专利名称：一种具有渐缩通道的板式热声核及其设计方法
技术领域：
本发明属于利用低品位热源产生声波的热声发动机技术领域，具体涉及一种能增 强工作气体与板叠之间的热声转换效率，提高热声发动机的功率和效率的具有渐缩通道的 板式热声核及其设计方法。
背景技术：
热声核包括热端换热器，热声堆和冷端换热器，它是热声发动机的主体，也是输出 声功的关键部位，因此热声核设计的好坏直接关系到热声发动机的整体性能。而在热声核 中，热声堆的设计最为重要，它是驻波热声发动机的核心，因此以往的研究者对此进行了大 量的实验和模拟研究。已经出现的热声堆形式包括平行板叠式、金属丝网、蜂窝陶瓷、泡沫 金属、螺旋型和针束型。研究表明在金属丝网、蜂窝陶瓷和泡沫金属的热声堆中，工作气体 流动阻力过大，而螺旋型和针束型热声堆结构复杂，要精确的制作是十分困难的。因此平 行板叠式的热声堆由于其具有规则通道，流动阻力小，效率高，制作方便等优点而被广泛使 用。对于平行板叠式热声堆而言，板叠的间隙宽度对热声发动机的性能有着十分关键 的影响。如果间隙太小，则热声核内气体流动阻力和粘性损耗增加，热声转换效率会降低； 如果间隙过大，则热声效应仅发生在靠近板叠表面区域的气体中，而远离板叠表面的气体 将无法与板叠进行热交换而产生热声效应，热声转换效率也会降低。研究表明，板叠间隙应 取2-4倍的热渗透深度另有研究显示当板叠间隙取2. 7-3. 0倍的热渗透深度时，热声热机 的性能最好。因此，板叠间隙与热渗透深度之比通常取3倍左右为最佳。但是气体工质的 热渗透深度会随着温度而发生明显的变化，温度越高，热渗透深度越大。这就使得在热声发 动机的热声核中，板叠热端温度较高，热渗透深度较大，而板叠冷端温度较低，热渗透深度 较小；因此对于平行板叠式的热声堆而言，在冷端，板叠间隙与热渗透深度之比通常过大； 而在热端，板叠间隙与热渗透深度之比又过小。这就导致了气体不可能在整个热声核内都 能与板叠进行有效的热交换而产生热声效应，因此采用平行板叠式热声堆时，热声转换效 率会因为热声核冷热端的热渗透深度不一致而受到影响。另外，热端换热器和冷端换热器设计的好坏也对热声发动机的热声换热效率有着 十分重要的影响。通常来说，热端换热器和冷端换热器的长度和间隙宽度的设计主要靠经 验。如果设计的换热器长度过大，则换热器末段的气体将无法在换热器与板叠之间来回运 动而进行热量传递，因此该段换热器对热声效应就没有贡献，同时还会增加热声核内气体 的粘性损失；如果换热器长度过短，则会导致板叠热端与冷端之间无法建立起理想的温度 梯度，而且将会有部分工作于板叠与换热器之间的气体，在运动过程中越过换热器，从而不 能很好的在板叠与换热器之间传递热量，从而影响热声发动机的性能。另外换热器内平翅 片的间隙宽度如果太大，则影响气体与换热器之间的换热效率；间隙太小，又会增加热声核 内工作气体的流动阻力。因此，冷热端换热器的设计也需要进一步的完善。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种能够增强工作气体与板 叠之间的热声效应，降低热声核内气体的流动阻力和粘性损失，提高热声发动机的输出功 率和工作效率的具有渐缩通道的板式热声核及其设计方法。为达到上述目的，本发明具有渐缩通道的板式热声核包括热端换热器、冷端换热 器以及连接热端换热器与冷端换热器的板叠外壳和平板式板叠，所述的板叠外壳的截面为 渐缩结构，且在板叠外壳内安装有倾斜的平板式板叠；所述的热端换热器的间隙大于冷端 换热器的间隙，倾斜的平板式板叠的热端与热端换热器具有相同的间隙，倾斜的平板式板 叠的冷端与冷端换热器具有相同的间隙，热端换热器、倾斜的平板式板叠以及冷端换热器 三者具有相同的通道数。本发明的设计方法如下1)首先，根据热声发动机的热端换热器的温度，计算出工作气体在热端的热渗透 深度
权利要求
1.一种具有渐缩通道的板式热声核，包括热端换热器(1)、冷端换热器(4)以及连接热 端换热器⑴与冷端换热器⑷的板叠外壳⑵和平板式板叠(3)，其特征在于所述的板 叠外壳O)的截面为渐缩结构，且在板叠外壳O)内安装有倾斜的平板式板叠(3)；所述的 热端换热器(1)的间隙大于冷端换热器的间隙，倾斜的平板式板叠(3)的热端与热端 换热器(1)具有相同的间隙，倾斜的平板式板叠(3)的冷端与冷端换热器(4)具有相同的 间隙，热端换热器(1)、倾斜的平板式板叠C3)以及冷端换热器(4)三者具有相同的通道数。
2.一种具有渐缩通道的板式热声核的设计方法，其特征在于1)首先，根据热声发动机的热端换热器(1)的温度，计算出工作气体在热端的热渗透深度
全文摘要
具有渐缩通道的板式热声核及其设计方法，包括具有较宽间隙的热端换热器，具有渐缩截面的板叠安装壳体，倾斜安装而具有渐缩通道的板叠，具有较窄间隙的冷端换热器。本发明根据热声发动机的热端加热器和冷端加热器的温度，分别计算出热端和冷端气体的热渗透深度，再根据板叠间隙与热渗透深度之间的最佳比分别计算出热端换热器和冷端换热器的最佳间隙。该热声核的板叠的热端具有与热端换热器同样的间隙，板叠的冷端具有与冷端换热器同样的间隙，从热端到冷端板叠之间形成渐缩通道。为热声发动机内的工作气体提供更合理的流动通道，增强工作气体与板叠之间的热声效应，降低热声核内气体的流动阻力和粘性损失，提高热声发动机的输出功率和工作效率。
文档编号F03G7/00GK102042185SQ201010600649
公开日2011年5月4日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者何雅玲, 柯汉兵 申请人:西安交通大学