Термоакустический излучатель Российский патент 2020 года по МПК G10K11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к устройствам для возбуждения акустических колебаний в газах и жидкостях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен термоакустический излучатель, раскрытый в US 8553912 В2, опубл. 08.10.2013. Термоакустический излучатель содержит генератор звуковой волны (тепловыделяющая структура) в виде пленки структур углеродных нанотрубок, на поверхности которой размещены электроды. Генератор звуковой волны размещен на металлической подложке, при этом между генератором звуковой волны и металлической подложкой размещен слой из оксида алюминия.

Недостатком указанного выше термоакустического излучателя является невысокая акустическая мощность излучателя из-за взаимодействия тепловыделяющей структуры с кислородом.

Кроме того, из уровня техники известен термоакустический излучатель, раскрытый в US 8073164 B2, опубл. 06.12.2011, прототип. Термоакустический излучатель содержит генератор звуковой волны в виде пленки структур углеродных нанотрубок, на поверхности которой размещены электроды. Генератор звуковой волны может быть размещен на подложке.

Недостатком указанного выше термоакустического излучателя является невысокая акустическая мощность излучателя из-за взаимодействия тепловыделяющей структуры с кислородом.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка термоакустического излучателя, работающего при высоких входных мощностях электрического сигнала.

Техническим результатом изобретения является повышение акустической мощности и срока службы термоакустического излучателя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в соответствии с первым вариантом изобретения термоакустический излучатель содержит слой тепловыделяющих структур в виде пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок. При этом на поверхность углеродных нанотрубок нанесена защитная пленка по крайней мере одного материала, выбранного из группы: Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, BN, а на торцах пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок закреплены по крайней мере два электрических контакта.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что в соответствии со вторым вариантом изобретения термоакустический излучатель содержит слой тепловыделяющих структур в виде пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок, и средство обдува. При этом на торцах пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок закреплены по крайней мере два электрических контакта, а средство обдува выполнено с возможностью создания газового потока на внешней поверхности слоя тепловыделяющих структур.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - Термоакустического излучателя (вариант 1).

Фиг. 2 - Увеличенный вид хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок, покрытых защитной пленкой.

Фиг. 3 - Термоакустического излучателя (вариант 2).

1 - слой тепловыделяющих структур; 2 - защитная пленка; 3 - электрические контакты; 4 - устройство подачи входного сигнала; 5 - электрические провода; 6 - углеродная нанотрубка; 7 - пространство между углеродными нанотрубками; 8 - средство обдува; 9 - газовый поток.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым вариантом изобретения, термоакустический излучатель содержит слой (1) тепловыделяющих структур в виде пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок (6). При этом на поверхность углеродных нанотрубок (6) нанесена защитная пленка (2) по крайней мере одного материала, выбранного из группы: Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, BN, а на торцах пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок (6) закреплены по крайней мере два электрических контакта (3). Электрические контакты (3) при помощи электрических проводов соединены с устройством (4) подачи входного сигнала. Указанные выше электрические контакты (3) выполнены по крайней мере в виде двух электродов, расположенных на торцах слоя (1) тепловыделяющих структур, обеспечивающих электрический контакт со слоем (1) тепловыделяющих структур. Хаотичное расположение углеродных нанотрубок (6) образует пространство (7) между соседними углеродными трубками (6), которое заполняется атмосферой внешней среды, в которой работает термоакустический излучатель.

В качестве углеродных нанотрубок согласно варианту 1 изобретения применяют одностенные, двухстенные и многостенные углеродные нанотрубки.

Толщина пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок согласно варианту 1 изобретения составляет 0,1 нм - 1 мм.

Толщина оболочки из оксида алюминия согласно варианту 1 изобретения составляет 0,1 нм - 1 мм.

В соответствии со вторым вариантом изобретения, термоакустический излучатель содержит слой (1) тепловыделяющих структур в виде пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок, и средство обдува (8). При этом на торцах пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок закреплены по крайней мере два электрических контакта (3), а средство обдува (8) выполнено с возможностью создания газового потока (9) на внешней поверхности слоя (1) тепловыделяющих структур. Хаотичное расположение углеродных нанотрубок (6) образует пространство (7) между соседними углеродными трубками (6), которое заполняется атмосферой внешней среды, в которой работает термоакустический излучатель.

В качестве углеродных нанотрубок согласно варианту 2 изобретения применяют одностенные, двухстенные и многостенные углеродные нанотрубки.

Толщина пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок согласно варианту 2 изобретения составляет 0,1 нм - 1 мм.

Заявленный термоакустический излучатель согласно варианту 1 изобретения работает следующим образом.

При помощи устройства (4) подачи входного сигнала (электрический сигнал: импульсы постоянного электрического тока; переменный электрического тока; оптический сигнал: электромагнитные волны) через электрические провода (5) на электрические контакты (3) подается, например, напряжение переменного тока. В результате происходит нагрев слоя (1) тепловыделяющих структур, содержащих и оболочки (2) термоакустического излучателя и окружающей термоакустический излучатель среду, в том числе происходит нагрев окружающей среды, которой заполняется пространство (7) между соседними углеродными трубками (6). В результате нагрева окружающей среды происходит формирование и распространение акустической волны в окружающей среде.

Заявленный термоакустический излучатель согласно варианту 2 изобретения работает следующим образом.

При помощи устройства (4) подачи входного сигнала (электрический сигнал: импульсы постоянного электрического тока; переменный электрического тока; оптический сигнал: электромагнитные волны) через электрические провода (5) на электрические контакты (3) подается, например, напряжение переменного тока. В результате происходит нагрев слоя (1) тепловыделяющих структур в виде пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок (6) и окружающей термоакустический излучатель среду, в том числе происходит нагрев окружающей среды, которой заполняется пространство (7) между соседними углеродными трубками (6). При этом при помощи средства обдува (8), установленного с торца термоакустического излучателя вдоль внешних поверхностей слоя (1) тепловыделяющих структур формируется, который охлаждает приграничные слоя (1) тепловыделяющих структур. В качестве средства обдува (8) применяют любые устройства, формирующие газовый поток, например, вентилятор или баллон со сжатым газом, соединенный с соплом. Образующийся при помощи средства обдува (8) газовый поток (9), характеризуется скоростью 0,1-10 м/с, а газ в газовом потоке (9) выбран из группы: воздух, гелий, азот, аргон, ксенон. В результате нагрева окружающей среды и последующего его охлаждения происходит формирование и распространение акустической волны в окружающей среде.

Как показали эксперименты, заявленный в соответствии с первым вариантом изобретения термоакустический излучатель по сравнению с термоакустическим излучателем по прототипу способен выдерживать высокие мощности входного сигнала, ввиду того, что повышение мощности входного сигнала приводит к повышению температуры нагрева слоя (1) тепловыделяющих структур, а, следовательно, к повышению мощности термоакустического излучателя, т.е. к формированию и распространению акустической волны с более высокой акустической (звуковой) энергией на большие расстояния. При увеличении мощности входного сигнала для термоакустического излучателя по прототипу, приводит к более высокой температуре нагрева тепловыделяющий структуры, что приводит к взаимодействию тепловыделяющей структуры с кислородом воздуха, в результате повышенной температуры нагрева и атмосферы воздуха происходит разрушение тепловыделяющей структуры и выхода термоакустического излучателя из строя. Применение в заявленном термоакустическом излучателе согласно варианту 1 защитной пленки (2) из заявленных вариантов материала, позволяет изолировать слой (1) тепловыделяющей структуру от взаимодействия с кислородом воздуха или другой кислородсодержащей среды при высокой температуре, следовательно, позволит увеличить акустическую мощность и срок службы термоакустического излучателя, т.к. в результате повышенной температуры нагрева тепловыделяющий структуры без доступа воздуха не происходит разрушение тепловыделяющий структуры.

При толщине защитной пленки менее 0,1 нм, применяемой в термоакустическом излучателе по варианту 1, не обеспечивает достижение технического результата, ввиду того не обеспечивается защита от взаимодействия углеродных нанотрубок (6) с воздухом, в результате чего происходит разрушение слоя (1) тепловыделяющих структур. Применение толщины оболочки более 1 мм применять нецелесообразно, т.к. увеличиваются затраты на изготовление излучателя, а также обеспечивается увеличение веса и теплоемкости излучателя, что приводит к уменьшению акустической мощности.

Как показали эксперименты, заявленный в соответствии со вторым вариантом изобретения термоакустический излучатель по сравнению с термоакустическим излучателем по прототипу позволяет увеличить акустическую мощность и срок службы термоакустического излучателя, за счет высокой разницы температур на границе раздела «слой тепловыделяющих структур - окружающая среда», которая обеспечивается за счет максимальной температуры в слое (1) тепловыделяющих структур и минимальной температуры приграничного слоя газа окружающей среды. Газовый поток (8) обеспечивает также защиту от взаимодействия углеродных нанотрубок (6) с кислородом окружающей среды при высокой температуре.

В соответствии с вариантом 1 и вариантом 2 изобретения толщина пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок (6), составляющаяся нм-1 мм, это эффективная толщина, обеспечивающая необходимую акустическую мощность термоакустического излучателя. Толщину пленки менее 0,1 нм невозможно получить, применение пленки толщиной более 1 мм, приводит к снижению акустическую мощность термоакустического излучателя.

Применение более двух электрических контактов (3) в термоакустическом излучателе в соответствии с вариантом 1 и вариантом 2 изобретения позволяет присоединять более одного устройства (4) подачи входного сигнала, что позволяет создать более высокий входной сигнал и обеспечить более высокую акустическую мощность термоакустического излучателя.

В соответствии с вариантом 1 и вариантом 2 изобретения хаотично расположенные структуры углеродных нанотрубок (6), которые образуют пространство (7) между соседними углеродными трубками (6), обеспечивают увеличение поверхностной площади излучателя и более эффективную теплоотдачу от излучателя в окружающую среду, что позволяет повысить акустическую мощность термоакустического излучателя.

Заявленный излучатель в соответствии с вариантом 1 и вариантом 2 изобретения по сравнению с термоакустическим излучателем по прототипу позволяет увеличить акустическую мощность до 40%.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к акустике, в частности к устройствам для возбуждения акустических колебаний в газах и жидкостях. Согласно первому варианту реализации термоакустический излучатель содержит слой тепловыделяющих структур в виде пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок, на поверхность которых нанесена защитная пленка по крайней мере одного материала, выбранного из группы: Al₂O₃, TiO₂, BN. При этом на торцах пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок закреплены по крайней мере два электрических контакта. Согласно второму варианту реализации термоакустический излучатель содержит слой тепловыделяющих структур в виде пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок и средство обдува, при этом на торцах пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок закреплены по крайней мере два электрических контакта, а средство обдува выполнено с возможностью создания газового потока на внешней поверхности слоя тепловыделяющих структур, при этом газ в газовом потоке выбран из группы: гелий, азот, аргон, ксенон. Технический результат группы изобретений - повышение акустической мощности и срока службы термоакустического излучателя. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоакустический излучатель, содержащий слой тепловыделяющих структур в виде пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок, на поверхность которых нанесена защитная пленка по крайней мере одного материала, выбранного из группы: Al₂O₃, TiO₂, BN, при этом на торцах пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок закреплены по крайней мере два электрических контакта.

2. Термоакустический излучатель, содержащий слой тепловыделяющих структур в виде пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок и средство обдува, при этом на торцах пленки хаотично расположенных структур углеродных нанотрубок закреплены по крайней мере два электрических контакта, а средство обдува выполнено с возможностью создания газового потока на внешней поверхности слоя тепловыделяющих структур, при этом газ в газовом потоке выбран из группы: гелий, азот, аргон, ксенон.