CN118168182A - 压力波发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力波发生设备技术领域，提供一种压力波发生装置，包括：谐振管、热声板叠、加热器及冷却器；谐振管内填充有液体工质，谐振管上设有加压口与压力波输出面，加压口用于与加压设备连接；热声板叠设于谐振管内；加热器设于热声板叠的一端，冷却器设于热声板叠的另一端；本发明通过在谐振管内填充等温压缩率较小的液体工质，增大了输出的压力振幅，且无需使用运动部件，结构简单，使用寿命长。

Description

压力波发生装置

技术领域

本发明涉及压力波发生设备技术领域，尤其涉及一种压力波发生装置。

背景技术

压力波发生器在多个领域均有应用，例如，在斯特林制冷机、脉管制冷机和热声制冷机等电驱动回热式制冷机中，都需要压力波发生器来驱动。

现有的压力波发生器的工作原理为利用气缸内活塞的往复运动来产生一定频率的压力波，由于这种压力波发生器具有运动部件，因此，结构较复杂，可靠性较低，且压力振幅较小，难以满足较高压力振幅的设备的驱动需求。

发明内容

本发明提供一种压力波发生装置，用以解决或改善现有压力波发生器存在结构复杂以及产生的压力振幅较小的问题。

本发明提供一种压力波发生装置，包括：谐振管、热声板叠、加热器及冷却器；所述谐振管内填充有液体工质，所述谐振管上设有加压口与压力波输出面，所述加压口用于与加压设备连接；所述热声板叠设于所述谐振管内；所述加热器设于所述热声板叠的一端；所述冷却器设于所述热声板叠的另一端。

根据本发明提供的一种压力波发生装置，所述液体工质包括液态钠、汞及丙烯当中的任一种。

根据本发明提供的一种压力波发生装置，所述谐振管包括驻波谐振管；所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器沿所述驻波谐振管的轴线方向依次设置，所述驻波谐振管沿所述驻波谐振管的轴线方向具有相背离的第一端口与第二端口，所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器靠近所述第一端口或所述第二端口设置；在所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器靠近所述第一端口设置的情况下，所述加热器与所述第一端口之间的距离小于所述冷却器与所述第一端口之间的距离；在所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器靠近所述第二端口设置的情况下，所述加热器与所述第二端口之间的距离小于所述冷却器与所述第二端口之间的距离。

根据本发明提供的一种压力波发生装置，所述加压口与所述压力波输出面沿所述驻波谐振管的轴线方向设于所述驻波谐振管的同一端，或者，所述加压口与所述压力波输出面沿所述驻波谐振管的轴线方向分设于所述驻波谐振管的两端。

根据本发明提供的一种压力波发生装置，所述谐振管包括行波谐振管；所述行波谐振管呈环状，所述行波谐振管的周长等于一个声波波长，所述行波谐振管上设有调相管段。

根据本发明提供的一种压力波发生装置，所述调相管段包括容性管，所述容性管的横截面积大于所述行波谐振管的横截面积，所述容性管与所述热声板叠沿所述行波谐振管的轴线方向的距离等于所述一个声波波长的四分之一。

根据本发明提供的一种压力波发生装置，所述调相管段包括阻性管，所述阻性管的横截面积小于所述行波谐振管的横截面积，所述阻性管与所述热声板叠沿所述行波谐振管的轴线方向的距离等于所述一个声波波长的二分之一。

根据本发明提供的一种压力波发生装置，所述谐振管包括行驻波谐振管；所述行驻波谐振管包括第一管段与第二管段，所述第一管段呈环状，所述第二管段呈直线状，所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器设于所述第一管段内。

根据本发明提供的一种压力波发生装置，所述热声板叠上设有多个流道，多个所述流道相互平行，所述流道所述沿谐振管的轴线方向延伸。

根据本发明提供的一种压力波发生装置，所述热声板叠包括多孔泡沫或堆叠丝网。

本发明提供的压力波发生装置，以液体作为工质，通过利用热声效应，从而在压力波输出面处实现压力波的输出；在需要生成压力波时，由加压设备通过加压口向谐振管内加压，从而给液体工质加压，开启加热器与冷却器，从而在热声板叠内的液体工质形成温度梯度，待温度梯度超过起振临界值时，液体工质就会产生振荡，形成的压力波由压力波输出面输出；液体工质相较于气体工质而言，液体工质的等温压缩率远低于气体工质的等温压缩率，则在一定声功输出下能够获得比气体工质大得多的压力振幅，相应地速度振幅也比气体工质小得多，数十瓦的声功流率即可伴随几个兆帕的压力振幅，而现有的通过运动部件产生的压力波一般在1兆帕以下，由此，本发明的压力波发生装置提升了压力波的压力振幅，且无需设置运动部件，结构简单，免维护性好，使用寿命长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的压力波发生装置的结构示意图之一；

图2是本发明提供的压力波发生装置的结构示意图之二；

图3是本发明提供的压力波发生装置的结构示意图之三；

图4是本发明提供的压力波发生装置的结构示意图之四；

图5是本发明提供的压力波发生装置的结构示意图之五。

附图标记：

1：谐振管；11：驻波谐振管；12：行波谐振管；13：行驻波谐振管；131：第一管段；132：第二管段；2：热声板叠；3：加热器；4：冷却器；5：加压口；6：压力波输出面；71：容性管；72：阻性管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合图1描述本发明提供的一种压力波发生装置。

如图1所示，本实施例所示的压力波发生装置，包括：谐振管1、热声板叠2、加热器3及冷却器4。

谐振管1内填充有液体工质，谐振管1上设有加压口5与压力波输出面6，加压口5用于与加压设备连接；热声板叠2设于谐振管1内；加热器3设于热声板叠2的一端，冷却器3设于热声板叠2的另一端。

具体地，本实施例所示的压力波发生装置，以液体作为工质，通过利用热声效应，从而在压力波输出面6处实现压力波的输出；在需要生成压力波时，由加压设备通过加压口5向谐振管1内加压，从而给液体工质加压，开启加热器3与冷却器4，从而在热声板叠2内的液体工质形成温度梯度，待温度梯度超过起振临界值时，液体工质就会产生振荡，形成的压力波由压力波输出面6输出；液体工质相较于气体工质而言，液体工质的等温压缩率远低于气体工质的等温压缩率，则在一定声功输出下能够获得比气体工质大得多的压力振幅，相应地速度振幅也比气体工质小得多，数十瓦的声功流率即可伴随几个兆帕的压力振幅，而现有的通过运动部件产生的压力波一般在1兆帕以下，由此，本实施例所示的压力波发生装置提升了压力波的压力振幅，且无需设置运动部件，结构简单，免维护性好，使用寿命长。

需要说明的是，加压设备既可以通过气体加压也可以通过液体加压，在通过气体加压的情况下，可向谐振管1内输入氮气、氦气或氩气等不与液体工质发生反应的气体；在通过液体加压的情况下，可向谐振管1内输入与液体工质同种物质的液体实现加压，或者，采用不与液体工质已发生反应的液体实现加压，此时，该液体与液体工质可以通过不易腐蚀的弹性膜进行隔绝。

下面结合声功的计算公式对上述在一定声功输出下能够获得比气体工质大得多的压力振幅，相应地速度振幅也比气体工质小得多的原理进行说明。

声功的计算公式如下：

其中，|P₁|为压力波动的振幅，|U₁|为体积流率波动的振幅，体积流率波动的振幅等于速度振幅与截面积的乘积，θ为压力波动与体积流率波动的相位差，可以通过结构设计或者调相装置使θ在热声板叠中基本维持不变，通过声功的计算公式可以看出，在声功一定的情况下，压力波动的振幅增大，体积流率波动的振幅减小，结构不发生变化的条件下，速度振幅也减小。

本实施例所示的液体工质包括液态钠、汞或丙烯当中的任一种，液体工质在工作状态应具备一定的可压缩性，需满足T·β>0.1，T为温度，β为热膨胀系数；由于液体的可压缩性很低，因此只需要注入微量的气体或液体即可使得谐振管1内的压力迅速升高到所需的平均压力；热声板叠2上设有多个流道，多个流道相互平行，流道沿谐振管的轴线方向延伸，流道用于供液体工质流动；或者，热声板叠2为多孔泡沫或堆叠丝网。

进一步地，在实际使用过程中，所需的平均压力应略大于所需的压力振幅的两倍，若平均压力低于所需的压力振幅的两倍，就会导致液体工质在振荡周期中产生负压，使得局部的液体出现蒸发，进而产生气穴现象，导致压力波发生装置的性能恶化；例如，如果需要通过该压力波发生装置产生4兆帕的压力振幅，那么平均压力可设置为8.5兆帕，

在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示的谐振管1包括驻波谐振管11，驻波谐振管11的结构形式呈直管状；加热器3、热声板叠2及冷却器4沿驻波谐振管11的轴线方向依次设置，驻波谐振管11沿驻波谐振管11的轴线方向具有相背离的第一端口与第二端口，加热器3、热声板叠2及冷却器4靠近第一端口或第二端口设置，可以理解的是，需避免将加热器3、热声板叠2及冷却器4这三者设置在驻波谐振管11的中部，以保证压力波的高效输出；无论加热器3、热声板叠2及冷却器4这三者靠近第一端口设置还是靠近第二端口设置，加热器3相对于冷却器4设置在更靠近端口的位置，即在加热器3、热声板叠2及冷却器4靠近第一端口设置的情况下，加热器3与第一端口之间的距离小于冷却器4与第一端口之间的距离，在加热器3、热声板叠2及冷却器4靠近第二端口设置的情况下，加热器3与第二端口之间的距离小于冷却器4与第二端口之间的距离。

加压口5与压力波输出面6在驻波谐振管11上的位置可根据实际的需求灵活设置。

在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示的加压口5与压力波输出面6沿驻波谐振管11的轴线方向设于驻波谐振管11的同一端，或者，加压口5与压力波输出面6沿驻波谐振管11的轴线分设于驻波谐振管11的两端，此时，从驻波谐振管11的一端为液体工质加压，从驻波谐振管11的另一端实现压力波的输出。

进一步地，如图1所示，在加压口5与压力波输出面6分设于驻波谐振管11的两端的情况下，加热器3位于靠近加压口5的一侧，冷却器4位于靠近压力波输出面6的一侧，以使得靠近压力波输出面6处的温度相对较低。

在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示的压力波输出面6沿驻波谐振管11的轴向方向设于驻波谐振管11的端部，则产生的压力波沿驻波谐振管11的轴向方向输出。

在一些实施例中，压力波输出面6设于驻波谐振管1的管壁上，则产生的压力波沿驻波谐振管11的径向方向输出。

在一些实施例中，如图2至图4所示，本实施例所示的谐振管1包括行波谐振管12，行波谐振管12的结构形式呈环状；行波谐振管12的周长等于一个声波波长，行波谐振管12上设有调相管段。

具体地，调相管段用于保证热声板叠2中气体的相位，进而保证热声转换的效率。

其中，调相管段包括容性管或阻性管，即容性管与阻性管取其中任意一者对气体的相位进行调节即可。

在一些实施例中，如图2和图3所示，本实施例所示的调相管段包括容性管71，容性管71的横截面积大于行波谐振管12的横截面积，容性管71与热声板叠2沿行波谐振管12的轴线方向的距离等于一个声波波长的四分之一，即容性管71与热声板叠2之间的距离等于行波谐振管12的周长的四分之一，容性管71既可以位于如图2中靠右的位置，也可以位于如图3中靠左的位置。

在一些实施例中，如图4所示，本实施例所示的调相管段包括阻性管72，阻性管72的横截面积小于行波谐振管12的横截面积，阻性管72与热声板叠2沿行波谐振管12的轴线方向的距离等于一个声波波长的二分之一，即阻性管72与热声板叠2之间的距离等于行波谐振管12的周长的二分之一，阻性管72与热声板叠2呈相对设置。

在一些实施例中，如图5所示，本实施例所示的谐振管1包括行驻波谐振管13，行驻波谐振管13包括第一管段131与第二管段132，第一管段131呈环状，第二管段132呈直线状，即行驻波谐振管13相当于由行波谐振管12与驻波谐振管11组成，加热器3、热声板叠2及冷却器4设于第一管段131内。

其中，加压口5可以设置在第一管段131上，压力波输出面6可以设置在第二管段132上。

在一些实施例中，本实施例所示的冷却器4采用水冷、风冷或辐射制冷等方式实现冷却。

加热器3的加热部分与冷却器4的冷却部分可以设置在谐振管1内，则加热部分与冷却部分会与液体工质接触，因此，加热部分与冷却部分应采用耐液体工质腐蚀的材料构建，同理，谐振管1与热声板叠2也应采用耐液体工质腐蚀的材料构建。

在一个实施例中，谐振管1内采用的液体工质为液态钠，冷却器4的冷却温度为110℃，即热声板叠2的冷端温度为110℃，冷端温度大于钠的熔点温度98℃，加热器3的加热温度为480℃，即热声板叠2的热端温度为480℃，从而在热声板叠2内的液体工质建立起超过起振临界值的温度梯度，由此液体工质会发生振荡，相较于传统的气体热声发动机而言，通过采用具有一定可压缩性的液体工质，液体工质的等温压缩率远低于气体，因而可以得到比传统的气体热声发动机大得多的压力振幅，申请人在研发过程中通过试验与计算，在加热功率为1000W时，通过该压力波发生装置产生的声功率可达数十瓦，压力波输出面6处的压力振幅可达6兆帕以上，可以满足较高压力振幅的设备的驱动需求。

进一步地，申请人通过理论分析发现，压力波的频率取决于液体工质的特性与谐振管1的长度，理论上，输出的压力波频率范围为几个赫兹到上千赫兹之间。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种压力波发生装置，其特征在于，包括：

谐振管，所述谐振管内填充有液体工质，所述谐振管上设有加压口与压力波输出面，所述加压口用于与加压设备连接；

热声板叠，所述热声板叠设于所述谐振管内；

加热器，所述加热器设于所述热声板叠的一端；

冷却器，所述冷却器设于所述热声板叠的另一端。

2.根据权利要求1所述的压力波发生装置，其特征在于，

所述液体工质包括液态钠、汞及丙烯当中的任一种。

3.根据权利要求1所述的压力波发生装置，其特征在于，

所述谐振管包括驻波谐振管；

所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器沿所述驻波谐振管的轴线方向依次设置，所述驻波谐振管沿所述驻波谐振管的轴线方向具有相背离的第一端口与第二端口，所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器靠近所述第一端口或所述第二端口设置；

在所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器靠近所述第一端口设置的情况下，所述加热器与所述第一端口之间的距离小于所述冷却器与所述第一端口之间的距离；

在所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器靠近所述第二端口设置的情况下，所述加热器与所述第二端口之间的距离小于所述冷却器与所述第二端口之间的距离。

4.根据权利要求3所述的压力波发生装置，其特征在于，

所述加压口与所述压力波输出面沿所述驻波谐振管的轴线方向设于所述驻波谐振管的同一端，或者，所述加压口与所述压力波输出面沿所述驻波谐振管的轴线方向分设于所述驻波谐振管的两端。

5.根据权利要求1所述的压力波发生装置，其特征在于，

所述谐振管包括行波谐振管；

所述行波谐振管呈环状，所述行波谐振管的周长等于一个声波波长，所述行波谐振管上设有调相管段。

6.根据权利要求5所述的压力波发生装置，其特征在于，

所述调相管段包括容性管，所述容性管的横截面积大于所述行波谐振管的横截面积，所述容性管与所述热声板叠沿所述行波谐振管的轴线方向的距离等于所述一个声波波长的四分之一。

7.根据权利要求5所述的压力波发生装置，其特征在于，

所述调相管段包括阻性管，所述阻性管的横截面积小于所述行波谐振管的横截面积，所述阻性管与所述热声板叠沿所述行波谐振管的轴线方向的距离等于所述一个声波波长的二分之一。

8.根据权利要求1所述的压力波发生装置，其特征在于，

所述谐振管包括行驻波谐振管；

所述行驻波谐振管包括第一管段与第二管段，所述第一管段呈环状，所述第二管段呈直线状，所述加热器、所述热声板叠及所述冷却器设于所述第一管段内。

9.根据权利要求1所述的压力波发生装置，其特征在于，

所述热声板叠上设有多个流道，多个所述流道相互平行，所述流道所述沿谐振管的轴线方向延伸。

10.根据权利要求1所述的压力波发生装置，其特征在于，

所述热声板叠包括多孔泡沫或堆叠丝网。