CN101275541B - 热声行波发动机及其应用 - Google Patents

Abstract

一种热声行波发动机，包括以下部件：用于调节相位的惯性管(1)；与惯性管(1)相邻的容性管(2)；主室温端换热器(3)；回热器(4)；高温端换热器(5)；热缓冲管(6)和次室温端换热器(7)；其中回热器(4)位于主室温端换热器(3)和高温端换热器(5)之间，热缓冲管(6)位于高温端换热器(5)和次室温端换热器(7)之间，其特征在于：所述发动机的上述各部件呈同轴布置并位于一外壳(17)内，惯性管(1)位于该同轴结构的内部。

Description

热声行波发动机及其应用

技术领域

本发明涉及一种用于热声转换的行波热声系统，具体是涉及一种新型的热声行波发动机及驱动新型的热声行波制冷机和直线电机的装置。

背景技术

热声系统是实现热能与声能或其他形式能量相互转换的装置。通常，热声系统是指包含热声发动机或热声制冷机的系统。热声发动机是热声系统的核心部件，它产生的压力波可以用来驱动热声制冷机或者直线电机等负载以获得低温或者电能等。

热声发动机是通过振荡的可压缩流体与固体工作介质的热相互作用从而实现热能向声能转换的装置。热声发动机无任何机械运动部件，不需要润滑，因而易于维护，使用寿命较长。采用氦气、氮气等对环境友好的不活泼气体作为工作介质，不会产生温室效应。此外，热声发动机能有效利用汽车尾气、工业废气和太阳能等低品位能源，能有效提高能源的综合利用效率，特别在缺少电能的场合具有实际意义。

而热声制冷机则是通过可压缩流体与固体工作介质的热相互作用从而实现声能向热能转换的装置。它同样具有运行稳定可靠，使用寿命长，使用惰性气体为工作介质等特点。用热声发动机产生的声能来驱动热声制冷机就能获得完全无任何机械运动部件的制冷系统，具有非常广阔的应用前景。

根据热声系统内部工作声场的不同，热声系统可分为热声驻波系统和热声行波系统。由于热声驻波系统中的工作气体与固体介质的不可逆换热，热声驻波系统的热效率较低，如热声驻波发动机，它的热效率一般在0.20以下。而热声行波系统的回热器中气体经历可逆的斯特林循环，因而其热效率在理论上要高于热声驻波系统，具有很大的应用前景，成为研究的热点。

传统的热声行波系统的结构如图1所示。它包括一热声行波发动机和一热声行波制冷机。热声行波发动机由一行波环路和谐振管所构成。行波环路依次包括一惯性管1，一容性管2，一主室温端换热器3，一回热器4，一高温端换热器5，一热缓冲管6和一次室温端换热器7，这些部件按次序布置构成环路。而热声行波制冷机由一行波环路构成。行波环路依次包括一惯性管9，一容性管10，一主室温端换热器11，一回热器12，一冷端换热器13，一热缓冲管14和一次室温端换热器15，这些部件按次序布置构成环路。可以看到，为了构成行波环路，热声行波发动机的惯性管和容性管中都包含弧形管结构，同时，为了使环路与谐振管相连接，还采用了三通管的结构。同样，为了构成行波环路，热声行波制冷机中也包含弧形管和三通的结构。这种行波环路结构的存在占据了大量的空间，结构不紧凑，不利于实际应用。弧形管及三通的存在会造成流动的复杂性，引起不必要的流动和换热损失。此外，对于热声行波发动机，这种环路结构无法克服高温端换热器处的高温引起的热应力，造成结构的不稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热声行波发动机，它克服了已有技术的不足之处，使发动机结构简单化，并提高了运行稳定性和可靠性及系统效率。

为此，本发明提供一种热声行波发动机，包括以下部件：用于调节相位的惯性管；与惯性管相邻的容性管；主室温端换热器；回热器；高温端换热器；热缓冲管和次室温端换热器；其中回热器位于主室温端换热器和高温端换热器之间，热缓冲管位于高温端换热器和次室温端换热器之间，其特征在于：所述发动机的上述各部件呈同轴布置并位于一外壳内，惯性管位于该同轴结构的内部。

本发明的再一目的是想提供一种热声行波制冷系统，它采用了上述这种新颖的发动机，提高了运行稳定性和系统效率。

本发明的又一目的是想提供一种直线发电系统，它采用了上述这种新颖的发动机，提高了运行稳定性和系统效率。

本发明提供的新型同轴型热声行波发动机的各部件呈同轴布置，即惯性管、容性管、主室温端换热器、回热器、高温端换热器、热缓冲管和次室温端换热器被置于同一外壳内，且其安装次序保持与典型热声行波发动机的结构相同。惯性管和容性管仍为圆管结构，主室温端换热器、回热器、高温端换热器、热缓冲管和次室温端换热器则被置于外壳与惯性管之间的环形流道中。热声行波发动机的惯性管为采用热导率低且耐高温材料的空管子，有效减少高温端换热器、回热器和热缓冲管内的高温对惯性管的漏热损失以及该漏热引起的惯性管内气体的流动和换热损失。热声行波发动机的惯性管与容性管的连接处置有一个弹性膜，它是一种具有较高弹性的有机材料或金属材料，由于弹性膜的存在，声直流能被完全抑制，同时由于该弹性膜处的流动截面积较大使得流速较低，确保弹性膜的使用寿命。

用本发明的热声行波发动机驱动同轴型的热声行波制冷机。热声行波制冷机的各部件也呈同轴布置，即惯性管、容性管、主室温端换热器、回热器、冷端换热器、热缓冲管和次室温端换热器被置于同一外壳内，且其安装次序保持与典型热声行波制冷机的结构相同。惯性管和容性管仍为圆管结构，主室温端换热器、回热器、冷端换热器、热缓冲管和次室温端换热器则被置于外壳与惯性管之间的环形流道中。热声行波制冷机的惯性管为采用低热导率材料的空管子，有效减少冷端换热器、回热器和热缓冲管内的低温对惯性管的冷量损失以及该冷量损失引起的惯性管内气体的流动和换热损失。热声行波制冷机的惯性管与容性管的连接处置有一个弹性膜，它是一种具有较高弹性的有机材料或金属材料，由于弹性膜的存在，声直流能被完全抑制，同时由于该弹性膜处的流动截面积较大使得流速较低，确保弹性膜的使用寿命。

所述的同轴型热声行波发动机惯性管的材料可为氧化铝、氧化镁、氧化钛或稳定氧化锆陶瓷管，熔点在2000℃左右，在1000℃时的导热系数约为1W/(m*K)，为普通不锈钢的1/10或更小；该惯性管也可为经过氧化铝、氧化镁等陶瓷材料涂层处理的耐高温的不锈钢或者钛合金。

所述的同轴型热声行波制冷机惯性管的材料可为热导率低的不锈钢或者聚四氟乙烯等材料。

所述弹性膜片的材料为氟橡胶、硅橡胶、天然橡胶、聚氨酯橡胶、铍青铜、不锈钢等。

本发明与现有技术相比，其关键技术在于采用了同轴结构避免热声行波发动机侧的热应力，并且使系统结构紧凑，利于实用化；使用了一种低热导率且耐热的陶瓷管或陶瓷材料涂层的不锈钢或钛合金管，它既可以有效保证热声行波发动机的高温端换热器工作在较高温度，又可以防止热量漏入反馈管中；使用了一种低热导率的不锈钢或者聚四氟乙烯管，它可以有效防止热声行波制冷机冷端换热器的低温引起的冷量损失；采用高弹性膜，它既可以有效地传输声波，又可以抑制声直流，保证系统的高效率。

附图说明

图1是传统的热声行波发动机结构示意图；

图2是新型同轴型热声行波发动机结构示意图；

图3是新型同轴型热声行波发动机驱动同轴型热声行波制冷机示意图；

图4是新型同轴热声行波发动机驱动发电机示意图。

图号说明：

图中，1.发动机侧惯性管，2.发动机侧容性管，3.发动机侧主室温端换热器，4.发动机侧回热器，5.发动机侧高温端换热器，6.发动机侧热缓冲管，7.发动机侧次室温端换热器，8.谐振管，9.制冷机侧惯性管，10.制冷机侧容性管，11.制冷机侧主室温端换热器，12.制冷机侧回热器，13.制冷机侧冷端换热器，14.制冷机侧热缓冲管，15.制冷机侧次室温端换热器，16.发动机侧弹性膜片，17.发动机侧外壳，18.制冷机侧弹性膜片，19.制冷机侧外壳，20.活塞，21.活塞环，22.板簧，23.定子，24.动子，25.弹簧，26.轴，27.发电机侧外壳。

具体实施方式

在叙述具体实施方式前，首先对涉及本发明的一些原理作简要说明。

理论上惯性管应该工作在室温环境中，但由于同轴布置的缘故，发动机的回热器、高温端换热器和热缓冲管内的高温，制冷机的回热器、冷端换热器和热缓冲管的低温将不可避免得使热量(发动机)或者冷量(制冷机)漏入反馈管中，并造成该漏热(发动机)或冷量(制冷机)损失引起的反馈管内不必要的流动和换热损失。此热漏或冷量损失可以用公式(1)来简单衡量：

$Q_{\mathrm{loss}}=-\mathrm{\λA}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dn}}---\left(1\right)$

其中：λ为惯性管材料的导热系数，A为垂直热漏方向的换热面积，x代表热漏方向。从上式可以看出在换热面积一定的情况下，热漏与材料的导热系数成正比，因此采用导热系数小的惯性管材料将有效减少热漏及附加损失。以发动机侧的惯性管为例，若采用普通的不锈钢，在加热温度为600℃时，它的热导率λ＝24.27W/(m*K)，如果采用本发明说述的低热导率材料如氧化铝陶瓷，λ＝1W/(m*K)，由此可见，漏热量只有前者的4.1％，从而大大减少了漏热损失。

而对于本发明中采用的弹性膜技术，其原理在于：假设弹性膜片两侧的压力为p₁和p₂，弹性膜片的质量为m，弹性系数为K，弹性膜片的横截面积为A，则有：

(p₁-p₂)A＝Kx+mx′             (2)

其中：x为弹性膜片的位移量，x＂为位移对时间的二阶导数即加速度。

将p1、p2、x以简谐形式表示为：

p₁＝P₁·e^jωt

p₂＝P₂·e^jωt

x＝X·e^jωt

x＂＝-ω²·X·e^jωt

其中P₁、P₂、X分别为各简谐量的幅值，ω为角频率，代入(1)式可以进一步写成如下形式：

(P₁-P₂)A＝(K-mω²)X                (3)

从上式可以看出，如果弹性膜的弹性很好，即弹性膜的刚度系数K趋于0；此外，若膜片的质量很轻，即质量m也趋于0，这样，在极限的情况下就可得出膜片两侧的压力P₁、P₂近似完全相同。实际上，与膜两侧的气体压力相比，由膜片的弹性和质量所引起的贡献非常小(一般在两个量级以下)，所以可认为膜片传递声波的能力与气体完全相同。

如图2所示，新型同轴型热声行波发动机包括一外壳17和谐振管8。外壳17内依次布置有惯性管1、容性管2、主室温端换热器3、回热器4、高温端换热器5、热缓冲管6和次室温端换热器7。惯性管采用低热导率耐高温的陶瓷管材料或经陶瓷材料涂层的不锈钢或钛合金管，在惯性管与容性管的连接处装有一弹性膜，既传递声功又完全抑制了声直流。

对外壳内的各部件按次序进行组装后，将外壳与谐振管通过法兰连接起来，从而完成了整个系统的装配。在装配完之后在系统中充入氦气、氮气等不活泼气体工质，工作压力为10～50bar，工作频率为50-500Hz之间(视系统的尺寸而定)。主室温端换热器和次室温端换热器采用风冷或者水冷等措施维持室温环境，并在高温端换热器内通过太阳能加热或高温燃气输入热量，当回热器内建立充分的温度梯度后，热声自激振荡便产生。经高温端换热器放大的声功，依次通过热缓冲管和次室温端换热器，一部分回到惯性管，在惯性管与容性管连接处的弹性膜隔绝了声直流并传递了声功使声功回到回热器中进行再放大，另一部分声功则进入谐振管以维持系统的振动。声功在系统的适当位置输出以驱动负载如各类回热器制冷机和发电机等。

图3所示为一新型同轴型热声系统，它包括一新型同轴型热声行波发动机和一新型同轴型热声行波制冷机。新型同轴型热声行波发动机包括一外壳17和谐振管8。外壳17内依次布置有惯性管1、容性管2、主室温端换热器3、回热器4、高温端换热器5、热缓冲管6和次室温端换热器7。惯性管采用低热导率耐高温的陶瓷管材料或经陶瓷材料涂层的不锈钢或钛合金管，在惯性管与容性管的连接处装有一弹性膜，既传递声功又完全抑制了声直流。新型同轴型热声行波制冷机外壳19内依次布置有反馈管9、容性管10、主室温端换热器11、回热器12、冷端换热器13、热缓冲管14和次室温端换热器15。惯性管采用低热导率的不锈钢或聚四氟乙烯等材料，并在惯性管与容性管的连接处装有一弹性膜，既传递声功又完全抑制了声直流。

在分别对发动机和制冷机外壳内的部件进行组装后，通过法兰使两者与谐振管连接，完成了整个系统的装配。在装配完之后在系统中充入氦气作为工作介质，工作压力为10～50bar，工作频率为50-500Hz之间(视系统的尺寸而定)。发动机和制冷机的主室温端换热器和次室温端换热器采用风冷或者水冷等措施维持室温环境，并在发动机的高温端换热器内通过太阳能加热或高温燃气输入热量，当发动机的回热器内建立充分的温度梯度后，热声自激振荡便产生。经发动机高温端换热器放大的声功，依次通过发动机热缓冲管和次室温端换热器，一部分回到发动机惯性管，在发动机惯性管与容性管连接处的弹性膜隔绝了声直流并传递了声功使声功回到回热器中进行再放大，另一部分声功则通过谐振管进入制冷机的惯性管，制冷机惯性管与容性管连接处的弹性膜隔绝了声直流并传递了声功，并在制冷机的回热器内实现声能向热能的转换，在制冷机的冷端换热器获得低温和制冷量，同时剩下的声功依次通过制冷机的热缓冲管和次室温端换热器回到制冷机的惯性管实现声功的回收再利用。

如图4所示的同轴型热声系统包括一新型同轴型热声行波发动机和一直线发电机。新型同轴型热声行波发动机包括一外壳17和谐振管8。外壳17内依次布置有反馈管1、容性管2、主室温端换热器3、回热器4、高温端换热器5、热缓冲管6和次室温端换热器7。惯性管采用低热导率耐高温的陶瓷管材料或经陶瓷材料涂层的不锈钢或钛合金管，在惯性管与容性管的连接处装有一弹性膜，既传递声功又完全抑制了声直流。直线发电机包括一传动系统和动转子系统。传动系统由活塞20、活塞环21、板簧22和轴26组成。活塞20与外壳27之间的密封方式采用活塞环间隙密封，由于热声行波发动机的工作频率较高，所以间隙密封要求相对较低，活塞环的加工较容易；使用板簧代替轴承消除了摩擦损失，提高发电机的机械效率；动转子系统可以根据输出电功率的大小采用动圈或者动磁式，动子24与外壳27之间的背腔可采用机械弹簧或者气体弹簧来回收部分机械功。

在分别对发动机和发电机外壳内的部件进行组装后，通过法兰使两者与谐振管连接，完成了整个系统的装配。在装配完之后在系统中充入氦气或者氮气等不活泼气体作为工作介质，工作压力为10～50bar，工作频率为50-500Hz之间(视系统的尺寸而定)。发动机的主室温端换热器和次室温端换热器采用风冷或者水冷等措施维持室温环境，并在发动机的高温端换热器内通过太阳能加热或高温燃气输入热量，当发动机的回热器内建立充分的温度梯度后，热声自激振荡便产生。经发动机高温端换热器放大的声功，依次通过发动机热缓冲管和次室温端换热器，一部分回到发动机惯性管，在惯性管与容性管连接处的弹性膜隔绝了声直流并传递了声功使声功回到回热器中进行再放大，另一部分声功则通过谐振管将声功传递至发电机的传动系统，从而带动发电机动子的往复直线运动，将声能通过机械能转化为电能。

Claims (10)

1.一种热声行波发动机，包括以下部件：用于调节相位的惯性管(1)；与惯性管(1)相邻的容性管(2)；主室温端换热器(3)；回热器(4)；高温端换热器(5)；热缓冲管(6)和次室温端换热器(7)；其中回热器(4)位于主室温端换热器(3)和高温端换热器(5)之间，热缓冲管(6)位于高温端换热器(5)和次室温端换热器(7)之间，该发动机还具有外壳(17)，其特征在于：所述惯性管(1)布置在该外壳(17)内，在该惯性管和外壳之间形成环形通道，其中该容性管(2)、该主室温端换热器(3)、该回热器(4)、该高温端换热器(5)、该热缓冲管(6)和次室温端换热器(7)依次同轴布置在该环形通道内。

2.根据权利1所述的热声行波发动机，其特征在于：所述惯性管(1)采用热导率低且耐高温材料的空管子。

3.根据权利1所述的热声行波发动机，其特征在于：所述惯性管(1)与容性管(2)的连接处设有一个弹性膜(9)。

4.根据权利3所述的热声行波发动机，其特征在于：所述弹性膜(9)为一种有机材料或金属材料。

5.一种热声行波制冷系统，包括制冷机，其特征在于：所述系统还包括用于驱动所述制冷机的、根据上述权利要求1-4之一所述的热声行波发动机。

6.根据权利要求5所述的热声行波制冷系统，其特征在于：所述制冷机包括以下部件：用于调节相位的惯性管(9)；与惯性管(9)相邻的容性管(10)；主室温端换热器(11)；回热器(12)；冷端换热器(13)；热缓冲管(14)和次室温端换热器(15)；其中回热器(12)位于主室温端换热器(11)和高温端换热器(13)之间，热缓冲管(14)位于冷端换热器(13)和次室温端换热器(15)之间，所述制冷机的上述各部件呈同轴布置，惯性管(9)位于该同轴结构的内部。

7.根据权利6所述的热声行波制冷系统，其特征在于：所述惯性管(9)由热导率低的材料制成。

8.根据权利6所述的热声行波制冷系统，其特征在于：所述惯性管(9)与容性管(10)的连接处设有由有机材料或金属材料制成弹性膜(18)。

9.一种直线发电系统，包括直线发电机，其特征在于：该系统还包括用于驱动所述直线发电机的、根据上述权利要求1-4之一所述的热声行波发动机。

10.根据权利要求9的直线发电系统，其特征在于：所述直线发电机系包括传动系统和动转子系统，所述传动系统包括活塞(20)、活塞环(21)、板簧(22)和轴(26)，该传动系统的活塞20与外壳27之间采用活塞环间隙密封，并用板簧来定位所述的活塞和轴；所述动转子系统采用动圈或者动磁式，动子(24)与外壳(27)之间的背腔采用机械弹簧或者气体弹簧来回收部分机械功。

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