專利名稱：具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種熱聲系統(tǒng)，特別是涉及一種具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
熱聲系統(tǒng)的工作頻率不能過大，因為熱聲系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率一般隨著頻率的升高而降低，這可以由以下的聲功產(chǎn)生率方程來表明Σw′=12T0β0Re[U~p~*fWT]1T0dT0dx-12(γ-1)Afωρ0a02|p~|2gwk-12ρ0ωAf|U~|2gwμ---(1)]]>該式中有關(guān)符號的物理意義可以參考文獻(xiàn)[1](肖家華.“熱聲效應(yīng)及回?zé)崾綗釞C(jī)(包括制冷機(jī))的理論研究”，第24頁，北京中國科學(xué)院物理研究所，1991)年所介紹的上式中，右邊的第一項表示在一定的溫度梯度下所能產(chǎn)生的最大理論功，第二項和第三項則表示由于有限的換熱能力及粘性阻力所導(dǎo)致的聲功耗散。該式表明，換熱能力的不足和粘性阻力引起的功耗散隨著頻率的增加而增加，所以，對于一個熱聲系統(tǒng)，如能降低頻率，將會減小耗散，提高熱聲系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。
通常，一個聲學(xué)系統(tǒng)(包括熱聲系統(tǒng))的共振頻率主要決定于三個因素(1)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，特別是系統(tǒng)的長度尺寸；(2)系統(tǒng)的邊界條件；(3)系統(tǒng)所用的工作介質(zhì)特性，特別是工作介質(zhì)的聲速。
現(xiàn)有熱聲系統(tǒng)的聲學(xué)結(jié)構(gòu)主要有(1)駐波型半波長(或稱二分之一波長)聲學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示；(2)駐波型四分之一波長系統(tǒng)，如圖2所示；(3)具有局部行波回路的四分之一波長系統(tǒng)，如圖3所示。
對圖1所示的半波長聲學(xué)系統(tǒng)，其最低的固有共振頻率為f=12a0L---(2)]]>對圖2所示的四分之一波長聲學(xué)系統(tǒng)，其最低的固有共振頻率為f=14a0L---(3)]]>對圖3所示的具有局部行波回路的四分之一波長聲學(xué)系統(tǒng)，其最低的固有共振頻率由如下方程確定cos2πfa0(L12+L2)-sin2πfL2a0sinπfL1a0=0---(4)]]>在(1)、(2)、(3)式中，f為聲學(xué)系統(tǒng)的最低固有共振頻率；a0為聲學(xué)系統(tǒng)中工作氣體的聲速；L為管子的長度。
由此可以看出，這些聲學(xué)系統(tǒng)的最低共振頻率主要由工作氣體的聲速、管子的長度以及聲學(xué)系統(tǒng)的邊界條件所決定。
表1給出了上述三種聲學(xué)系統(tǒng)在采用不同氣體介質(zhì)和不同管長下的最低固有共振頻率數(shù)據(jù)。從表1可以看出，為了使聲學(xué)系統(tǒng)的共振頻率低于50赫茲，則管路的長度一般要在5米以上(對氦氣)，否則共振頻率就要遠(yuǎn)高于50赫茲?？梢?，如果要制作一個頻率低于50赫茲的聲學(xué)共振系統(tǒng)，那么其尺寸一般比較龐大，既增加系統(tǒng)的占地空間又消耗大量材料，不利于實用化。在不增加系統(tǒng)的尺寸情況下，可以采取改變氣體工質(zhì)種類，使其聲速減小，從而降低熱聲系統(tǒng)的共振頻率。但是，通常適用于熱聲系統(tǒng)的工質(zhì)一般都采用環(huán)保、無毒且安全的惰性氣體，如氦氣、氖氣、氬氣、氮氣、二氧化碳等。這些氣體的分子量一般較小，難于有效地降低聲速。特別是，在熱聲驅(qū)動的低溫?zé)崧曋评錂C(jī)中，一般多采用氦氣作為工作介質(zhì)才能獲得低溫，但氦氣的聲速很高，達(dá)到1000米/秒左右?？梢姡@兩種方法在降低頻率、減小系統(tǒng)尺寸方面的能力是有限的。
表1 不同聲學(xué)系統(tǒng)的最低固有頻率與工作與體、管路長度的關(guān)系 注(在表1的計算中，氦氣、氖氣、氬氣和氮氣在溫度T＝300K時的聲速分別為1019.4m/s，353m/s，455.9m/s，322.4m/s。此外，行波型四分之一波長系統(tǒng)中行波回路長度為0.2m)發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的為了解決上述已有技術(shù)存在的問題，解決制作一個頻率低于50赫茲的聲學(xué)共振系統(tǒng)(對氦氣)時，其尺寸比較龐大，實用困難的問題；其次在于克服通常適用于熱聲系統(tǒng)的氣體工質(zhì)種類分子量一般較小，難于有效地降低聲速的問題；通過在已有的熱聲系統(tǒng)中增加一的有效質(zhì)量，為了使質(zhì)量塊在聲學(xué)系統(tǒng)中隨氣體運(yùn)動，還在固體質(zhì)量塊的一端面或兩端面連接一個實際的彈簧，來達(dá)到降低熱聲系統(tǒng)的共振頻率的目的，從而提供一種具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)。
本實用新型提供的一種具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)，包括諧振管、至少一多層的金屬膜盒彈簧；其特征是還包括一塊固體質(zhì)量塊，該固體質(zhì)量塊的一端面與所述的多層的金屬膜盒彈簧的一端相連接，由它們組成的部件安裝在諧振管的任意部位。
所述的部件安裝在諧振管中間時，固體質(zhì)量塊的另一端面與諧振管的一段的斷口固定，所述的多層的金屬膜盒彈簧的另一端與諧振管的另一段的斷口固定，并連接為一體，諧振管的另外的端口封閉。
所述的部件安裝在諧振管端口時，還包括一空腔，所述的多層的金屬膜盒彈簧的一端與固體質(zhì)量塊的一端面相連接，金屬膜盒彈簧的另一端安裝在諧振管的一端口，金屬膜盒彈簧與諧振管固定連通為一體，固定有固體質(zhì)量塊的諧振管一端外罩上一空腔，并密封固定。
還包括在固體質(zhì)量塊的兩端面分別固定一個多層的金屬膜盒彈簧，其中每一多層的金屬膜盒彈簧分別與諧振管的一段的斷口固定，諧振管的另外的端口封閉。
所述的諧振管包括帶有熱致聲單元的諧振管、帶有局部行波回路的諧振管等。
本實用新型提出的方案有效地降低一個聲學(xué)的共振頻率，特別是用來降低各種熱聲系統(tǒng)的共振頻率的原理是對任何一個熱聲系統(tǒng)都可以粗略地看作一個質(zhì)量一彈簧的振動系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)中的氣體質(zhì)量就相當(dāng)于這個振動系統(tǒng)的振動質(zhì)量，而氣體的可壓性則構(gòu)成了這個振動系統(tǒng)中的有效彈簧，當(dāng)能夠控制這個振動系統(tǒng)的等效質(zhì)量和等效彈簧，那么就有可能改變這個振動系統(tǒng)的固有振動頻率，按照質(zhì)量-彈簧振動系統(tǒng)的一般原理，增大系統(tǒng)的質(zhì)量就可以降低系統(tǒng)的固有頻率。為此，達(dá)到降低熱聲系統(tǒng)的共振頻率的目的。
本實用新型對現(xiàn)有熱聲帶來的好處如下(1)不必通過增加裝置的尺寸就可以顯著地降低熱聲系統(tǒng)的固有頻率，解決了現(xiàn)有熱聲系統(tǒng)因尺寸過大而產(chǎn)生的困難；(2)加入本實用新型的措施可以極大地降低現(xiàn)有熱聲系統(tǒng)的尺寸，并顯著地降低熱聲系統(tǒng)的固有頻率；而熱聲頻率降低后可以有效地提高現(xiàn)有熱聲系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。
(3)可以增加對工質(zhì)選擇的自由度。例如，可以主要著眼于工質(zhì)的熱聲轉(zhuǎn)換性能而不一定關(guān)注其聲速的情況。


圖1為通常二分之一波長聲學(xué)系統(tǒng)示意圖。
(該聲學(xué)系統(tǒng)由一根兩端封閉的等直徑管子構(gòu)成。管子長度為L，直徑為D)圖2為通常四分之一波長聲學(xué)系統(tǒng)示意圖。
(該聲學(xué)系統(tǒng)主要由一根等直徑的管子和一個體積遠(yuǎn)大于等直徑管子的空腔組成，管子的一端封閉，另一端與空腔相連接；管子的長度為L，直徑為D)圖3為通常帶有局部行波回路的四分之一波長聲學(xué)系統(tǒng)示意圖。
(該系統(tǒng)在圖2的駐波型四分之一聲學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個局部行波回路，即等直徑管子的一端與空腔相連，另一端則與一個環(huán)行管路連接)圖4為本實用新型的具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)中用的金屬膜盒彈簧-質(zhì)量塊組件結(jié)構(gòu)圖。
圖5a為本實用新型的一種具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)(二分之一波長熱聲系統(tǒng))示意圖。
圖5b為本實用新型的另一種熱聲系統(tǒng)示意圖圖5c為具有圖5a的具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)的最低固有頻率曲線，該圖給出了兩種情況下(本實用新型的帶金屬膜盒彈簧-質(zhì)量塊組件和已有技術(shù)的)固有頻率的對比，表明本實用新型可以有效地降低二分之一波長熱聲系統(tǒng)的固有頻率。
圖6a為實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6b為實施例2的具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)最低固有頻率與尺寸的關(guān)系曲線圖，該圖給出了兩種情況下固有頻率的對比。
圖7a為實施例3具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)示意圖。
圖7b為實施例3的最低固有頻率與尺寸的關(guān)系曲線圖，該圖給出了兩種情況下固有頻率的對比。
圖面說明高溫加熱器-1 熱聲板疊-2 室溫冷卻器-3諧振管-4 質(zhì)量塊(金屬塊)-5金屬膜盒彈簧-6大空腔-7 熱聲回?zé)崞?8熱緩沖管-9反饋慣性管-10局部行波回路熱致聲單元-11圖中 He表示已有技術(shù)； He表示本發(fā)明 Ne表示已有技術(shù)； Ne表示本發(fā)明 Ar表示已有技術(shù)； Ar表示本發(fā)明 N2表示已有技術(shù)； N2表示本發(fā)明
具體實施方式
該熱聲系統(tǒng)主要包括通常的熱致聲轉(zhuǎn)換單元、諧振管，和本實用新型的金屬膜盒彈簧-質(zhì)量組件，該組件由一個質(zhì)量塊5和與之左右相連接的兩個不銹鋼波紋管彈簧6所構(gòu)成；其中，熱致聲轉(zhuǎn)換單元由高溫加熱器1、熱聲板疊2、室溫冷卻器3，并按圖4a中所示的順序布置安裝密封固定而成。諧振管(4)為一根等直徑的管子，它的左右兩個端面均是封閉的，金屬膜盒彈簧-質(zhì)量組件將它割為左右兩段，使熱致聲單元在諧振管(4)左邊的管內(nèi)。作為該實施例的進(jìn)一步說明，本實施例給出一個具體結(jié)構(gòu)尺寸和有關(guān)參數(shù)設(shè)計，以說明本實用新型的優(yōu)越性。本實施例中，諧振管(4)的直徑為50毫米，左邊的一段長度L1＝0.2米，右邊的一段L2的長度是可以變化的。采用焊接型的不銹鋼波紋管彈簧6，彈性系數(shù)為2400N/m(牛頓/米)，與不銹鋼波紋彈簧管6焊接在一起的質(zhì)量塊5的質(zhì)量為0.2kg(千克)，質(zhì)量塊5為不銹鋼材料。工作氣體介質(zhì)分別采用氦氣、氖氣、氬氣和氮氣，工作壓力為2.0MPa。根據(jù)這些條件，可以得到如圖5c所示的共振頻率與有關(guān)參數(shù)的關(guān)系曲線。
根據(jù)以上布置，可確定該熱聲系統(tǒng)的最小固有共振頻率。假設(shè)熱聲單元中的三個組件高溫加熱器1、熱聲板疊2、室溫冷卻器3的長度遠(yuǎn)小于諧振管4。因此，這個熱聲系統(tǒng)的絕大部分仍處于室溫狀態(tài)，氣體的聲速對應(yīng)于室溫下的聲速。因為熱聲轉(zhuǎn)換單元中組件的耗散作用不會改變固有頻率，所以，這個熱聲系統(tǒng)的共振頻率實際上等同于圖4b中的聲學(xué)系統(tǒng)。
對于圖5b中的聲學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)聲學(xué)原理，可以得到其固有頻率方程為ω(M-Kω2)sinωL1a0sinωL2a0-ρ0a0Ssinω(L1+L2)a0=0----(5)]]>上式中，有關(guān)符號的物理意義如下M為質(zhì)量塊的質(zhì)量(kg，千克)；K為多層金屬膜盒的彈性系數(shù)(N/m，牛頓/米)；ω為聲學(xué)系統(tǒng)固有角頻率，為頻率f的2π倍(1/s，1/秒)；L1、L2分別為金屬膜盒左右兩邊諧振管的長度(m，米)；ρ0為熱聲系統(tǒng)中氣體工作介質(zhì)的密度(kg/m3，千克/立方米)；a0為氣體的聲速(m/s，米/秒)；S為諧振管的截面積(m2，平方米)從圖5c可以看出，當(dāng)諧振管(4)的左右兩端長度均為0.2米時，如果沒有金屬膜盒組件，則該系統(tǒng)在充入氦氣、氖氣、氬氣和氮氣時，其固有的最低共振頻率分別為1274.3赫茲、572.7赫茲、403.4赫茲和441.4赫茲。但是，當(dāng)應(yīng)用本實用新型的在熱聲系統(tǒng)的諧振管中安裝彈性振動質(zhì)量塊組件，通過增加熱聲系統(tǒng)的有效振動質(zhì)量來達(dá)到降低熱聲系統(tǒng)的固有頻率的方法，使得熱聲系統(tǒng)最低共振頻率分別降低為92.5赫茲、91.7赫茲、90.8赫茲和84.3赫茲?？梢姡瑧?yīng)用本實用新型的方法后，該熱聲系統(tǒng)的共振頻率得到顯著地降低，達(dá)到數(shù)倍到十幾倍。特別是，如果熱聲系統(tǒng)的諧振管越短，則降低頻率的效果就越顯著。
作為該實施例的進(jìn)一步說明，給出具體結(jié)構(gòu)尺寸和有關(guān)參數(shù)設(shè)計，以說明本實用新型的優(yōu)越性。本實施例中，諧振管(4)的直徑為50毫米，長度L可以變化。采用焊接型的不銹鋼波紋彈簧，彈性系數(shù)為2400N/m(牛頓/米)，與彈簧焊接在一起的質(zhì)量塊M的質(zhì)量為0.2kg(千克)。工作氣體介質(zhì)分別采用氦氣、氖氣、氬氣和氮氣，工作壓力為2.0MPa。根據(jù)這些條件，可以得到如圖6b所示的共振頻率與有關(guān)參數(shù)的關(guān)系曲線。
從圖6b可以看出，當(dāng)諧振管(4)的長度為0.5米時，如果沒有金屬膜盒組件，則該系統(tǒng)在充入氦氣、氖氣、氬氣和氮氣時，其固有的最低共振頻率分別為637.1赫茲、286.4赫茲、201.7赫茲和220.7赫茲。但是，當(dāng)加入金屬膜盒組件和應(yīng)用本實用新型的方法，該熱聲系統(tǒng)的最低共振頻率分別降低為48.6赫茲、48.2赫茲、47.8赫茲和44.6赫茲?？娠@著地降低該熱聲系統(tǒng)的共振頻率達(dá)到數(shù)倍到十幾倍。
該具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)主要由局部行波回路熱致聲轉(zhuǎn)換單元11、諧振管4和金屬膜盒彈簧6-質(zhì)量塊5組件構(gòu)成。在圖7a中，局部行波回路熱致聲單元11由室溫冷卻器3、熱聲回?zé)崞?、高溫加熱器1、熱緩沖管9和反饋慣性管10按圖7a中所示順序布置而成。諧振管4為一根等直徑的管子，它的左邊與次冷卻器的出口通過一個三通與局部行波回路熱致聲單元11連接在一起，諧振管4的右邊與金屬膜盒彈簧6-質(zhì)量塊5固定，并在該端罩上一大空腔7，其它與實例1相同。
作為該實施例的進(jìn)一步說明，給出具體結(jié)構(gòu)尺寸和有關(guān)參數(shù)設(shè)計，以說明本實用新型的優(yōu)越性。本實施例中，局部行波回路為長度0.5米、直徑50毫米的等直徑環(huán)行彎管，諧振管(4)的直徑為50毫米，長度L可以變化。采用焊接型的不銹鋼波紋彈簧管，彈性系數(shù)為2400N/m(牛頓/米)。與彈簧焊接在一起的質(zhì)量塊M的質(zhì)量為0.2kg(千克)。工作氣體介質(zhì)分別采用氦氣、氖氣、氬氣和氮氣，工作壓力為2.0MPa。根據(jù)這些條件，可以得到如圖6b所示的共振頻率與有關(guān)參數(shù)的關(guān)系曲線。
從圖7b可以看出，當(dāng)諧振管(4)的長度為0.5米時，如果沒有本實施例的金屬膜盒彈簧-質(zhì)量塊組件，則該系統(tǒng)在充入氦氣、氖氣、氬氣和氮氣時，其固有的最低共振頻率分別為682.3赫茲、306.7赫茲、216.1赫茲和236.4赫茲。但是，當(dāng)加入金屬膜盒彈簧-質(zhì)量塊組件后，該熱聲系統(tǒng)的最低共振頻率分別降低為48.6赫茲、48.3赫茲、47.9赫茲和44.6赫茲?？梢?，加入金屬膜盒彈簧-質(zhì)量塊組件后，該熱聲系統(tǒng)的共振頻率得到顯著地降低，達(dá)到數(shù)倍到十幾倍。特別是，熱聲系統(tǒng)的諧振管越短，則降低頻率的效果越為顯著。
權(quán)利要求1.一種具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)，包括諧振管、至少一多層的金屬膜盒彈簧；其特征是還包括一塊固體質(zhì)量塊，該固體質(zhì)量塊的一端面與所述的多層的金屬膜盒彈簧的一端相連接，由它們組成的部件安裝在諧振管的任意部位。
2.按權(quán)利要求1所述的具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)，其特征是所述的部件安裝在諧振管中間，固體質(zhì)量塊的另一端面與諧振管的一段的斷口固定，所述的一多層的金屬膜盒彈簧的另一端與諧振管的另一段的斷口固定，并連接為一體，諧振管的另外的端口封閉。
3.按權(quán)利要求1所述的具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)，其特征是所述的部件安裝在諧振管端口，還包括一空腔；其中一多層的金屬膜盒彈簧的一端與固體質(zhì)量塊的一端面相連接，金屬膜盒彈簧的另一端安裝在諧振管的一端口，金屬膜盒彈簧與諧振管固定連通為一體，固定有固體質(zhì)量塊的諧振管一端外罩上一空腔，并密封固定。
4.按權(quán)利要求1所述的具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)，其特征是還包括在固體質(zhì)量塊的兩端面分別固定一個多層的金屬膜盒彈簧，其中每一多層的金屬膜盒彈簧分別與諧振管的一段的斷口固定，諧振管的另外的端口封閉。
5.按權(quán)利要求1所述的具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)，其特征是所述的諧振管包括帶有熱致聲單元的諧振管、帶有局部行波回路的諧振管等。
專利摘要本實用新型涉及一種具有低共振頻率和小尺寸的熱聲系統(tǒng)。該裝置包括諧振管、至少一多層的金屬膜盒彈簧；其特征是還包括一塊固體質(zhì)量塊，該固體質(zhì)量塊的一端面與所述的多層的金屬膜盒彈簧的一端相連接，由它們組成的部件安裝在諧振管的任意部位。通過在熱聲系統(tǒng)引入等效振動質(zhì)量，可以有效地降低熱聲系統(tǒng)的共振頻率；容易地控制系統(tǒng)的尺寸，有利于熱聲熱機(jī)的微型化；非常有利于實用化。
文檔編號F25B9/14GK2557889SQ0220527
公開日2003年6月25日 申請日期2002年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月13日
發(fā)明者羅二倉, 吳劍峰, 公茂瓊, 胡勤國, 劉浩 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所