專利名稱：用于降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的組件的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于熱聲系統(tǒng)中的部件，特別是涉及一種降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的裝置中使用的彈性膜盒-質量塊組件。
背景技術：
熱聲系統(tǒng)的工作頻率不能過大，因為熱聲系統(tǒng)轉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(r-1)Afωρ0a02|p~|2gwk----(1)]]>-12ρ0ωAf|U~|2gwμ]]>該式中有關符號的物理意義可以參考文獻[1](肖家華.“熱聲效應及回熱式熱機(包括制冷機)的理論研究”，第24頁，北京中國科學院物理研究所，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)的轉換效率。
通常，一個聲學系統(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)的幾何結構，特別是系統(tǒng)的長度尺寸；(2)系統(tǒng)的邊界條件；(3)系統(tǒng)所用的工作介質特性，特別是工作介質的聲速。
現(xiàn)有熱聲系統(tǒng)的聲學結構主要有(1)駐波型半波長(或稱二分之一波長)聲學系統(tǒng)；(2)駐波型四分之一波長系統(tǒng)；(3)具有局部行波回路的四分之一波長系統(tǒng)。
這些聲學系統(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系統(tǒng)的邊界條件所決定。
表1給出了上述三種聲學系統(tǒng)在采用不同氣體介質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高于50赫茲?？梢?，如果要制作一個頻率低于50赫茲的聲學共振系統(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，在熱聲驅動的低溫熱聲制冷機中，一般多采用氦氣作為工作介質才能獲得低溫，但氦氣的聲速很高，達到1000米/秒左右?？梢?，這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 不同聲學系統(tǒng)的最低固有頻率與工作氣體、管路長度的關系 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)明內容本實用新型的目的為了解決上述已有技術所存在的制作一個頻率低于50赫茲的聲學共振系統(tǒng)，其尺寸比較龐大，既增加系統(tǒng)的占地空間又消耗大量材料，不利于實用化的問題；其次在于克服通常適用于熱聲系統(tǒng)的氣體工質種類分子量一般較小，難于有效地降低聲速的問題；從而提供一種用于降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的彈性膜盒-質量塊組件。
本實用新型提供的用于降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的組件，包括至少一多層的金屬膜盒；其特征是還包括一塊固體質量塊，該固體質量塊的端面與一多層的金屬膜盒相連接。
還包括在固體質量塊的兩端面分別固定一個多層的金屬膜盒。
所述的多層的金屬膜盒如金屬波紋膜盒。
使用時將所述的用于降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的組件安裝在熱聲系統(tǒng)的諧振管中的任意部位，固體質量塊的另一端與諧振管固定，多層的金屬膜盒的另一端熱聲系統(tǒng)的諧振管固定，該熱聲系統(tǒng)的諧振管的兩端封閉。
為了使質量塊在聲學系統(tǒng)中隨氣體運動，本實用新型提供的組件安裝在熱聲系統(tǒng)的諧振管中的任意部位上，組成一個質量-彈簧的振動系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)中的氣體質量就相當于這個振動系統(tǒng)的振動質量，而氣體的可壓性則構成了這個振動系統(tǒng)中的有效彈簧，當能夠控制這個振動系統(tǒng)的等效質量和等效彈簧，那么就有可能改變這個振動系統(tǒng)的固有振動頻率，按照質量-彈簧振動系統(tǒng)的一般原理，增大熱聲系統(tǒng)的有效振動質量就可以降低熱聲系統(tǒng)的固有頻率從而達到降低熱聲系統(tǒng)的固有共振頻率的目的。
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)的轉換效率。
(3)可以增加對工質選擇的自由度。例如，可以主要著眼于工質的熱聲轉換性能而不一定關注其聲速的情況。


圖1本實用新型的降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的裝置中用的金屬膜盒彈簧-質量塊組件結構圖。
圖2為帶有金屬膜盒彈簧-質量塊組件的二分之一波長熱聲系統(tǒng)的結構示意圖。
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 質量塊-5 金屬膜盒彈簧-6焊接處-7
具體實施方式
該組件有一塊金屬銅材料制作的固體質量塊5和一市售的多層的金屬波紋膜盒6，并且銅固體質量塊5的端面與市售的多層的金屬波紋膜盒6相焊接(圖中焊接處為7)，銅固體質量塊5的端面的另一端面在焊接一金屬波紋膜盒6，并把固體質量塊5的另一端和金屬波紋膜盒6的另一端安裝在諧振管中，該熱聲系統(tǒng)的諧振管的兩端封閉。在本實施例中熱聲系統(tǒng)是二分之一波長熱聲系統(tǒng)，它主要包括通常的熱致聲轉換單元、諧振管；本實施例如圖2所示。其中，熱致聲單元由高溫加熱器1、熱聲板疊2、室溫冷卻器3，并按圖2中所示的順序布置安裝而成。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，本實用新型的金屬膜盒質量-彈簧組件將它割為左右兩段，使熱致聲單元的組件1、2、3均布置在諧振管4左邊的管內。作為該實施例的進一步說明，本實施例給出一個具體結構尺寸和有關參數(shù)設計，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彈簧6，彈性系數(shù)為2400N/m(牛頓/米)，與彈簧焊接在一起的質量塊5的質量為0.2kg(千克)。工作氣體介質分別采用氦氣、氖氣、氬氣和氮氣，工作壓力為2.0MPa。
權利要求1.一種用于降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的組件，包括至少一多層金屬膜盒，其特征是還包括一塊固體質量塊；其中固體質量塊的端面與一多層金屬膜盒一端相連接。
2.按權利要求1所述的用于降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的組件；其特征是還包括在固體質量塊另一端面與一多層金屬膜盒一端相連接。
3.按權利要求1或2任一項所述的用于降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的組件；其特征是所述的金屬膜盒可以是金屬波紋膜盒。
專利摘要本實用新型涉及一種用于降低熱聲系統(tǒng)共振頻率的組件。它包括一塊固體質量塊和至少一金屬膜盒，其中固體質量塊的端面與一金屬膜盒一端相連接。該組件安裝在熱聲系統(tǒng)的諧振管中的任意部位，熱聲系統(tǒng)的諧振管的兩端封閉。本實用新型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。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)的轉換效率。可以增加對工質選擇的自由度。
文檔編號F25B23/00GK2526750SQ0220590
公開日2002年12月18日 申請日期2002年3月12日 優(yōu)先權日2002年3月12日
發(fā)明者羅二倉, 吳劍峰, 公茂瓊, 胡勤國, 劉浩 申請人:中國科學院理化技術研究所