專利名稱：熱聲系統(tǒng)的聲功率傳輸單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用轉(zhuǎn)換熱聲能量的方法的熱機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和制冷機(jī)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及任何類型的熱聲設(shè)備，包括波形信號(hào)發(fā)生器和熱聲制冷機(jī)，以及Stirling與Ericsson設(shè)備系列和脈沖氣體管系列。
背景技術(shù)：
任何熱機(jī)要求至少存在兩個(gè)不同溫度的熱源，所述熱源一個(gè)屬于機(jī)械功傳輸系統(tǒng)，另一個(gè)屬于進(jìn)行熱力循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)。在熱聲設(shè)備中，機(jī)械功以聲功的形式出現(xiàn)，其通常表示為每單位時(shí)間的聲功通量或聲功率，并對(duì)應(yīng)于由于聲體積流速引起的聲壓的時(shí)間均值。
熱力循環(huán)的概念及能量轉(zhuǎn)換的概念是操作任何熱機(jī)的基礎(chǔ)。在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中，大量的熱被轉(zhuǎn)化為聲功，而在制冷機(jī)中，消耗大量的功以從所謂的“低”溫介質(zhì)向高溫介質(zhì)傳送熱。熱機(jī)的功率直接與熱力循環(huán)的“開(kāi)度”，即，由該循環(huán)形成的區(qū)域關(guān)聯(lián)。在多數(shù)非聲設(shè)備中，例如，根據(jù)Rankine的熱力循環(huán)的家用制冷機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)的轉(zhuǎn)換介質(zhì)為流體。該流體被稱為“制冷劑”，并通過(guò)它在其中蒸發(fā)和冷凝的閉路循環(huán)。
在熱聲設(shè)備中，轉(zhuǎn)換介質(zhì)通常為氣體，最常見(jiàn)的為氦，熱力循環(huán)由聲波以對(duì)應(yīng)于振蕩流顆粒位移稍小的量實(shí)現(xiàn)。這是所有局部熱力循環(huán)的協(xié)作，確切地說(shuō)，通過(guò)聲波自然地同步的協(xié)作，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)(還稱為波形信號(hào)發(fā)生器)或熱聲制冷機(jī)在全局范圍進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。
在熱聲系統(tǒng)中，熱力循環(huán)僅發(fā)生在接觸區(qū)域，或聲熱邊界層，其位于受到聲波的壓縮-松弛相的流體與實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)的“開(kāi)度”必需的熱源的固體介質(zhì)之間。由于伴隨任意聲傳播的溫度振蕩，邊界層的這種流體-固體交互作用通過(guò)熱交換在流體和固體之間轉(zhuǎn)換。這種固體-流體交互作用考驗(yàn)流體的伸延性。
在熱聲系統(tǒng)中，根據(jù)聲場(chǎng)的類型，所完成的局部熱力循環(huán)可以類似于Brayton循環(huán)甚或Ericsson與Stirling循環(huán)。
當(dāng)聲波更類似于駐波時(shí)，即，聲壓和顆粒位移之間的相移接近180°，獲得第一運(yùn)行類型，即所謂的“Brayton”循環(huán)，而當(dāng)聲波是漸變的時(shí)，即，聲壓和顆粒位移之間的相移接近90°，獲得第二運(yùn)行類型，即所謂的“Ericsson或Stirling”類型。
局部熱力循環(huán)的實(shí)現(xiàn)要求在時(shí)間上不斷地進(jìn)行熱力轉(zhuǎn)換。那么，熱貢獻(xiàn)就是熱聲波生成器的流體在聲壓最大時(shí)執(zhí)行局部熱膨脹而在聲壓最小時(shí)執(zhí)行局部熱收縮。
熱膨脹會(huì)在流體接收熱的情況下發(fā)生，反之亦然。
熱力轉(zhuǎn)換的同步由聲波實(shí)現(xiàn)，它可以實(shí)現(xiàn)在流體的壓縮-松弛相和延伸-收縮相的偏移之間協(xié)調(diào)。
固體介質(zhì)表現(xiàn)為稠密或稀疏的陣列，其較均勻以使聲波得以很好地傳播，因?yàn)橥ǔ５某叽绫认鄳?yīng)的聲場(chǎng)的波長(zhǎng)小得多。
該固體介質(zhì)由一組平行放置的孔或通道組成，使得流體從陣列的一端流向另一端。這些通道可以為各種形狀，其不必相同。
流體在該作用的固體陣列中振蕩，所述陣列必須具有不同方面的特征δk/Rh以實(shí)現(xiàn)之前說(shuō)明的兩種運(yùn)行類型。
δk指定熱邊界層的厚度，并由δk=2kω]]>定義，其中k是該流體在平均溫度下的熱擴(kuò)散率，而ω是聲波的脈沖頻率。Rh指固體陣列在多孔介質(zhì)情況下的液壓半徑。
所以，在第一個(gè)所謂的“Brayton”運(yùn)行類型中，δk是Rh的冪，而固體陣列通常被稱為“疊層”。在第二個(gè)所謂的“Ericsson或Stirling”運(yùn)行類型中，δk比Rh大得多，而固體陣列則被稱為“交流換熱器”，參考Stirling交流換熱設(shè)備。
而在交流換熱器中，在固體元件和氣體之間建立了良好的熱接觸，相反，在疊層中這種接觸并不好。
在交流換熱器的情況下，聲壓和聲速之間的相移接近于0或出現(xiàn)了沒(méi)有相移的區(qū)域。相反，在疊層的情況下，該相移總是很高并接近90°。
交流換熱器和疊層一樣，都進(jìn)行恒溫散布，盡管流體由于其被置于兩個(gè)熱“源”之間而有振蕩偏移。因此，建立了顯示兩個(gè)外部熱源的中間溫度的熱源的空間散布。
疊層與交流換熱器的適當(dāng)運(yùn)行要求它們都置于兩個(gè)溫度恒定而不同的熱交換器之間，以便建立熱機(jī)。于是，使用“疊層單元”或“交流換熱器單元”的術(shù)語(yǔ)來(lái)指定置于兩個(gè)熱交換器之間的疊層或交流換熱器。
交流換熱器和疊層中的溫度散布在發(fā)動(dòng)機(jī)類型的運(yùn)行中通過(guò)向交流換熱器單元或疊層單元的中的一個(gè)熱交換器中供熱來(lái)實(shí)行。可以從電、核能或太陽(yáng)能、通過(guò)燃燒或利用任何處于適當(dāng)溫度的熱廢棄物來(lái)獲取熱量供應(yīng)。
在溫度散布中連續(xù)的局部的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)了熱能向聲能的轉(zhuǎn)化，以及高聲功率聲波的生成。
在制冷機(jī)類型運(yùn)行中，制冷機(jī)中的溫度散布由聲波生成。
可以在發(fā)動(dòng)機(jī)類型的運(yùn)行中使用疊層單元以生成熱聲機(jī)中的熱聲功率，并產(chǎn)生和聲機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)相同的效果，但是具有不包含任何機(jī)械作用部件的優(yōu)勢(shì)。同樣在發(fā)動(dòng)機(jī)類型的運(yùn)行中，可以使用交流換熱器單元來(lái)放大由發(fā)動(dòng)機(jī)或聲諧振器中的疊層生成的聲功率流。理想情況下，交流換熱器中的聲功率的放大比率等于熱交換器的溫度比，其中將熱量添加到所述熱交換器，其中獲取未轉(zhuǎn)化的熱量，溫度由絕對(duì)溫度表示。在交流換熱器中，聲功率流的放大方向沿對(duì)應(yīng)于正溫度梯度的方向。
在制冷機(jī)型的運(yùn)行中，會(huì)適度使用疊層單元和交流換熱器單元以使從介質(zhì)中獲取的熱量冷卻。該熱量會(huì)傳輸?shù)教幱诟邷囟鹊臒峤粨Q器以排出。會(huì)不定地選擇最高的溫度，它表現(xiàn)了與許多冷卻技術(shù)相關(guān)的優(yōu)勢(shì)，例如，冷凝-汽化冷卻。因此，不必接近293K，可以是諸如小于200K以用于低溫應(yīng)用或大于500K以用于高溫環(huán)境下的應(yīng)用。
選擇疊層單元或交流換熱器單元形式的冷卻單元直接影像該單元的性能系數(shù)，還稱為能量轉(zhuǎn)化系數(shù)，它的定義為獲得的熱量和消耗的聲功量的比率，和熱交換器在最低溫度和最高溫度之間的溫差。
因此，根據(jù)Brayton和Ericsson(或Stirling)循環(huán)的理論通過(guò)量，疊層單元通常不能獲取和交流換熱器單元同樣高的性能系數(shù)。此外，交流換熱器通常比疊層單元更適合高的溫差。
“交流換熱器單元”的增設(shè)形式，即“增設(shè)的交流換熱器單元”還指和添加管狀部分的交換器及第三熱交換器關(guān)聯(lián)的交流換熱器。管狀部分構(gòu)成了大量使得聲功率放大單元中的最熱的交換器或冷卻單元中的最冷的交換器熱隔離的緩沖氣體。置于一端的第三交換器幫助控制管狀部分中的溫度散布。在該特定實(shí)施例及用作冷卻單元的應(yīng)用中，冷卻單元被稱作“脈沖氣體管狀單元”。出于重力引起的自然對(duì)流作用有關(guān)的穩(wěn)定性原因，冷卻單元優(yōu)選垂直延伸，在第二和第三交換器中處于最高溫度的交換器會(huì)置于最高的高度。
熱聲機(jī)則由置于聲諧振器中的作用熱聲單元組成。除了其他作用以外，該諧振器還用作波導(dǎo)。它可以在其諧振頻率或非諧振頻率下使用。例如，在由擴(kuò)音器組成的聲能源的例子中，可以優(yōu)選不同于諧振頻率的運(yùn)行頻率。當(dāng)聲機(jī)包括聲波發(fā)生器的情況下，諧振器的幾何結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)格將裝置的運(yùn)行頻率f運(yùn)行控制在正常狀態(tài)。
在熱聲機(jī)中，將阻抗Z定義為聲壓P1和聲速u1的比率。這兩個(gè)參數(shù)的任何一個(gè)都可以局部地測(cè)量，于是，可以從任一點(diǎn)得出阻抗Z。每個(gè)參數(shù)的下標(biāo)1指定其為第一階無(wú)窮小的聲量級(jí)。
空間阻抗是比值|Z|/ρc，其中ρ是諧振器中包含的流體的體積質(zhì)量，而c是聲在該流體中的速度，|Z|是Z的模數(shù)。
已知熱聲單元僅在流體顆粒的位移幅度適度地小而聲壓的幅度很大的區(qū)域中正確地運(yùn)行。
這等于將熱聲單元放置于空間的高阻抗區(qū)域中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是能夠在熱力方面改善熱聲設(shè)備的全局性能。更具體地說(shuō)，本發(fā)明專注于實(shí)現(xiàn)將一個(gè)或多個(gè)脈沖氣體管狀部分與由疊層單元和交流換熱器單元組成的熱聲波生成器相連的熱聲設(shè)備。
在包括多于一個(gè)熱聲單元的熱聲設(shè)備中，兩個(gè)疊層單元、交流換熱器單元或脈沖氣體管狀單元之間的聲功率傳輸顯然應(yīng)該最大，以便保存設(shè)備的極大的能量效率。
因此，已知兩種可能的配置用于在聲諧振器中放置兩個(gè)熱聲單元。這些熱聲單元可以如此放置-連續(xù)并盡可能地接近，這必然導(dǎo)致兩個(gè)單元之間的整體聲功率傳輸。例如，第一配置為將這些單元在同一空間高阻抗區(qū)域中放置為級(jí)聯(lián)狀。
-或者在不同的空間高阻抗區(qū)域，這些區(qū)域的每一個(gè)都被空間的低阻抗區(qū)域隔離。例如，第二配置為根據(jù)聲波在兩個(gè)單元之間放置長(zhǎng)度接近λ/2的管，波長(zhǎng)λ為 ，其中f運(yùn)行為熱聲機(jī)的運(yùn)行頻率。但是，該第二配置不可避免地導(dǎo)致兩個(gè)單元之間更大的聲功率損耗。這些損耗基本上與空間低阻抗區(qū)域的聲渦旋的形成相關(guān)，上述區(qū)域基本是具有高聲速的區(qū)域。
因此，第一配置看起來(lái)較優(yōu)選。然而，考慮到熱聲單元的材料空間要求，在具有多于3個(gè)熱聲單元的同一空間高阻抗區(qū)域中可能不能完全滿足它們中每一個(gè)的最佳操作。那么，就有必要使用同一空間高阻抗區(qū)域的增設(shè)裝置(Swift等，US 6,658,862)。但是，該增設(shè)裝置不可避免地消耗較高的聲功率。
此外，該第一配置表現(xiàn)了少量的獨(dú)立設(shè)定參數(shù)，這導(dǎo)致，級(jí)聯(lián)的單個(gè)元件的錯(cuò)誤運(yùn)行可能對(duì)組件的運(yùn)行相當(dāng)有害。
顯然，同一空間高阻抗區(qū)域中的熱聲單元的必要協(xié)作及其調(diào)整會(huì)在熱聲單元的數(shù)目增加時(shí)變得越來(lái)越復(fù)雜。此外，在同一空間高阻抗區(qū)域中集聚熱聲單元的其他障礙是很難保證這樣的系統(tǒng)在多變的條件下運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性(例如，在晝夜溫差大的地區(qū))。
因此，本發(fā)明的目的就是提供設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且運(yùn)行模式簡(jiǎn)單的裝置，以實(shí)現(xiàn)每個(gè)疊層單元或交流換熱器單元之間，或脈沖氣體管狀部分中的大量聲功率傳輸，而通過(guò)粘性下沉機(jī)制或通過(guò)在不降低單個(gè)性能的情況下將數(shù)個(gè)連續(xù)的單元組合到減少的空間中來(lái)限制能耗。
因此，根據(jù)本發(fā)明，可以注意到可以將每個(gè)熱聲單元放置于空間高阻抗區(qū)域并可以將多個(gè)單元放置于不同的空間高阻抗區(qū)域中，這些區(qū)域的每一個(gè)都被空間低阻抗區(qū)域所隔離。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是可使聲參數(shù)的建立符合每個(gè)熱聲單元的優(yōu)化運(yùn)行，這本質(zhì)上獨(dú)立于相鄰的熱聲單元的運(yùn)行。由本發(fā)明提出的調(diào)整和控制方案在組合所述單元時(shí)特別有利。
因此，本發(fā)明可以有利地降低這種設(shè)備的大小以及其空間要求。
從這個(gè)觀點(diǎn)上，本發(fā)明涉及用于包括至少一段的熱聲系統(tǒng)的功率傳輸單元，其包括-至少兩個(gè)包括交流換熱器或疊層及兩個(gè)熱交換器的熱聲單元；-包括管且包含流體的聲諧振器，其中建立了表現(xiàn)空間高阻抗區(qū)域和空間低阻抗區(qū)域的聲場(chǎng)；-放置于空間高阻抗區(qū)域的若干熱聲單元。
根據(jù)本發(fā)明-每個(gè)空間高阻抗區(qū)域包括最多一個(gè)熱聲單元；-兩個(gè)連續(xù)的熱聲單元，其總是被空間的低阻抗區(qū)域隔開(kāi)；-諧振器包括在兩個(gè)連續(xù)熱聲單元的每個(gè)之間的直徑較小的部分，且每一個(gè)較細(xì)的部分都與至少一個(gè)包括腔的分支相連，所述分支可以轉(zhuǎn)移管的至少部分體積流速。
“較細(xì)的部分”指其直徑相對(duì)于空間高阻抗區(qū)域的最大管道直徑減少的區(qū)域。
在不同的實(shí)施例中，本發(fā)明還涉及以下應(yīng)該被單獨(dú)或在其所有技術(shù)可能組合中考慮的特征-每個(gè)較細(xì)的部分與兩個(gè)分支相連，分別置于較細(xì)部分的每一端；
-較細(xì)的部分為連續(xù)的“連續(xù)”意為與步驟所示出的“非連續(xù)”變化相反的漸進(jìn)的無(wú)跳躍的變化。；-較細(xì)的部分呈錐形；-較細(xì)的部分非連續(xù)；-較細(xì)的部分呈階狀；-每個(gè)分支都包括將腔連接到管子的管道；-每個(gè)分支還包括可在分支中控制流速的熱調(diào)節(jié)方法；-電阻系統(tǒng)與這些管道中的至少一個(gè)相連；-它包括至少一個(gè)可適應(yīng)熱聲單元的運(yùn)行條件的聲作用元件；-聲作用元件為置于分支的腔中的疊層單元；-聲作用元件為置于分支的腔中的擴(kuò)音器。


在不同的可能的實(shí)施例中，通過(guò)參考附圖更為詳細(xì)地說(shuō)明了本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的熱聲系統(tǒng)的功率傳輸單元的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的熱聲系統(tǒng)的功率傳輸和放大單元的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的熱聲系統(tǒng)的功率傳輸?shù)氖疽鈭D；圖4是根據(jù)第一實(shí)施例的導(dǎo)向分支的腔的管道的示意圖；圖5是根據(jù)第二實(shí)施例的導(dǎo)向分支的腔的管道的示意圖；圖6是根據(jù)第三實(shí)施例的導(dǎo)向分支的腔的管道的示意圖；圖7是根據(jù)第四實(shí)施例的具有溫度控制裝置的導(dǎo)向分支的腔的管道的示意圖；圖8是根據(jù)第五實(shí)施例的導(dǎo)向分支的腔的管道的示意圖，所述腔包括聲作用元件；
圖9是根據(jù)特定實(shí)施例的的呈現(xiàn)多個(gè)分支的諧振器的截面圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有溫度控制裝置的直徑較小的管狀部分的示意圖；圖11是圖2的傳輸單元中第一直徑較小的管狀部分的體積流速和聲壓的變化示意圖；圖12A是圖2的傳輸單元的第二直徑較小的管狀部分的體積流速和聲壓的變化示意圖，而圖12B是圖2的傳輸單元的第二直徑較小的管狀部分的體積流速相的幅度和聲壓的幅度的變化示意圖。
具體實(shí)施例方式
通常，熱聲系統(tǒng)的功率傳輸單元是包括任何幾何形狀、基本為均勻直徑D的主管的聲諧振器。這個(gè)諧振器和裝置的其他元件一起限定了系統(tǒng)的頻率和相應(yīng)的波長(zhǎng)。
主管包括根據(jù)本發(fā)明的由直徑d較小的管狀部分5連接的第一元件1和第二元件2。由直徑較小的所述管狀部分5連接的第一和第二元件1、2的端部每個(gè)包括分支的腔或分支6、7。每個(gè)分支6、7包括代表連接到管道10、11的閉合體的腔8、9，其作用于主管的聲特性，特別是聲體積流速(圖1)。
諧振器中設(shè)置有熱聲單元3、4，在空間高阻抗區(qū)域中，兩個(gè)連續(xù)的空間高阻抗區(qū)域被低阻抗區(qū)域分開(kāi)。
已知分支6、7可以修改聲參數(shù)，特別是直徑5較小的管狀部分的輸入(或輸出)處的體積流速。
因此，本發(fā)明可以在保持系統(tǒng)的減少空間要求的同時(shí)獲取熱聲單元3、4之間的聲功率的最佳傳輸。
如果流速的值非常高，很難滿足根據(jù)上述條件，則可以將數(shù)個(gè)分支6、7平行放置以分配初始流速(圖9)。
此外，直徑5較小的部分可以包括連續(xù)減少和增加的直徑。
可以在作用于本地溫度梯度時(shí)控制直徑較小的部分中的流速變化(圖10)。
已知交流換熱器單元比疊層單元具有更好的能量轉(zhuǎn)化量，因此，推薦盡可能多地使用交流換熱器單元來(lái)組成熱聲設(shè)備。但是，交流換熱器單元要求在“室內(nèi)”溫度的其一端(即，在向外散熱的一端)引入聲功率，其除了任何例如作為疊層單元的聲功率源以外，不能單獨(dú)用于熱聲設(shè)備的組合中。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的實(shí)施例包括級(jí)聯(lián)單元，以便形成設(shè)備并因此大大放大最初由小的疊層單元或機(jī)械聲源創(chuàng)建的小功率。因此，相比于交流換熱器，疊層的低效率在總效率中可以忽略，尤其是因?yàn)樵趩卧g的傳輸中減少的功率量較低。
圖2示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例中熱聲系統(tǒng)的這種功率傳輸和放大單元。諧振器包括可產(chǎn)生聲功率的疊層單元12，所述聲功率由級(jí)聯(lián)的交流換熱器13-14放大、并由“脈沖氣體管”單元15-16使用。這些熱聲單元12-16每個(gè)置于諧振器中的空間高阻抗區(qū)中，并通過(guò)空間低阻抗區(qū)域從相鄰的單元隔開(kāi)。諧振器因此包括一組4個(gè)直徑為Dj的主管元件17-20，其中j等于1到4，其通過(guò)直徑較小的段或管21-23彼此相連，所述管21-23可以具有不同的長(zhǎng)度。在每個(gè)主管的直徑Dj(其中j等于1到4)中，聲波的通過(guò)截面相同。實(shí)際上，諧振器的直徑可以更大，以便限制熱隔離(陶瓷纖維)，實(shí)際的通過(guò)直徑可以對(duì)應(yīng)于同軸管的內(nèi)部直徑，所述同軸管的厚度較小以限制熱傳導(dǎo)效果。
直徑較小的部分21-23可以在空間低阻抗區(qū)域最佳地傳輸聲功率，這時(shí)主管元件17-20的聲體積流速的至少一部分之前已經(jīng)“轉(zhuǎn)移”到設(shè)置為分支24-29的腔中。因此，可以了解被設(shè)置為分支24-29的腔鄰近每個(gè)截面改變區(qū)。
在包括直徑較小的管狀部分21和兩個(gè)分支24、25的管道元件30的第一實(shí)施例中，在聲的情況下所述元件表現(xiàn)了等于λ/2的長(zhǎng)度，其中λ優(yōu)選指聲波的波長(zhǎng)?！霸诼暤那闆r下長(zhǎng)度等于λ/2的管道元件”指在兩個(gè)空間高阻抗區(qū)域范圍之間結(jié)合優(yōu)選對(duì)于聲波為零阻抗的部分的諧振器元件。
諧振器包括第一元件17和第二元件18，其由直徑d較小的第一管狀部分21將其端部相連(圖2)。為了避免由空間低阻抗區(qū)域(其通常是具有高聲速的區(qū)域)中的聲渦旋導(dǎo)致聲功率損失，第一元件17和第二元件18的端部包括其中包含管道31、32的分支的腔24、25。因此，通過(guò)分出在分支的腔24、25中的主管17、18中的容積聲速的至少一部分，該裝置可以保留數(shù)值大大小于會(huì)出現(xiàn)聲渦旋現(xiàn)象的臨界數(shù)值的Reynolds Re臨界的Reynolds Re。這同時(shí)能夠降低線性能量減少，保持系統(tǒng)的層狀聲行為，以及優(yōu)選線性造型。
已知諧振管中的渦旋效應(yīng)可以帶來(lái)非常大的損耗，在聲情況下等于λ/2的長(zhǎng)度上達(dá)到總損耗的90％。
還已知Reynolds的聲數(shù)定義為Re=uldAv,]]>其中d為長(zhǎng)度較大的管的直徑，v是流體的運(yùn)動(dòng)粘度，A是管狀部分的表面積。Reynolds的臨界聲數(shù)Re臨界通常具有范圍在105到106之間的值[S.M.Hino等人；Journal of FluidMechanics 75(1976)193-207]。
直徑較小對(duì)聲渦旋的消散具有負(fù)面影響，除了在本發(fā)明的情況下體積流速U1在管的入口處降低。圖11示出了減小的管21中體積流速的典型變化及分支的腔24、25對(duì)管中流速的降低的影響。第一曲線33(實(shí)線)示出了體積流速的變化，第二曲線34(連線和點(diǎn))示出了圖2傳輸單元30的直徑較小的管狀部分21的聲壓的變化。顯然，管中流速的減少將適應(yīng)可以降低裝置的延伸長(zhǎng)度的直徑的降低。
圖2中示出管道元件35的第二可能實(shí)施例，其包括直徑較小的部分和兩個(gè)分支，通過(guò)直徑d2較小的第二管22將第二元件18的另一端連接到第三主管元件19。管道元件的長(zhǎng)度值在聲的情況下遠(yuǎn)小于λ/4，例如，它通常等于λ/4的15％。“管道元件的長(zhǎng)度值在聲的情況下遠(yuǎn)小于λ/4”是指在本發(fā)明的框架中，諧振器元件的范圍在兩個(gè)高阻抗區(qū)域之間，并結(jié)合低阻抗部分，但所述低阻抗部分對(duì)于優(yōu)選的聲波不是零阻抗。第二18和第三主管元件19的每一端都通過(guò)管道36、37連接到放置為分支38、39的相應(yīng)腔。這些腔38、39和管道36、37不同，因?yàn)樵试S單獨(dú)調(diào)整每個(gè)交流換熱單元13-16的運(yùn)行條件(即，振幅和壓力與聲速之間的相)，以便在這些單元的每一個(gè)的入口處重新創(chuàng)建最為理想的運(yùn)行條件。該直徑較小的管22使得可以在短管長(zhǎng)度上創(chuàng)建空間低阻抗區(qū)域，它可以使得功率傳輸單元緊湊。
第三主管元件19的另一端通過(guò)直徑d3較小的第三管狀部分23連接到第四管狀部分20的一端。直徑d3較小的第三管狀部分23和關(guān)聯(lián)的分支28、29在聲平面上形成長(zhǎng)度等于λ/2的管道元件。
完成主管的第四管狀元件20為熱聲系統(tǒng)的制冷部分。所述部分由平行放置的兩個(gè)孔-慣性脈沖氣體管組成[Bretagne等人；“Investigations ofacoustics and heat transfer characteristics of thermo-acoustic driven pulsetube refrigerators”，proceeding of CEC-ICMC’03-Anchorage]。平行放置可以通過(guò)將主管20在另一端分為兩個(gè)截面減小的次級(jí)管狀元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了能夠使熱聲單元組沿著重力相關(guān)的優(yōu)選的垂直方向延伸，將管彎曲180°。
在聲諧振器中，可以在使用非熱聲功率源時(shí)使用優(yōu)選的聲波，或?qū)?yīng)諧振器的優(yōu)選聲模式。在使用熱聲功率源時(shí)，主要是疊層單元或交流換熱器單元施加的對(duì)流體通過(guò)的高阻性通過(guò)在緊鄰交流換熱器單元處施加速度節(jié)點(diǎn)(速度為0的位置)決定了其聲運(yùn)行模式。由此，交流換熱器單元將施加高阻抗區(qū)域的存在。因此，第二13和第三交流換熱器單元14的存在與否調(diào)節(jié)諧振器的聲模式(圖2)。這兩個(gè)交流換熱器單元的存在通?？梢允箖?yōu)選的聲波的脈沖增加一倍。
已知交流換熱器單元的最佳聲運(yùn)行條件在交流換熱器單元的“室內(nèi)”溫度端對(duì)應(yīng)超前于聲壓的聲體積流速，并在另一端延遲。圖12A示出了聲功率傳輸中體積流速(第一曲線實(shí)線及點(diǎn)線40)和聲壓(第二曲線連線41)的變化，其中聲功率傳輸單元包括根據(jù)第二實(shí)施例的管道元件，即，具有在聲的情況下遠(yuǎn)小于λ/4的長(zhǎng)度值。
圖12B說(shuō)明了聲功率傳輸單元的端C和A2之間的壓力和體積流速的相和振幅的變化的不同且更為詳細(xì)的示例(菲涅爾圖)，并示出滿足了可以確保每個(gè)交流換熱器單元的最佳運(yùn)行的條件。
C和H之間的影響在聲的情況下是電容性的，體積流速根據(jù)第一曲線40變化，且整體保持聲壓。在第一分支42中取樣了大量流速以提前獲得在直徑較小的部分43的入口處的有關(guān)聲壓的聲體積流速。在直徑較小的部分43中，影響在聲的情況下是感應(yīng)的，聲壓根據(jù)第二曲線41變化，保持流速。聲流速超前于H1處的聲壓，這導(dǎo)致沿著管增加聲壓的振幅。第二分支44此時(shí)將重新存儲(chǔ)流速并可以在A2調(diào)整流速的相和振幅。
滿足了在第二交流換熱器的端部的優(yōu)選輸入條件，即，聲體積流速超前于在A2的聲壓，而在A2的聲壓的振幅大于在C的振幅，以便恢復(fù)充足的空間阻抗。此外，本發(fā)明可以有利地獨(dú)立于其振幅地調(diào)整第二交流換熱器的端部(A2)的體積流速的相。
在所有情況下，在兩個(gè)交流換熱器單元之間，將優(yōu)選根據(jù)第二實(shí)施例使用管道元件，即，管道元件的長(zhǎng)度值在聲的情況下遠(yuǎn)小于λ/4，這使得其可以滿意地使用。一種已識(shí)別的有害情況是，例如，級(jí)聯(lián)過(guò)多的交流換熱器單元。
本發(fā)明涉及將熱聲單元的位置和在熱聲單元之間交錯(cuò)的傳輸單元的位置與諧振器中聲場(chǎng)的特征量Z相關(guān)。
空間高阻抗區(qū)域指大于數(shù)量級(jí)1的區(qū)域，而空間低阻抗區(qū)域則相反。
已知應(yīng)該將疊層單元和交流換熱器單元安排在空間高阻抗區(qū)域中，所述用于疊層單元的高阻抗區(qū)域通常取接近5的值，而用于交流換熱器單元的所述高阻抗區(qū)域取接近30的值。
對(duì)應(yīng)于零空間阻抗的諧振器部分可以通過(guò)本地測(cè)量聲壓和判定阻抗無(wú)效的部分來(lái)識(shí)別?？臻g高阻抗區(qū)域?qū)?yīng)于聲壓振幅值的絕對(duì)值最大的諧振器的部分(圖11)。
兩個(gè)主管元件還可以不通過(guò)直徑d較小的單個(gè)管、而是通過(guò)多個(gè)直徑d0較小或不同直徑d1、d2...的管來(lái)連接，以產(chǎn)生和功率傳輸有關(guān)的同樣效果(圖3)。
在直徑較小的主管和管或部分之間的截面變化可以是不連續(xù)的，也可以是連續(xù)的。在第一種情況下，它可以是一個(gè)階狀，在第二種情況下，它可以是錐形。
圖3示出了兩個(gè)分別包括疊層單元3和交流換熱器單元4或兩個(gè)交流換熱器單元3、4的主管元件1、2、這些熱聲單元3、4被設(shè)置在相鄰的空間高阻抗區(qū)域中，它們由空間低阻抗區(qū)域隔開(kāi)。兩個(gè)主管元件1、2由相互平行的直徑d’較小的多個(gè)管5在其一端彼此連接，并在包括連接的腔8、9的分支6、7處連接到圓形截面的直線管道10、11。該實(shí)施例在要傳輸?shù)穆暪β氏喈?dāng)大、且必須同時(shí)降低每個(gè)管的速度以及每個(gè)管的直徑以避免任何多余的壁厚(其由與在最大運(yùn)行壓力下的裝置阻抗相關(guān)的規(guī)則施加)時(shí)非常有利。
為了控制并改變至少?gòu)闹鞴茉蚍种晦D(zhuǎn)移的體積流速的部分，導(dǎo)向腔的管道可以包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)電阻元件，其正向作用于在分支入口處的流速的相。這些元件在包括隔膜(圖4)、可壓縮多孔介質(zhì)(圖5)和抗性閥(圖6)或其他的組中選中。
有利地，管道通過(guò)加熱或冷卻實(shí)現(xiàn)溫度控制。為此，例如，管道可以設(shè)置在自動(dòng)調(diào)溫器控制的浴液中，其中可以通過(guò)加熱電阻來(lái)加熱所述浴液或使用附加的制冷組來(lái)冷卻所述浴液來(lái)調(diào)節(jié)溫度。電子溫度控制裝置調(diào)節(jié)固定點(diǎn)的溫度(圖7)。管道的溫度控制可有利地?zé)o妨礙地調(diào)節(jié)聲特征。
圖8示出了包括管道45和分支的腔46的分支。腔46包括聲作用元件47，例如，疊層單元或擴(kuò)音器，其主要允許作用調(diào)節(jié)分支入口處的聲特征，但是還消除由于耗散帶來(lái)的損耗，這主要出現(xiàn)在分支中。
已知將體與諸如細(xì)管的管道關(guān)聯(lián)，使得可以創(chuàng)建易調(diào)節(jié)的諧振腔，并容易在聲的情況下通過(guò) ω2相對(duì)于腔容積V和細(xì)管的截面A及長(zhǎng)度l以較好的近似符合要求，其中ω指聲波的脈沖，而T為絕對(duì)溫度表示的氣體的平均溫度。為了使所述量有代表性，細(xì)管的長(zhǎng)度應(yīng)該小于λ/2π，該管道的內(nèi)部直徑di應(yīng)該滿足di/δv＞＞1，其中δv為粘性的邊界層的厚度，δv=Pr×δk,]]>其中Pr為普朗特常數(shù)。
在直徑較小的部分的長(zhǎng)度相等的情況下，在聲的情況下，在λ/2時(shí)， ω2優(yōu)選大于5。相反，當(dāng)該長(zhǎng)度在聲的情況下遠(yuǎn)小于λ/4時(shí)，優(yōu)選 ω2接近2，而不是等于或接近1，以此避免在分支中損耗主管的全部聲功率。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有相同截面的多個(gè)分支的諧振器的截面圖。四個(gè)包括直線管道53-56和分支的腔57-60的分支49-52連接到主管元件48。為了避免主管的軸橫向振動(dòng)，優(yōu)選實(shí)施例為將分支49-52成對(duì)設(shè)置在彼此相對(duì)的方向。
熱聲設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域不同且集中于制冷應(yīng)用。其中，用作熱源的熱聲制冷機(jī)的優(yōu)選應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)或醫(yī)藥氣體的液化及工業(yè)制冷等。
權(quán)利要求
1.一種用于包括至少一個(gè)分段的熱聲系統(tǒng)的功率傳輸單元，包括至少兩個(gè)熱聲單元，其包括交流換熱器或疊層及兩個(gè)熱交換器；聲諧振器，包括管且包含流體，其中建立了表現(xiàn)空間高阻抗區(qū)域和空間低阻抗區(qū)域的聲場(chǎng)；若干熱聲單元(3、4、12-16)，其被置于空間高阻抗區(qū)域中；其特征在于每個(gè)所述空間高阻抗區(qū)域包括最多一個(gè)熱聲單元；兩個(gè)連續(xù)的所述熱聲單元(3、4、12-16)總是被空間低阻抗區(qū)域隔開(kāi)；所述諧振器在每個(gè)連續(xù)熱聲單元對(duì)之間包括直徑較小的部分(5、21-23)，且每個(gè)較細(xì)的部分(5、21-23)都與至少一個(gè)包括腔(8，9)的分支(6、7)相連，所述分支(6、7)使得可以轉(zhuǎn)移管的體積流速的至少部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的功率傳輸單元，其特征在于，每個(gè)較細(xì)的部分與兩個(gè)分支(6、7)相連，所述兩個(gè)分支(6、7)分別置于所述較細(xì)部分的每一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的功率傳輸單元，其特征在于，所述較細(xì)的部分是連續(xù)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的功率傳輸單元，其特征在于，所述較細(xì)的部分呈錐形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的功率傳輸單元，其特征在于，所述較細(xì)的部分是不連續(xù)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的功率傳輸單元，其特征在于，所述較細(xì)的部分呈階狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)的功率傳輸單元，其特征在于，每個(gè)分支(6、7)都包括將所述腔(8、9)連接到所述管的管道(10、11)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的功率傳輸單元，其特征在于，每個(gè)分支(6、7)還包括可在所述分支中控制流速的熱調(diào)節(jié)裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的功率傳輸單元，其特征在于，電阻系統(tǒng)與至少一個(gè)所述管道相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)的功率傳輸單元，其特征在于，其包括至少一個(gè)聲作用元件(47)，其可以使所述熱聲單元(3、4、12-16)的運(yùn)行條件適合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的功率傳輸單元，其特征在于，所述聲作用元件(47)為置于所述分支的腔中的疊層單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的功率傳輸單元，其特征在于，所述聲作用元件(47)為置于所述分支的腔中的擴(kuò)音器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于包括至少一個(gè)分段的熱聲系統(tǒng)的聲功率傳輸單元，包括至少兩個(gè)包括交流換熱器或疊層及兩個(gè)熱交換器的熱聲單元(3、4、12－16)；包括管且包含流體的聲諧振器，其中建立了表現(xiàn)空間高阻抗區(qū)域和空間低阻抗區(qū)域的聲場(chǎng)；其中若干熱聲單元(3、4、12－16)置于空間高阻抗區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)空間高阻抗區(qū)域還包括熱聲單元，其中兩個(gè)連續(xù)的熱聲單元(3、4、12－16)都被空間的低阻抗區(qū)域隔開(kāi)。諧振器包括在每個(gè)連續(xù)熱聲單元(3、4、12－16)對(duì)之間的直徑較小的部分(5、21－23)，且每個(gè)較細(xì)的部分(5、21－23)都與至少一個(gè)包括分支的腔(10、11)的分支(6、7)相連，所述分支(6、7)可以轉(zhuǎn)移最大部分的體積流速。
文檔編號(hào)F25B9/14GK1981127SQ200580022252
公開(kāi)日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月4日
發(fā)明者E·布列塔尼, M－X·弗朗索瓦 申請(qǐng)人:皮埃爾與瑪麗·居里大學(xué), 科學(xué)研究國(guó)家中心