[其他]气体谐振装置

说明书

在一个振荡气体柱内，一薄层气体首先沿某一方向位移，受压缩，向相反方向后移，并膨胀。在压缩时，气体被加热，在膨胀时，被冷却。当这种振荡气体柱和静态的固体介质进入接触时，在气体和介质之间出现了传热。如果该介质比气体具有大的实际热容量，并在气体振荡的前进方向上有低的传热率，它便贮存了由于气体绝热压缩而获得的热量，随后在气体膨胀后又将该贮存的热量还给气体。虽然对于常处在介质附近的几层气体这是正确的，然而在介质的两端有着不同的情况。在介质的下流端，若假定处在振荡的前进方向，则和介质二端保持热接触的那层气体在振荡时便沿离开介质的方向移动并压缩。该气体由于压缩而加热。随后，由于移向另一方向，并膨胀，它回到了近挨介质那端的位置上。在这里，由于膨胀时冷却，它再一次从介质那里接收热量。这便导致一段受热的气体从介质的下流端顺流而下。相反，在介质的上流端，不常和介质接触的气体粒子在振荡时沿一个方向向前移动，被压缩和加热，此时在它们前移的位置上和介质保持热接触，故将热量传给介质。当这层气体向相反方向向后移回到原始位置时，它膨胀和冷却。由于在其原始位置上，气体粒子不和介质保持热接触，便导致一层冷却的气体从介质的上流端逆流而上。

这种处于振荡气体柱中的介质通常被称作蓄热器，常和斯特林发动机一起应用。通常，这样一种蓄热器，须有尽可能大的表面积，和气体相比有高的实际热容量，并沿气体运动方向有低的传热率。任何压实金属丝的传统的填料已用作蓄热器，但也有可能采用压实的非金属板层，在减少气体摩擦损失和热传导方面这些是较为有效的。因此，蓄热器的应用便能由振荡气体流来建立温度差。反过来说，也已知道，如果在这种蓄热器的二端施加一足够大的温度差，那么在包围着这种蓄热器的气体中自然会诱发振荡。

也已知道，在处于谐振腔的气体柱中，只要对该腔的一端加热，如果建立起足够高的温差，便能产生振荡。作为这种气体的例子，在风琴管乐器内借助于管乐器底部内的氢火焰，可以产生谐振，早在1777年Higgins就已作了叙述，而在1949年，当时在室温下将一管子放入冷冻贮藏器内做试验，发表了Taconis谐振现象。

在Wheatley·Hofler，Swift和Migliori所写的题为“本征不可逆热声发动机”的文章里对这些效应进行了论证讨论，该文发表在美国物理杂志，53（2）卷，第147页，1985年2月。

按照本发明，一种热力驱动气体谐振装置包括一谐振管，其截面沿其长度从一端向另一端扩张;一热源，处于谐振管的一端;和一些装置，用以在谐振管气体中激发振荡。

该热源可由单个简接加热器组成，其中热源，诸如电加热元件、气体或石油燃烧器，被用来加热构成或处于气体谐振管一端的板。最好这一被加热的板装有散热片，以改善谐振管一端从被加热板至气体的传热。在谐振管内可设置一蓄热器，它接近于加热板，但不与其接触，并且和激发振荡的装置分离。该蓄热器由某种材料组成，这种材料具有大面积、较谐振管中的气体有大的有效热容量，沿谐振管的长度有低的导热率，在使用中该装置是这样的，热源沿蓄热器建立起温度梯度，这一温度梯度激发谐振管中的气体振荡。

然而，最最好的是热源和激发谐振管中气体谐振的装置均由具有相应于气体谐振管谐振频率的脉冲热源构成。这样一种脉冲热源可以包括一脉冲燃烧器或谐振火焰，经一阀供以可燃气体或蒸汽和空气的混合物，再加上火焰收集器，还包括一点燃器，它最初点燃谐振管一端中或中或通至谐振管的燃烧室中的混合物。最好，导入混合气的阀是由调准的止回阀构成，它响应脉冲燃烧，在其开、闭状态振荡，以引导一股混合气进入谐振管的一端或燃烧室，以备随后点燃。采用激发谐振管中气体振荡的脉冲热源在宽广的工况范围内为起动提供方便，并使谐振稳定运行。点燃器可由火花塞构成，以便脉冲热源达到最初的点燃，但一经点燃，脉冲热源最好能自持。这可以是混合气连续迸爆的结果，这些混合气被来自前期燃烧脉冲的衰减火焰所点燃，被压缩波引起的自发点燃而点燃，或者被具有产生局部热点点燃的灼热塞形成的点燃器所点燃。

该脉冲热源还可以包括处于谐振管一端的简接式加热器。简接式加热器可以由被脉冲热源加热的热交换面所组成，以便将燃烧热大体上均匀地传播在谐振管一端的横截面上。如果气体谐振装置包括一脉冲燃烧器，那么谐振管的一端最好作成一抛物反射器，它能把脉冲燃烧效应更为均匀地传播到谐振管的一端。在此情况下，将脉冲燃烧安排成大体上发生在抛物面反射器的焦点上。在气体谐振装置包括一脉冲热源的情况下，它还可以包括一蓄热器，它和跨在它二端的温度梯度相配合，以增强由脉冲热源诱发的振荡。