也可以明显地看出，输入地电极和输出地电极为同一个地电极10。需要说明的是，本发明实施例提供的散热金属片的尺寸可以小于、大于或等于压 电变压器的尺寸。具体可以参见图7、图8和图9，分别为压电变压器尺寸小于、等于和大于 散热金属片的尺寸的示意图。需要说明的是，图7-9是图3对应的A方向的剖面图。图7中的散热金属片7的尺寸大于压电变压器11的尺寸；图8中的散热金属片7的尺寸等于压电变压器11的尺寸；图9中的散热金属片7的尺寸小于压电变压器11的尺寸。本发明提供的散热装置适用于压电变压器为径向振动模式型或辐射振动模式型； 径向振动模式型的压电变压器的形状为长条形，辐射振动模式型的压电变压器的形状为矩 形、圆形或环形。图3和图5所示的是矩形压电变压器的散热装置，下面结合附图介绍长条形、圆形 和环形压电变压器的散热装置。参见图10，该图为本发明提供的压电变压器散热装置又一实施例结构图。参见图11，该图为图10中E方向的剖视图。本实施例提供的压电变压器的形状是长条形。从图10和图11中可以看出，该压电变压器中的输入地电极5和输出地电极6是 两个独立的电极，因此每个地电极对应一片散热金属片。该散热装置包括预紧力施加介质，包括软性材料1和硬性材料2。除了整体为长条形外，其他部件与图3所示的结构相同，散热装置的工作原理也 与图3所述的相同，在此不再赘述。长条形的压电变压器以二阶径向振动为例，二阶径向振动在压电变压器的中心处 位移最小，因此可以将预紧力施加介质放于此中心点，如图10和图11所示。参见图12，该图为本发明提供的压电变压器散热装置另一实施例结构图。
参见图13，该图为图12中F方向的剖面图。本实施例提供的压电变压器为圆形。需要说明的是，图12和图13提供的圆形压 电变压器的输入地电极5和输出地电极6是分开的，是两个独立的电极。软性材料1位于硬性材料2的上方，输入电极3和输入地电极5分别连接输入电 压Vi的两端，输出电极4和输出地电极6分别连接输出电压Vo的两端。散热金属片7位 于地电极的下方。散热金属片的下方设置导热绝缘垫9。压电变压器的极化方向如图12中的箭头8所示。圆形压电变压器以一阶辐射振动模式型为例，圆形一阶辐射振动模式型的中心处 位移最小，将预紧力施加介质放于此中心点，对于输入地电极和输出地电极分开的圆形压 电变压器，可以将输出地电极线经导热绝缘垫引出。参见图14，该图为本发明提供的压电变压器散热装置又一实施例结构图。参见图15，该图为图14中G方向的剖面图。图14所示的压电变压器散热装置的各个结构与图12类似，在此不再赘述，主要的 区别是设置了两个预紧力施加介质。以内径8mm、外径16mm，厚度Imm的圆环型压电变压器工作在二阶辐射振动模式型 为例，此环形压电变压器位移最小处位于直径14mm处，为了保持压电变压器和散热金属片 接触平衡，将预紧力施加介质设置两处。在直径为14mm处，两个预紧力施加介质之间的距 离为14mm，对于输入地电极5和输出地电极6分开的环形压电变压器，可以将输出地电极6 线经导热绝缘垫引出。需要说明的是，散热金属片可以嵌入导热绝缘垫中，也可以放置在导热绝缘垫上。 本发明实施例中均是以散热金属片嵌入导热绝缘垫中为例进行介绍的，当散热金属片嵌入 导热绝缘垫中时，可以保证散热金属片和导热绝缘垫牢固接触。本发明提供的压电变压器的散热装置，增加了散热金属片和导热绝缘垫，散热金 属片与压电变压器的地电极接触，将压电变压器产生的热量传递给导热绝缘垫，导热绝缘 垫再将热量传递到外界，并且与外界绝缘。这样便可以将压电变压器工作过程中产生的热 量散掉，从而降低压电变压器的温度，提高压电变压器的功率密度，从而提高工作效率。需要说明的是，以上实施例仅是以压电变压器的散热装置设置在压电变压器的地 电极下面为例进行介绍。由于压电变压器的结构是对称的，可以理解的是，该压电变压器的 散热装置也可以设置在压电变压器的输入电极和输出电极的上面。由于输入电极和输出电 极是两个独立的电极，因此，当在输入电极和输出电极上方设置散热装置时，该散热装置中 的散热金属片需要为两个独立的散热金属片。本发明还提供一种压电变压器，该压电变压器包括输入电极、输出电极和地电极， 还包括以上实施例提供的散热装置，该散热装置可以设置在压电变压器的任何一侧，或两 侧均设置。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明 技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离 本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种压电变压器散热装置，其特征在于，该压电变压器散热装置设置在压电变压器 的上表面和下表面的至少一侧；压电变压器的上表面是输入电极和输出电极；下表面是地 电极，所述地电极包括输入地电极和输出地电极；该散热装置包括散热金属片和导热绝缘垫；所述散热金属片与压电变压器的上表面和/或下表面接触；所述散热金属片位于所述导热绝缘垫上方并接触；所述散热金属片，用于将压电变压器的产生的热量以热传递的形式传递给所述导热绝 缘垫；所述导热绝缘垫用于将所述热量传递给外界并与外界绝缘。
2.根据权利要求1所述的压电变压器散热装置，其特征在于，在压电变压器的下表面 设置所述散热装置；压电变压器的地电极与所述散热金属片接触。
3.根据权利要求1或2所述的压电变压器散热装置，其特征在于，在压电变压器的上表 面设置所述散热装置，压电变压器的输入电极和输出电极与所述散热金属片接触。
4.根据权利要求3所述的压电变压器散热装置，其特征在于，还包括预紧力施加模块， 用于给压电变压器的上表面和/或下表面施加预定的预紧力。
5.权利要求4所述的压电变压器散热装置，其特征在于，还包括预紧力施加介质，所述 预紧力施加模块通过预紧力施加介质为压电变压器的上表面施加预紧力，所述预紧力施加 介质为硬性材料和软性材料中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的压电变压器散热装置，其特征在于，所述预紧力施加介质包 括软性材料和硬性材料，所述软性材料位于所述硬性材料的上方，所述硬性材料与所述压 电变压器的上表面相接触。
7.根据权利要求2所述的压电变压器散热装置，其特征在于，当所述压电变压器的输 入地电极和输出地电极为同一电极时，压电变压器下表面设置的散热装置中的散热金属片 为一片；当所述压电变压器的输入地电极和输出地电极为两个独立的电极时，压电变压器下表 面设置的散热装置中的散热金属片为两片，输入地电极和输出地电极分别位于两片散热金属片上。
8.根据权利要求1所述的压电变压器散热装置，其特征在于，所述导热绝缘垫为硅脂 导热绝缘垫。
9.根据权利要求1所述的压电变压器散热装置，其特征在于，所述散热金属片的尺寸 小于、大于或等于压电变压器的尺寸。
10.根据权利要求1所述的压电变压器散热装置，其特征在于，所述散热金属片的上下 表面的粗糙度小于或等于0. 05 μ m。
11.根据权利要求1所述的压电变压器散热装置，其特征在于，所述压电变压器为径向 振动模式型或辐射振动模式型；径向振动模式型的压电变压器的形状为长条形，辐射振动模式型的压电变压器的形状 为矩形、圆形或环形。
12.—种压电变压器，其特征在于，包括输入电极、输出电极，还包括如权利要求1-11 任一项所述的散热装置。
全文摘要
本发明提供的压电变压器的散热装置及压电变压器，在压电变压器上增加了散热金属片和导热绝缘垫，散热金属片与压电变压器的上表面或下表面接触，将压电变压器产生的热量传递给导热绝缘垫，导热绝缘垫再将热量传递到外界，并且与外界绝缘。这样便可以将压电变压器工作过程中产生的热量散发掉，从而降低压电变压器的温度，提高压电变压器的功率密度，进而提高工作效率。
文档编号H01L41/04GK102097581SQ20101057570
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者冯志华, 潘成亮, 程萌, 贺良国, 邵维维, 黄亮 申请人:中国科学技术大学