CN110118436B - 一种热声系统用内置式加热器及含该加热器的复合加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热声系统用内置式加热器及含该加热器的复合加热器，所述内置式加热器包括一个或多个子加热器，所述子加热器包括N个同心环形结构(1)、中心圆柱(3)和连接架(4)；所述N个同心环形结构(1)按直径大小由小到大同心布置形成一个同心多圈环路，中心圆柱(3)设置在同心多圈环路中心，所述连接架(4)将N个同心环形结构(1)和中心圆柱(3)连接固定在一起；所述同心多圈环路中的任两个同心环形结构之间形成流体流道(2)；流体流道(2)两侧中的一侧或两侧的同心环形结构表面上埋设电加热丝；当内置式加热器为多个子加热器时，多个子加热器之间通过凸台和凹槽配合连接。本发明长期可靠，组装拆卸方便。
Description
技术领域
本发明专利主要涉及一种热声系统用内置式陶瓷加热器，该加热器可以作为一种形式的热端换热器，用于各种热声系统管道内部运动和非运动流体的加热。
背景技术
热声效应是指当可压缩性流体工质(第一种介质)在热声系统中进行声震荡时与固体工质(第二种介质)之间进行热力相互作用而发生的时均能量转换效应。它是由处于声场中的固体工质与振荡流体工质之间的相互作用导致的距离固体壁面一定范围内产生沿着(或逆着)声传播方向的时均热流和时均功流。热声系统是基于热声效应的能实现热和声之间转换的系统。按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是热能向声功的转化，即热致声效应；二是用声波来产生制冷效应，即声致冷效应。基于上述两种热声效应，热声热机分为热声发动机和热声制冷机。
热声发动机是一种新型高效热机，它仅由换热器和管件构成，利用物理中的热声效应，实现热能到声能的转换，整机除了振荡的工作流体之外，没有任何机械运动部件。热声发动机按照声场特性可分为：驻波型、行波型、行驻波混合型。热声发动机的核心部件是：换热器、回热器和加热器。回热器上方的换热器一般被称为主冷端换热器。主冷端换热器作为系统的低温热源，与加热器处于回热器两端，加热器提供热量的同时，主冷端换热器用冷却水进行冷却，在回热器的轴向形成一个很大的温度梯度，这个温度梯度是热声发动机工作的驱动力，当回热器的轴向温度梯度达到临界值时热声发动机就会产生自激振荡，所以热声发动机的正常工作需要一定的温度梯度。由于主冷端换热器的冷端温度较为稳定，所以回热器的轴向温度梯度就主要取决于加热器提供的加热功率。由于热声发动机中的加热器部件处于一个高温环境中，同时有工作流体不断的来回冲击，位置空间也比较固定，所以加热功率以及可靠性是关键所在。
在目前的热声系统中，加热器大都采用电加热的方式，电加热方式是利用电流通过电阻之后产生的热量进行加热，这样对温度的调节和控制都比较方便，加热性能稳定。电加热方式可分为铠装外加热式和内加热式，铠装外加热式加热器即常说的电加热棒，是在一个金属管内沿轴向放入螺旋形电加热丝，空隙部分紧密地填满具有一定导热性和良好绝缘性的材料(如氧化镁)制成，市场上有很多成品销售，目前大多数进行热声发动机研究的实验室都采用这种加热方式。加热棒的优点体现在加热量易于控制、成本低，但是受结构的限制，很难获得较高的加热温度和大的功率密度；其次，加热管处于高温状态(500℃以上)，在电热管和换热器焊接处常发生脱焊问题。内加热方式是把电加热丝(或电加热带)缠绕在陶瓷等耐高温材料制作的绝缘架上，工作气体流体直接与灼热的加热丝表面接触进行加热。这种加热器的功率密度取决于加热丝的电阻率和承受高温的程度，同等加热密度情况下缩短了加热器的长度，减小了管道的绝对热膨胀长度，减少了声波在传播过程中由于粘性摩擦造成的不可逆损失。为增强加热器的紧凑性，一般采用具有高电阻率的镍铬合金电加热丝，这种加热丝的塑性好，容易绕制，表面抗氧化性好，在高温下具有较高的强度，可以在1150℃下反复使用。但内加热方式的缺点正是因为工作气体直接与灼热的加热丝表面接触进行加热，由于气体在热声系统内有频率地不断来回冲击加热丝，在高温下加热丝接近熔点时容易发生断裂，会影响加热器的性能和长期使用可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种热声系统用内置式加热器，不仅克服了之前内加热方式会产生的长期使用可靠性问题，也能够适应多种不同的热声系统及尺寸结构，使得加工和工艺方面的需求降低，组装拆卸更加方便，并不需要重新设计加工整体结构，节省了实验工作量。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种热声系统用内置式加热器，所述内置式加热器包括一个或多个子加热器，所述子加热器包括N个同心环形结构1、中心圆柱3和连接架4；所述N个同心环形结构1按直径大小由小到大同心布置形成一个同心多圈环路，中心圆柱3设置在同心多圈环路中心，所述连接架4将N个同心环形结构1和中心圆柱3连接固定在一起；
所述同心多圈环路中的任两个同心环形结构之间形成流体流道2；流体流道2两侧中的一侧或两侧的同心环形结构表面上埋设电加热丝；
当内置式加热器为多个子加热器时，多个子加热器之间通过凸台和凹槽配合连接。
在本发明中，多个子加热器之间通过凸台和凹槽配合连接的具体方式可以是：
相邻两个子加热器中，上面的子加热器的最外侧同心环形结构内径大于下面的子加热器的最外侧同心环形结构的外径，在上面的子加热器的最外侧同心环形结构的内侧设置凸台或凹槽，在下面的子加热器的最外侧同心环形结构的外侧面对之对应的设置凹槽或凸台。当两个子加热器配合连接时，凸台扣合于凹槽内。
还可以是，相邻两个子加热器中，上面的子加热器的各个同心环形结构的直径均大于与之对应的下面的子加热器的各个同心环形结构的直径，在相对应的同心环形结构中，小直径的同心环形结构的上表面设置凸台，大直径的同心环形结构的两个侧表面均设置凹槽，或大直径的同心环形结构的下表面设置凸台，小直径的同心环形结构的两个侧表面均设置凹槽。当两个子加热器配合连接时，凸台扣合于凹槽中，此种配合连接方式，子加热器的连接架可以省略，凸台和凹槽配合连接后即相当于连接架。
优选地，N个同心环形结构中的N为2-10。
优选地，所述中心圆柱3上开有用于测量温度的小孔，小孔中放置热电偶。
优选地，所述连接架4的形状为十字形、一字形或三芒星形。本领域技术人员还可以根据需要选择其他形状，其只要可以将N个同心环形结构1和中心圆柱3连接固定在一起即可。
优选地，所述连接架4与N个同心环形结构1和中心圆柱3之间采用过盈配合连接方式或焊接连接方式进行固定连接。
优选地，所述同心环形结构1、中心圆柱3和连接架4的制备材料为陶瓷材料，所述电加热丝为Ni-Cr合金电加热丝。
进一步优选地，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料或氮化硅陶瓷材料。
本发明还提供了一种热声系统用内置式复合加热器，所述复合加热器包括上述的热声系统用内置式加热器，还包括套接在上述的热声系统用内置式加热器上的保护壳；
该保护壳包括直径大于上述的热声系统用内置式加热器最外侧同心环形结构直径的壳环形结构以及壳连接架；壳环形结构以及壳连接架连接固定在一起。
在本发明中，当加热器采用陶瓷材料制备时，该陶瓷加热器由主体陶瓷结构和内嵌其中的电加热丝组成。主体陶瓷结构为环形，N个(N＝2,3,……10)直径不同的同心环形结构可以组成一个同心多圈环路，这种同心多圈环路可以通过焊接、加入连接架等不同形式连成一体，使得整体连接固定，结构不会产生变化，环路之间的内部空间为流体流道，加热丝缠绕于所有环路的外表面上，并用一层材料将其密封在外表面，这样加热丝不会与流体流道内的气体工质直接接触。
进一步地，加热器主体结构材料为氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，把陶瓷作为加热器的主体结构材料具有寿命长、保温性能好、机械性能强、耐腐蚀、抗磁性等优点。氧化铝陶瓷可以分为高纯型和普通型两种，高纯型氧化铝陶瓷中Al2O3含量在99.9％以上，普通型氧化铝陶瓷中按Al2O3含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷等品种。该氧化铝陶瓷材料，可以承受1400℃的高温，具有仅次于金刚石的硬度，耐磨性能极好、质量轻便等特点。
进一步地，电加热丝选用具有高电阻率的Ni-Cr合金电加热丝，这种加热丝的塑性较好，容易缠绕，同时在高温下具有较高的强度。这种Ni-Cr合金加热丝缠绕在所有主体环路陶瓷加热器的外圈表面上，将外圈表面完全用加热丝覆盖，这样能最大化的提高加热器的功率密度。
根据本发明的一个优选实施例，N个(N＝2,3,……10)个同心环形结构形成一个同心多圈环路，最外圈环路高度稍稍低于其余内环路，这样的结构是与热声系统的管路相配合，使得加热器能够在热声系统中位置固定，不会移动，系统的振荡不影响加热器。
根据本发明的一个优选实施例，加热器的中心圆柱有小孔，可以设置热电偶，测量加热器的温度。
根据本发明的一个优选实施例，N个(N＝2,3,……10)个同心环形结构通过十字连接架相连，将所有同心圆固定在一起，保证结构的稳定。十字连接架可以使用陶瓷、合金等材料，在高温下有足够的强度。
这样所有的同心环形结构形成一个整体，每个环形外圈表面都有加热丝，对热声系统提供热量。同时这些同心环形结构彼此之间的空隙即为气体流体流道。本发明专利的优点是这种陶瓷加热器有多个气体流体流道，换热面积大大增加，同时加热丝被密封在陶瓷材料表面内部，这样在热声系统振荡时，不停运动的空气并不会直接接触到加热丝，保证了加热丝不会随着气体振荡，更具有可靠性。同时，可以通过改变加热器多圈环路中的某个或几个环路尺寸，将此种加热器应用于不同的热声系统中，组装拆卸方便，并不需要重新设计加工整体结构，节省了实验工作量。
附图说明
图1是本发明实施例1的内置式陶瓷加热器的结构示意图；
图2是图1的A-A向剖视图；
图3是本发明实施例2的内置式陶瓷加热器的结构示意图；
图4是本发明实施例3的内置式陶瓷加热器的结构示意图；
图5是本发明实施例4的内置式陶瓷加热器的结构示意图；
图6是本发明实施例5的内置式陶瓷加热器的结构示意图；
附图标记：
1、同心环形结构；2、流体流道；3、中心圆柱；4、连接架。
具体实施方式
本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面将结合实施方式，对本发明中的热声系统用内置式陶瓷加热器进行详细说明。同时，也可以在不违背本发明的原理的前提下，对具体实施方式做出各种可能的修改和变更。
实施例1：
如图1-图2所示，热声系统用内置式陶瓷加热器由6个(N＝6)同心环形结构1、6条流体流道2、中心圆柱3、十字形状的连接架4组成。中心圆柱可以穿孔插入热电偶，实时测量加热器温度。6个直径不同的同心环形结构与中心圆柱同心放置，形成同心多圈环路结构，同心多圈环路之间有6条环形的流体流道。
十字形状的连接架4采用过盈配合连接所有同心环形结构的具体方式如下：十字形状的连接架高度为2mm，连接架中间圆的直径与加热器的中心圆柱相同，沿着水平和竖直两根轴四个方向有陶瓷板延伸至最外圆环的内径。
将中间的5个直径不同的同心环形结构1在圆心处沿着水平和竖直两根轴四个方向进行线切割，切除高度为0.5mm，宽度为3mm的矩形狭缝，再将中心圆柱3线切割掉0.5mm高度，然后将十字连接架与这些同心多圈环路进行过盈配合，这样保证连接体的稳定性。
通过多个直径不同的同心环形结构形成了多条流体流道2，其作用是为流体提供通路，同时能把热量高效均匀地传给流体由于加热丝缠绕在各个同心环形结构外表面上，并有一层较薄的陶瓷材料包裹，加热丝可以较好地把热量传递给流体，保证了加热效果。
实施例2：
如图3所示，热声系统用内置式陶瓷加热器由6个(N＝6)同心环形结构1、6条流体流道2、中心圆柱3、一字形状的连接架4组成。中心圆柱可以穿孔插入热电偶，实时测量加热器温度。6个直径不同的同心环形结构与中心圆柱同心放置，形成同心多圈环路，同心多圈环路之间有6条环形流体通道。
一字形状的连接架4采用焊接连接所有同心环形结构的具体方式如下：一字形状的连接架由若干个合金块组成，先将同心环形结构表面的陶瓷材料预金属化，再将一字形状的连接架中的合金块放置于环形结构中间的流体流道内，因为整体结构长期处在高温下工作，所以需要先在连接部位处镶上Si3N4块或SiC块，然后再用扩散焊将合金与陶瓷接在一起。这样形成了一字形的连接架结构，可以保证加热器整体结构的稳定。
实施例3：
如图4所示，热声系统用内置式陶瓷加热器由6个同心环形结构1、6条流体流道2、中心圆柱3、三芒星形状的连接架4组成。中心圆柱可以穿孔插入热电偶，实时测量加热器温度。6个直径不同的同心环形结构与中心圆柱同心放置，形成同心多圈环路，同心多圈环路之间有6条环形流体通道。
三芒星形状的连接架4采用过盈配合连接所有同心环形结构的具体方式如下：连接架高度为2mm，中间圆的直径与加热器的中心圆柱相同，水平方向及与水平方向成正负120度角的两边共三个方向有陶瓷板延伸至最外圆环的内径。
将中间的5个直径不同的同心环形结构1在圆心处沿着与连接架陶瓷板相同的三个方向进行线切割，切除高度为0.5mm，宽度为3mm的矩形狭缝，再将中心圆柱3线切割掉0.5mm高度，然后将三芒星形状的连接架与这些同心多圈环路进行过盈配合，这样保证连接体的稳定性。
实施例4：
如图5所示，一种热声系统用内置式复合加热器，所述复合加热器包括实施例1所述的热声系统用内置式加热器，还包括套接在上述的热声系统用内置式加热器上的保护壳；
该保护壳包括直径大于上述的热声系统用内置式加热器最外侧同心环形结构直径的壳环形结构以及壳连接架；壳环形结构以及壳连接架连接固定在一起。
本实施例是通过上下分离的两部分卡扣在一起实现的。下面描述一下这种实施方式。上半部分即保护壳的外形尺寸与整体的加热器模型尺寸相同，并且中间可以有不同形式的连接架，但其内部为空心结构，并没有陶瓷材料以及加热丝，上半部分结构只是一个陶瓷材料制作而成的加热器外壳。下半部分为实施例1所述的加热器，其最外侧同心环形结构的外径要小于壳环形结构的内径。上下两半部分扣在一起保证结构的稳定性。这样上半部分结构把下半部分完全包裹在里面，上面的外壳可以保护加热丝，确保了长期运行的可靠性。
这种实施方式并不需要将整体加热器结构一体化制成，而是将其分成两部分，可以简化加工工艺，降低加工难度。
实施例5：
如图6所示，热声系统用内置式陶瓷加热器，该加热器包括两个子加热器。
所述两个子加热器中，上面的子加热器的各个同心环形结构的直径均大于与之对应的下面的子加热器的各个同心环形结构的直径，在相对应的同心环形结构中，小直径的同心环形结构的上表面设置凸台，大直径的同心环形结构的两个侧表面均设置凹槽，或大直径的同心环形结构的下表面设置凸台，小直径的同心环形结构的两个侧表面均设置凹槽。当两个子加热器配合连接时，凸台扣合于凹槽中，此种配合连接方式，子加热器的连接架可以省略，凸台和凹槽配合连接后即相当于连接架。这样上下两个子加热器的凸台和凹槽配合连接，加热器的高度及适用范围更加广泛。
另外，本发明的一个优点就是适用于不同加热器尺寸要求的热声系统中，在上述的所有实施例中，如果对整体的尺寸有不同的要求，可以对外圈同心环形结构的尺寸进行修改或者再添加同心环形结构，其余并不需要改变，这样可以减少很多的加工工作。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种热声系统用内置式加热器，其特征在于，所述内置式加热器包括一个或多个子加热器，所述子加热器包括N个同心环形结构(1)、中心圆柱(3)和连接架(4)；所述N个同心环形结构(1)按直径大小由小到大同心布置形成一个同心多圈环路，中心圆柱(3)设置在同心多圈环路中心，所述连接架(4)将N个同心环形结构(1)和中心圆柱(3)连接固定在一起；
所述同心多圈环路中的任两个同心环形结构之间形成流体流道(2)；流体流道(2)两侧中的一侧或两侧的同心环形结构表面上埋设电加热丝；
当内置式加热器为多个子加热器时，多个子加热器之间通过凸台和凹槽配合连接，多个子加热器之间通过凸台和凹槽配合连接的具体方式是：
相邻两个子加热器中，上面的子加热器的最外侧同心环形结构内径大于下面的子加热器的最外侧同心环形结构的外径，在上面的子加热器的最外侧同心环形结构的内侧设置凸台或凹槽，在下面的子加热器的最外侧同心环形结构的外侧面对之对应的设置凹槽或凸台，当两个子加热器配合连接时，凸台扣合于凹槽内；
或，相邻两个子加热器中，上面的子加热器的各个同心环形结构的直径均大于与之对应的下面的子加热器的各个同心环形结构的直径，在相对应的同心环形结构中，小直径的同心环形结构的上表面设置凸台，大直径的同心环形结构的两个侧表面均设置凹槽，或大直径的同心环形结构的下表面设置凸台，小直径的同心环形结构的两个侧表面均设置凹槽，当两个子加热器配合连接时，凸台扣合于凹槽中，此种配合连接方式，凸台和凹槽配合连接后即相当于连接架。
2.根据权利要求1所述的热声系统用内置式加热器，其特征在于，N个同心环形结构中的N为2-10。
3.根据权利要求1所述的热声系统用内置式加热器，其特征在于，所述中心圆柱(3)上开有用于测量温度的小孔。
4.根据权利要求1所述的热声系统用内置式加热器，其特征在于，所述连接架(4)的形状为十字形、一字形或三芒星形。
5.根据权利要求1所述的热声系统用内置式加热器，其特征在于，所述连接架(4)与N个同心环形结构(1)和中心圆柱(3)之间采用过盈配合连接方式或焊接连接方式进行固定连接。
6.根据权利要求1所述的热声系统用内置式加热器，其特征在于，所述同心环形结构(1)、中心圆柱(3)和连接架(4)的制备材料为陶瓷材料，所述电加热丝为Ni-Cr合金电加热丝。
7.根据权利要求6所述的热声系统用内置式加热器，其特征在于，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料或氮化硅陶瓷材料。
8.一种热声系统用内置式复合加热器，其特征在于，所述复合加热器包括权利要求1-7任一项所述的热声系统用内置式加热器，还包括套接在权利要求1-7任一项所述的热声系统用内置式加热器上的保护壳；
该保护壳包括直径大于权利要求1-7任一项所述的热声系统用内置式加热器最外侧同心环形结构直径的壳环形结构以及壳连接架；壳环形结构以及壳连接架连接固定在一起。
9.根据权利要求8所述的热声系统用内置式复合加热器，其特征在于，所述壳连接架(4)的形状为十字形、一字形或三芒星形。
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