技术领域
[0001] 本
发明主要涉及热声
热机、热
力学、
流体力学
和声学领域，特别涉及一种高真空绝热的可视化热声核元件及热声系统。
背景技术
[0002] 热声热机是一种新型高效热机，它利用物理中的热声现象，使工作气体在板叠(
回热器)的微结构通道内完成介观层面上的
热力学微循环，直接实现
热能到声能的相互转换。板叠(回热器)是热声热机中实现热能(声能)到声能(热能)转化的核心元件，是热声过程中的热力学第二介质。该元件在
驻波型热声热机中称为板叠，在行波型热声热机中称为回热器，两者结构相同，只是填料间距不同，对板叠，其间距比回热器要大，气流在其中实现的是不可逆热量交换，而在回热器中，气流和回热器边壁进行的是等温可逆过程。板叠(回热器)目前常用结构主要有平行板叠型、圆孔型、丝网型、针束型等。其中平行板叠型因结构简单、热功转化效率高，使用最为普遍。丝网型由许多片丝网
叠加在一起制作而成，其热功转化效率高，但是丝网通道不规则，阻力大，会造成不必要的热能损失，很难进行准确的定量计算。
针束型是由很多
钢针平行地排列，每三根钢针中心呈正三
角形。数值计算和实验结果表明针束型的热功效率比平行板叠型的高，但这种结构制作工艺复杂，没有得到很好的应用。
[0003] 热声核由冷、热端换热器和板叠(回热器)组成。基于板叠(回热器)在热声热机中的重要性，随之发展出对热声核微通道内部的流场和
温度场测量。首先，来自于纯声学领域的测量方法着眼于对热声核声学参量的测量，主要是把它考虑成具有巨大表面积和较大
热容的多孔介质，利用驻波管法、双
传感器法等测量其反射系数、吸声系数、表面声阻抗等声学参数。同时，通过研究不同终端的驻波模态，或通过测量热声核材料末端为高阻抗或低阻抗时的输入阻抗来确定其传播常数和特征阻抗。鉴于在热声热机中，板叠(回热器)是实现热声过程的热力学第二介质，它依靠冷、热端换热器的作用建立起可观的温度梯度，并依据热声核位于不同的声场可实现不同的
热力循环来达到不同的目的，上述纯声学测量的方法并不适合热声核的热声转化本质的研究。其次，依据目前较为普遍的热声热机测量条件，热声核内多采用
热电偶测量热声核内沿波传播方向的温度，此温度测量仅能实现热声核内沿波传播方向的单点温度测量，不能准确描述热声核内温度场的瞬态变化，而广泛应用于电力，医疗，消防，
冶金，化工等领域的红外热像仪可以应用于热声领域，测量热声核内的温度场分布。由于热声核的内部工作气体的流道在亚毫米之下，因此，难以布置测压、测流速等测量器件，导致热声核内测压、测流速手段的缺乏。基于这一研究现状，参考文献1(
专利号：ZL200910235679.1，一种热声过程测量系统及其测试方法)将红外热像仪和粒子成像测速仪相结合，提出一种热声过程测量系统及其测试方法，对热声核微通道内的热声流场和温度场进行测量与可视化热声场研究。
[0004] 参考文献1的热声核有以下不足之处，第一，该热声核仅包括板叠(或回热器)部分，只能对板叠(或回热器)内的热声流场和温度场进行可视化观察，而忽略了热端换热器内以及热端换热器和板叠(或回热器)之间的气体工质扰动而引起的热声流场和温度场；第二，该热声核缺乏有效的
隔热结构设计，在实际的加热实验中，会造成较大的漏热，不利于真实体现热声过程中温度场和声场的相互耦合作用。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服目前热声核存在的漏热问题，提供了一种具备高真空绝热的可视化热声核元件及其可应用于热声学介观测试的真实热声系统。该可视化热声核元件的热端换热器和冷端换热器为平行型板叠建立温差，可视化外真空绝热罩
抽取真空，可以有效降低
辐射换热。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种高真空绝热的可视化热声核元件，所述热声核元件4为一个气体工质在内部流通的长方体；在内部从左至右设置热端换热器10、平行型板叠6和冷端换热器9；所述热端换热器10、平行型板叠6和冷端换热器9的平板之间为气道空间7，示踪粒子5充满气道空间7中；所述热声核元件4的上端盖为透明视窗口，窗口内安装硫化锌晶体18，所述热声核元件4的下端盖为透明视窗口，窗口内安装
石英玻璃17；所述热声核元件4的外部设置绝热罩27，所述绝热罩27的上端盖为透明视窗口，窗口内安装硫化锌晶体18，所述绝热罩27的下端盖为透明视窗口，窗口内安装石英玻璃17；所述绝热罩27与热端换热器10、平行型板叠6之间形成一个密闭真空空间。
[0007] 作为上述装置的一种改进，所述气道空间7的宽度的取值范围为0.25～2mm，所述平行型板叠6包括若干个等距的平板，平板的厚度的取值范围为0.01～2mm。
[0008] 作为上述装置的一种改进，所述石英玻璃17与周边表面间采用耐高温O形圈或金属密封；所述硫化锌晶体18与周边表面间采用耐高温O形圈或金属密封。
[0009] 一种基于上述的热声核元件实现的热声系统，所述热声系统包括：热声核元件4、红外热像仪2和粒子成像测速仪16；所述红外热像仪2设置在热声核元件4的上端，所述粒子成像测速仪16设置在热声核元件4的下端，在热声核元件4的平行型板叠6中部垂直设置挡光板8，用于将红外热像仪2和粒子成像测速仪16所需的光路隔开；所述红外热像仪2通过硫化锌晶体18观测示踪粒子5，测量气道空间7的温度场；所述粒子成像测速仪16通过石英玻璃17观测示踪粒子5，测量气道空间7的速度场。
[0010] 一种基于上述热声系统实现的驻波型
热声发动机，所述驻波型热声发动机包括左侧谐振管段20、热声核元件4、右侧谐振管段21；所述左侧谐振管段20位于热声核元件4的左端，所述右侧谐振管段21位于热声核元件4的右端；在左侧谐振管段20上开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22；在右侧谐振管段21上开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22。
[0011] 一种基于上述的驻波型热声发动机实现的对置式扬声器驱动热声系统，所述热声系统包括两个扬声器19、左侧谐振管段20、热声核元件4、右侧谐振管段21；所述两个扬声器19对称地设置左侧谐振管段20的左端和右侧谐振管段21的右端，所述两个扬声器19用于调制热声核元件4两端的声场。
[0012] 一种基于上述的驻波型热声发动机实现的单扬声器驱动的热声制冷机，所述热声制冷机包括一个扬声器19、左侧谐振管段20、热声核元件4和右侧谐振管段21；所述扬声器19设置在左侧谐振管段20的左端；所述热声制冷机在扬声器19的驱动下，发出声功驱动热声系统内的气体工质运动，在冷端换热器9上产生制冷效果。
[0013] 一种基于上述的热声系统实现的单环形圈热声发动机，所述热声发动机包括热声核元件4和反馈管24；所述反馈管24为环形圈，在热声核元件4的热端换热器10左侧的反馈管24上开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22；在热声核元件4的冷端换热器9右侧的反馈管24上开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22。9、一种基于
权利要求4所述的单环形圈热声发动机实现的斯特林型热声发动机，其特征在于，所述斯特林型热声发动机包括谐振管段26、热声核元件4、反馈管24和
谐振腔25；所述谐振管段26连通反馈管24和谐振腔25；在环形圈的反馈管24上开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器22；在所述热声核元件4的热端换热器10下端的反馈管24上开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器22；在谐振管段26上开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22。
[0014] 一种基于上述的驻波型热声发动机实现的级联型热声发动机，所述的级联型热声发动机包括第一级驻波型和第二级行波型热声发动机构成；在级联型热声发动机的左端和右端分别对称设置两个谐振腔25；其中，左侧的驻波型热声发动机为第一级驻波型热声发动机，右侧的行波型热声发动机为第二级行波型热声发动机；所述第一级驻波型热声发动机的右侧谐振管段21与第二级行波型热声发动机的左侧谐振管段20相连；所述左端的谐振腔25与第一级驻波型热声发动机的左侧谐振管段20联通，在第一级驻波型热声发动机的左侧谐振管段20上开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器22；所述右端的谐振腔25与第二级行波型热声发动机的右侧谐振管段21联通，在第二级行波型热声发动机的右侧谐振管段21上另开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器22。
[0015] 本发明的优势在于：
[0016] 1、本发明的热声核元件能有效解决热声核元件内粒子成像测速仪和红外热像仪的光路兼容性问题，实时两关键仪器的同步测量，便于实验测量和研究热声核元件内的热声过程；同时，该可视化热声核元件能工作在1MPa压力和200℃的高温环境中，采用可视化外真空绝热罩可以有效降低辐射漏热，使测试环境更加符合热声系统的一般工作条件，并且解决一般可视化测量不能耐热和承压的缺点，具有实际的应用价值；
[0017] 2、本发明的热声核元件采用可视化外真空绝热罩，能长期保持真空，可以有效降低辐射漏热；
[0018] 3、基于本发明的高真空绝热的可视化热声核设计所进行的热声系统，可以进一步深化对热声核元件内热声学
波动过程的认识，所提供的热声核元件内实验测量数据，为热声核元件内热声理论分析建模提供
基础，为改进何优化热声系统提供方法。
附图说明
[0019] 图1是本发明中的高真空绝热的可视化热声核的具体
实施例示意图；
[0020] 图2是根据本发明的可用于热声学介观测试的热声系统的具体实施例示意图；
[0021] 图3是本发明应用于驻波型热声发动机的具体实施例示意图；
[0022] 图4是本发明应用于对置式扬声器驱动热声系统的具体实施例示意图；
[0023] 图5是本发明应用于单扬声器驱动热声制冷机的具体实施例示意图；
[0024] 图6是本发明应用于单环形圈热声发动机的具体实施例示意图；
[0025] 图7是本发明应用于斯特林型热声发动机的具体实施例示意图；
[0026] 图8是本发明应用于级联型热声发动机的具体实施例示意图。
[0027] 附图标识
[0029] 4、热声核元件 5、示踪粒子 6、平板
[0030] 7、气道空间 8、挡光板 9、冷端换热器
[0031] 10、热端换热器 11、
声波 12、物镜
[0032] 13、滤镜 14、隔板 15、目镜
[0033] 16、粒子成像测速仪 17、石英玻璃 18、硫化锌晶体
[0034] 19、扬声器 20、左侧谐振管段 21、右侧谐振管段
[0035] 22、
压力传感器 23、模
块 24、反馈管
[0036] 25、谐振腔 26、谐振管段 27、绝热罩
具体实施方式
[0037] 下面的说明和附图将详细阐述本发明中可用于热声学介观测试的高真空绝热的可视化热声核元件的原理图以及热声核元件的实施例。但是，可以在不违背本发明的原理的前提下，对具体实施方式做出各种可能的
修改和变更。结合附图来描述本发明的具体实施方式：
[0038] 实施例1：
[0039] 图1所示是本发明中的热声核元件4的一个具体实施例示意图。如图1所示，所述热声核元件4为一个气体工质在内部流通的长方体；在内部从左至右设置了热端换热器10、平行型板叠6和冷端换热器9；所述热端换热器10、平行型板叠6和冷端换热器9的平板之间为气道空间7，示踪粒子5充满气道空间7中；所述热声核元件4的上端盖为透明视窗口，窗口内安装硫化锌晶体18，所述热声核元件4的下端盖为透明视窗口，窗口内安装石英玻璃17；所述热声核元件4的外部设置绝热罩27，绝热罩27的上端盖为透明视窗口，窗口内安装硫化锌晶体18，绝热罩27的下端盖为透明视窗口，窗口内安装石英玻璃17。所述石英玻璃17与周边表面间采用耐高温O形圈或金属密封；所述硫化锌晶体18与周边表面间采用耐高温O形圈或金属密封。
[0040] 所述气道空间7的宽度的取值范围为0.25～2mm，所述平行型板叠6包括若干个等距的单板，单板的厚度的取值范围为0.01～2mm。所述气道空间7的宽度为2l，单板的厚度为2y0；在本实施例中2l＝2y0＝0.5mm。
[0041] 采用热端换热器10侧加热和冷端换热器9侧
循环水冷却的方式控制平行型板叠6两端的高温温度和低温温度为恒定值。
[0042] 所述绝热罩27与热端换热器10、平行型板叠6之间形成一个密闭真空空间，有效降低气体辐射，形成高真空绝热环境。
[0043] 实施例2：
[0044] 如图2示，针对热声学介观测试系统内热场和声场的测量，在热声系统中，其核心部件为热声核元件4，依据热声发动机和热声制冷机原理的不同，在热声发动机内，可发生自激振荡产生声波11；在热声制冷机内，由发声元件如扬声器向热端换热器10输入声波11。所述热声系统包括：热声核元件4、红外热像仪2和粒子成像测速仪16；所述红外热像仪2设置在热声核元件4的上端，所述粒子成像测速仪16设置在热声核元件4的下端，在热声核元件4的平行型板叠6中部垂直设置挡光板8，用于将红外热像仪2和粒子成像测速仪16所需的光路隔开；当示踪粒子5在激光1的照射下，体现出荧光特性后，此窗口可以利用红外热像仪
2测量热声核元件4内部的空间温度分布。在热声核元件4的下端与上端沿中心面对称)部位同样开有透明视窗口，此窗口用于粒子成像测速仪MicroPIV)16测量热声核4内部的速度分布。粒子成像测速仪16的测速原理是，在激光1的照射下，示踪粒子5产生荧光特性，其光
信号透过物镜12，经过滤镜13反转，隔板14能有效地阻隔激光1，而让荧光3通过，进而能够在相机或目镜15中观测到热声核元件4内示踪粒子5的运动情况。
[0045] 在热声核元件4进行介观测量时，红外热像仪2从热声核元件4上端透过硫化锌晶体18观测两平板6间的充满气道空间7的示踪粒子5，测量气道空间7内的温度场。挡光板8用以将红外热像仪2和粒子成像测速仪16所需的光路隔开。粒子成像测速仪16从热声核元件4下端向上透过石英玻璃17观测平行型板叠6的两平板间的充满气道空间7的示踪粒子5，测量气道空间7内的瞬态质点速度。
[0046] 实施例3：
[0047] 图3是本发明应用于驻波型热声发动机的实施例示意图。所示的热声发动机包括左侧谐振管段20、热声核元件4和右侧谐振管段21。该热声发动机的工作机理是通过在平行型板叠6两端建立温度梯度，当此温度梯度达到热声系统的
临界温度梯度时，发动机内产生自激振荡，输出声功。如图3所示，采用热端换热器10侧加热，冷端换热器9侧循环水冷却的方式控制平行型板叠6两端的高温温度和低温温度在恒定值。在热端换热器10侧的谐振管段20上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22，测量压力P1-P4；在冷端换热器9侧的右侧谐振管段21上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22，用于测量压力P5-P8。将本发明的热声核元件4布置在驻波型热声发动机系统内，针对可视化热声核元件4内的介观尺度的测量，可以通过信号流S2实现红外热像仪2测温度场，同步进行的是信号流S3实现粒子成像测速仪16测速度场。
[0048] 实施例4：
[0049] 图4所示是本发明用于对置式扬声器驱动热声系统的典型实施例。所示的对置式扬声器驱动热声系统包括两个扬声器19、左侧谐振管段20、热声核元件4、和右侧谐振管段21。在扬声器19和热端换热器10之间的左侧谐振管段20上，开有四个声压测孔，分别设置压力传感器22，测量压力P1-P4；在冷端换热器9和扬声器19之间的右侧谐振管段21上，开有四个声压测孔，分别设置压力传感器22，测量压力P5-P8。如图4所示，该热声系统两端布置两个对置式扬声器19，通过调节对置式扬声器19的输入电功率、两扬声器间
相位差以及输入
频率，可以方便地调制热声核元件4两端的声场，使其工作在稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场条件下。采用热端换热器10侧加热，冷端换热器9侧循环水冷却的方式控制热声核元件4两端的高温温度和低温温度在恒定值。这样，利用对置式扬声器发出声功，驱动热声系统内的气体工质运动，通过信号流S1实现压力传感器测单点压力的模块23。将本发明的热声核元件4布置在对置式扬声器驱动热声系统内，针对可视化热声核元件4内的介观尺度的测量，可以通过信号流S2实现红外热像仪2测温度场，同步进行的是信号流S3实现粒子成像测速仪16测速度场。
[0050] 实施例5：
[0051] 图5是本发明应用于1/4
波长的单扬声器驱动的热声制冷机的实施例示意图。所示的1/4波长热声制冷机包括一个扬声器19、左侧谐振管段20、热声核元件4和右侧谐振管段21。该热声制冷机依靠扬声器19驱动，发出声功驱动热声系统内的气体工质运动，在冷端换热器9上产生制冷效果。与实施例4相同，在扬声器19和热端换热器10之间的左侧谐振管段
20上，开有四个声压测孔，分别设置四个压力传感器22，用于测量压力P1-P4；在冷端换热器
9和扬声器19之间的右侧谐振管段21上，开有四个声压测孔，分别设置四个压力传感器22，用于测量压力P5-P8。虽然此热声制冷机与实施例4中所述的对置式扬声器驱动的热声系统的结构和工作原理不同，但二者在谐振管内声场所遵循的规律完全一样，通过信号流S1实现压力传感器测单点压力的模块23。针对可视化热声核元件4内的介观尺度的测量，可以通过信号流S2实现红外热像仪2测温度场，同步进行的是信号流S3实现粒子成像测速仪16测速度场。
[0052] 实施例6：
[0053] 图6是本发明应用于单环形圈热声发动机时的实施例示意图。所示的单环形圈热声发动机包括热声核元件4和反馈管24。该热声发动机的工作机理与实施例4中的不同，它通过在平行型板叠6两端建立温度梯度，当此温度梯度达到热声系统的临界温度梯度时，发动机内产生自激振荡，在它的平行型板叠6内的气体工作经历斯特林热力学循环，输出声功。如图6所示，在平行型板叠6两端布置热端换热器10和冷端换热器9，采用热端换热器10侧加热，冷端换热器9侧循环水冷却的方式控制平行型板叠6两端的高温温度和低温温度在恒定值。在环形圈的反馈管24上，在热端换热器10侧的管段上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22，用于测量压力P1-P4；在冷端换热器9侧的管段上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22，用于测量压力P5-P8。此热声发动机与实例4中所述的谐振管内声场所遵循的规律完全一样，将本发明的热声核元件4置于此热声发动机中，同样可以采用实施例4中所述的热声过程的测试方法获得单点压力、温度场、速度场等各个声学参量，这里不再详述。
[0054] 实施例7：
[0055] 图7是本发明应用于斯特林型热声发动机时的实施例示意图。所示的斯特林型热声发动机包括谐振管段26、热声核元件4、反馈管24和谐振腔25。该热声发动机的工作机理与实施例4中的不同，它通过在平行型板叠6两端建立温度梯度，当此温度梯度达到热声系统的临界温度梯度时，发动机内产生自激振荡，在它的热声核内的气体工作经历斯特林热力学循环，输出声功。如图7所示，在平行型板叠6两端布置热端换热器10和冷端换热器9，采用热端换热器10侧加热，冷端换热器9侧循环水冷却的方式控制平行型板叠6两端的高温温度和低温温度在恒定值。在环形圈的反馈管24上，开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器22，用于测量压力P1-P2；在热端换热器10下端的管段上，开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器22，用于测量压力P3-P4；在谐振管段26上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器22，用于测量压力P5-P8。此热声发动机与实例4中所述的谐振管内声场所遵循的规律完全一样，将本发明的热声核元件4置于此热声发动机中，同样可以采用实施例4中所述的热声过程的测试方法获得单点压力、温度场、速度场等各个声学参量，这里不再详述。
[0056] 实施例8：
[0057] 图8是本发明应用于级联型热声发动机时的实施例示意图。所示的级联型热声发动机包括所述的级联型热声发动机包括第一级驻波型和第二级行波型热声发动机构成；在级联型热声发动机的左端和右端分别对称设置两个谐振腔25；其中，左侧的驻波型热声发动机为第一级驻波型热声发动机，右侧的行波型热声发动机为第二级行波型热声发动机；所述第一级驻波型热声发动机的右侧谐振管段21与第二级行波型热声发动机的左侧谐振管段20相连；所述左端的谐振腔25与第一级驻波型热声发动机的左侧谐振管段20联通，在第一级驻波型热声发动机的左侧谐振管段20上开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器22，用于测量压力P1-P2；所述右端的谐振腔25与第二级行波型热声发动机的右侧谐振管段21联通，在第二级行波型热声发动机的右侧谐振管段21上另开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器22，用于测量压力P3-P4。该热声发动机的第一级驻波型热声发动机的热声核元件4的起振温度较低，在第一级驻波型热声发动机的平行型板叠6两端建立温度梯度后，当此温度梯度达到热声系统的临界温度梯度时，发动机内产生自激振荡；此声功有助于第二级行波型热声发动机的热声核元件4起振，并进一步地产生声功；综合两级热声转换元件，此级联型热声发动机能够得到更多的输出声功。如图8所示，对于热声核的介观测试部分，可以分别对第一级行波型热声发动机的热声核元件和第二级行波型热声发动机的热声核元件进行观测，其信号S2进入红外热像仪2测量温度场，信号S3进入粒子成像测速仪16测量瞬时速度场。此热声发动机与实例4中所述的谐振管内声场所遵循的规律完全一样，同样可以采用实施例2中所述的热声学测试方法包括宏观声场测试部分和介观测试部分)获得各个声学参量，这里不再详述。此热声发动机与实例3中所述的谐振管内声场所遵循的规律完全一样，将本发明的热声核元件4置于此热声发动机中，同样可以采用实施例4中所述的热声过程的测试方法获得单点压力、温度场、速度场等各个声学参量，这里不再详述。
[0058] 至此，给出了本发明应用于可进行热声学介观测试的实际热声系统的实施方案。
[0059] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
