多级热声压缩机

本发明涉及一种多级热声压缩机。

热声机械没有运动部件，不需要滑动密封，也不存在需要精密公差和润滑 油的机械部件。工作流体是氦气或氦与其他惰性气体的混合物，不消耗大气中 的臭氧，也不会引起温室效应。热声机械的可贵之处还在于可以采用低品位能 源热能(如太阳能、燃气、废蒸汽等)进行驱动，具有极大的灵活性，对那些 缺乏电能的场合则更具实际意义。然而，在热声机械中，由于加热器和回热器 (热声板叠)材料耐热性能的限制和壁面对环境的漏热，加热器的最高加热温 度及加热功率限制着单级热声机械的做功能力，成为增强热声压缩机性能的障 碍。

本发明的目的是提供一种可以降低对单板叠的放大要求，从而降低对每一 级加热温度的要求，为低品位热能的利用提供便利的多级热声压缩机。

为了达到上述目的，本发明采取下列措施：

一种多级热声压缩机具有第一谐振管，二端分别依次接有冷却器、丝网、加 热器、一级气库，在第一谐振管靠近冷却器一侧垂直依次设有扩压管、冷却器、 丝网、加热器、热缓冲器、副冷却器、第二谐振管，在第二谐振管靠近副冷却 器一端垂直依次设有声容、水冷却器、负载。

本发明提出的多级放大法避免了由于板叠对环境的漏热和材料耐热性能的 限制。导致在一定长度的单级板叠两端建立的温差是有限的，以致单板叠对声 功的放大能力受到限制。通过采用多级板叠逐级放大的方式，在要求一定输出 声功的条件下，可以降低对单板叠的放大要求，从而降低对每一级加热温度的 要求，为低品位热能的利用提供便利。

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1是单级热声压缩机结构示意图；

图2是二级热声压缩机结构示意图。

多级热声压缩机具有第一谐振管5，二端分别依次接有冷却器4、丝网3、 加热器2、一级气库1，在第一谐振管靠近冷却器一侧垂直依次设有扩压管7、 冷却器8、丝网9、加热器10、热缓冲器11、副冷却器12、第二谐振管13， 在第二谐振管靠近副冷却器一端垂直依次设有声容14、水冷却器15、负载6。

本发明采用多级热声压缩法替代单级机来驱动负载(脉管制冷机)，以在 单个板叠有限的温差和加热温度下，采用多个板叠使声波得到进一步的放大， 从而弥补了普遍存在于热声机械中压比小和振幅不够大的不足，满足负载(脉 管等)的工作要求。

放大的声功表达式为 ${\stackrel{.}{W}}_2=\frac{1}{4}\Pi {\delta }_k\mathrm{\Delta x}\frac{T_m{\beta }^2\omega }{{\rho }_m{C}_p}{\left(p_1^s\right)}^2(\Gamma -1),$ 式中Γ＝Tm/Tcrit为板叠 上的实际温度梯度与临界温度梯度的比值。Tm越大，Γ越大，输出功W2也越 大。但实际上，单个板叠上的Tm不可能很大，因为最高加热温度和加热功率 受到材质及其结构耐高温高压机械性能的限制，以免引发安全性和可靠性等问 题。在另一方面，冷却器的冷却介质一般都用室温下的冷却水，所以板叠冷端 的温度不可能低于室温。再加上板叠表面对环境的漏热将随着加热温度的升高 而增大，也决定了板叠两端温度差的极限。因此，单级热声压缩机的做功能力 和效率都是有限的。而二级以至多级热声压缩机可以通过多个板叠对声功的层 层放大，提高热声压缩机的输出功和热量的利用效率。

我们来考察丝网板叠对声功的放大倍数。热声机械中的气体振动一般振幅 都较小，而且板叠的尺寸远小于波长，可认为板叠中的平均压力pm一定，故有 ρmTm＝const，其中ρm，Tm分别表示板叠截面的平均密度和平均温度。由于板叠的 间隙很小，可以忽略声容的存在。根据质量守恒定律，有ρmU1＝const，其中U1 为体积流速，所以有 $\frac{T_h}{T_c}=\frac{U_{1,h}}{U_{1,c}}$ ，下标h，c分别表示板叠的热端和冷端。如果 $\frac{T_h}{T_c}=\tau >1$ ，即 $\frac{U_{1,h}}{U_{1,c}}>1$ 。由于板叠的尺寸比波长小得多，可以近似认为板叠两端 的平均压力pm一定，也就是p1，h＝p1，c，把它代入声功的定义式 $\stackrel{.}{W}=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left[p_1\overline{U_1}]=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\right[\overline{p_1}{U}_1]=\frac{1}{2}|p_1\left|\right|U_1|\cos {\phi }_{\mathrm{pU}}$ 中得 ${\stackrel{.}{W}}_h=\tau {\stackrel{.}{W}}_c$ 。对于单级热声压缩机有 ${\stackrel{.}{W}}_h={\tau }_1{\stackrel{.}{W}}_c$ ，二级机有 ${\stackrel{.}{W}}_c={\tau }_1{\tau }_2{\stackrel{.}{W}}_c$ ，τ1表示第一级丝网板叠上的温差比，τ2表示第 二级丝网板叠上的温差比，式中 ${\tau }_2=\frac{T_{h2}}{T_{c2}}>1$ ，故得理论声功放大倍数 $\eta =\frac{W_2}{W_1}=\frac{{\tau }_1{\tau }_2}{{\tau }_1}={\tau }_2$ 。因此，经过多级放大的声功显然要比从一级直接引出的声功 大。