CN101498290A

CN101498290A - 外激励双驱动行波热声热机

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Publication number: CN101498290A
Application number: CNA2009100608001A
Authority: CN
Inventors: 吴锋; 丁国忠; 李端勇; 邹文径; 杨志春; 舒安庆
Original assignee: Wuhan Institute of Technology
Current assignee: Wuhan Institute of Technology
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2009-08-05

Abstract

本发明涉及外激励双驱动行波热声热机，环形声传输通道壳体内为环形声传输通道，环形声传输通道壳体的长度为一个波长，环形声传输通道壳体上对称设有端口，第一激振器设在环形声传输通道壳体上的第一个端口处，第一激振器的输出端朝向第一个端口；第二激振器设在环形声传输通道壳体上的第三个端口处，第二激振器的输出端朝向第三个端口；环形声传输通道壳体上的第二个端口或/和第四个端口处设置有变容谐振腔，变容谐振腔的开口端朝向第二个端口或/和第四个端口处；第一热声器件、第二热声器件、第一冷却器、第二冷却器分别对称布置在环形声传输通道内。本发明的有益效果是：结构简单、效率高、启动温差小、选频特性好。

Description

外激励双驱动行波热声热机

技术领域

本发明属于制冷与低温工程技术以及小型热动力技术领域，具体涉及的是涉及一种高效率大振幅的外激励双驱动行波热声热机。

背景技术

热声热机是利用热声效应将热变为压力波(声)的能量转换装置。热声效应是指当可压缩性流体工质(第一种介质)在热机系统中进行声振荡时与固体工质(第二种介质)之间进行热力相互作用而产生的时均能量效应。它是由处于声场中的固体介质与振荡流体之间的相互作用导致的时均热流和时均功流。按能量转换的方向，热声效应可以分为两类：一类是热驱动产生声功，即热致声效应；另外一类是消耗声功产生热流，即声驱动的泵热或制冷。热声效应可以在驻波声场、行波声场或两者混合的声场中产生和发生作用。从热声现象的研究中逐渐发展起来的热声学揭示了热声效应的机理：声波在流体中纵向传播的同时伴随着振荡流体与固体壁面间的横向交变的动量和热量的交换，这两个方向波动扩散的相互作用使得热声效应得以产生和维持。热声热机是一种直接利用热能，通过加热器、换热器、回热器、谐振管等部件的优化配置和相位调节，来产生声功的装置。

和传统的热机相比，热声热机具有结构简单，可靠性高，寿命长，无(或少有)运动部件，无环境污染等诸多优点。热声热机回热器内的流体振荡通过相位调节来实现声场和温度场的相干协同耦合。热声热机(制冷机)按照其工作声场可分为驻波热声热机(制冷机)和行波热声热机(制冷机)两类。驻波热声热机(制冷机)由于其本征特性限制了效率；行波热声热机(制冷机)是在不断地追求消除和简化斯特林机运动部件的努力过程中发展起来的。行波热声热机类似于斯特林循环，其过程本身是可逆的，故其热效率在理论上高于驻波热声热机。美国Los Alamos国家实验室Swift教授领导得热声研究小组，研制了由一个行波环和一个四分之一波长谐振管构成的热声斯特林热机。该热机合理利用了行波热声的高效率和驻波热声高振幅的优点，使系统的最高热效率可达到30％。在性能指标上的改善使得无运动部件的热声装置显示出广阔的发展前景。

目前所采用的热声热机通常为单驱动系统，且无外激励源。如中国专利CN200410098438.4“一种带有渐扩截面谐振腔的热声发动机”，采用渐扩截面的锥形谐振管可以达到减小粘性耗散，消除激波或者高次谐波，提高系统压比的目的；中国专利200610053272.3“空气冷却方式的热声发动机”在热声发动机中采用空气冷却技术，使热声发动机不依赖水源工作；中国专利200410016685.5“具有旁通结构的混合型行波热声发动机”介绍了具有旁通结构的混合型行波热声发动机；中国专利CN200710068642.5“多谐振管热声发动机”具有多谐振管，但仍为单一热源(加热器)驱动的热声系统。这些系统虽然在提高热声热机的性能方面各具特色，但缺点一是体积比功率较低，很难用于要求紧凑的场合；二是都没有外激励系统，一般要求较大的启动温差。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对上述现有技术而提出一种结构简单、效率高、启动温差小、选频特性好的外激励双驱动行波热声热机。

本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：外激励双驱动行波热声热机，其特征在于它包括第一激振器、第二激振器、第一热声器件、第二热声器件、第一冷却器、第二冷却器、变容谐振腔、环形声传输通道壳体；环形声传输通道壳体内为环形声传输通道，环形声传输通道壳体的长度为一个波长，环形声传输通道壳体上对称设有第一个端口、第二个端口，第三个端口、第四个端口，第一个端口、第二个端口，第三个端口、第四个端口分别与环形声传输通道相通；第一激振器设在环形声传输通道壳体上的第一个端口处，第一激振器的输出端朝向第一个端口；第二激振器设在环形声传输通道壳体上的第三个端口处，第二激振器的输出端朝向第三个端口；环形声传输通道壳体上的第二个端口或/和第四个端口处设置有变容谐振腔，变容谐振腔的开口端朝向第二个端口或/和第四个端口处；第一热声器件、第二热声器件、第一冷却器、第二冷却器分别对称布置在环形声传输通道内。

按上述方案，所述的环形声传输通道壳体由真空夹套波纹管制成，长度为一个波长。

按上述方案，所述的第一激振器为动磁式激振器或动圈式激振器或扬声器，第二激振器为动磁式激振器或动圈式激振器或扬声器。

按上述方案，所述的第二热声器件与第一热声器件的结构相同，第一热声器件由冷端换热器、回热器和加热器组成，第一热声器件的远第一激振器的一端为加热器，回热器位于加热器与冷端换热器之间，回热器分别与加热器、冷端换热器相接触连接，第二热声器件由冷端换热器、回热器和加热器组成，第二热声器件的远第二激振器的一端为加热器，回热器位于加热器与冷端换热器之间，回热器分别与加热器、冷端换热器相接触连接。

按上述方案，所述的第一冷却器位于第一热声器件加热器一侧，第二冷却器位于第二热声器件加热器一侧。

按上述方案，所述的变容谐振腔是具有变管径、变长度特性的变径锥度管，并采用内抛光工艺。

按上述方案，所述的环形声传输通道内的工质为氮气或氦气，环形声传输通道内的工质压力为10-12个大气压。

本发明的有益效果是：

1.采用外激励装置(激振器)来降低起振温度域值并提高整机系统的选频特性，首先，设置外激励系统可以减小热声热机的起振温差，使热机更加适用于低品位能源，其次设置外激励系统还可以改善热机的选频特性，热声热机的频率是一个非常重要的物理量，热机只有工作在谐振状态下，即热机工作频率等于其谐振频率，性能才能达到最优。对热驱动的热声热机，频率是通过热声系统的自组织作用过程产生的。对应于相同的工况，热声热机具有不同的起振模态，热声热机的频谱特性是指热声热机对频率具有选择性，只有在一定范围内的频率才能更好的发挥其热声特性，只有当系统频率遵从热声热机的频谱特性时，系统性能才能达到最优，当外激励的频率为热声系统的谐振频率时，热声热机将以最优的工作频率起振并维持运行；

2.采用内为环形声传输通道的由真空夹套波纹管制成的环形声传输通道壳体，利用行波声场产生热声效应的强度大于驻波声场的优点，实现行波热致声转换，提高热机系统的品质因素。本发明在环形声通道内设置两个热声器件来提高热机的比功率。热声热机的输出功率为二级声量，一般情况下，其比功率较低。本发明除采用高频率和大振幅来提高输出功率外，还采用两个热声器件来驱动热机，使其比功率增大；

3.变容谐振腔采用具有变管径、变长度等特性的变径锥度管，并采用内抛光工艺，增强其调相功能。变容谐振腔可以同时分别接入环形声传输通道的两个端口，以进行各种热声实验；也可以使其中的一个变容谐振腔接入环形声传输通道的一个端口，另一个端口用于换接负载；

4.本发明采用与环境友好的氮气或氦气作为工质，有效解决了现有制冷工质对环境的污染问题；

5、使用寿命长、操作方便、效率高、输出比功率大、起振温差小，具有优良的选频特性，特别适用于为小型热声制冷机、斯特林制冷机以及脉管制冷机提供无运动部件的驱动源。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图中：1-第一激振器，2-第一热声器件，3-第一冷却器，4-第一变容谐振腔，5-第二激振器，6-第二热声器件，7-环形声传输通道壳体，8-环形声传输通道，9-第二冷却器，10-第二变容谐振腔，11-冷端换热器，12-回热器，13-加热器

具体实施方式

下面通过实施例进一步介绍本发明，但是实施例不会构成对本发明的限制。

如图1所示，外激励双驱动行波热声热机，它包括第一激振器1、第一热声器件2、第一第一冷却器3、第一变容谐振腔4、第二激振器5、第二热声器件6、环形声传输通道壳体7、第二冷却器9、第二变容谐振腔10；环形声传输通道壳体7内为环形行波传输通道8，环形声传输通道壳体7的长度为一个波长，环形声传输通道壳体7上对称设有第一个端口、第二个端口、第三个端口、第四个端口，第一个端口、第二个端口、第三个端口、第四个端口分别与环形声传输通道8相通；第一激振器1设在环形声传输通道壳体7上的第一个端口处(第一激振器1与环形声传输通道壳体7固定连接)，第一激振器1的输出端朝向第一个端口；第一变容谐振腔4设在环形声传输通道壳体7上的第二个端口处(第一变容谐振腔4与环形声传输通道壳体7固定连接)，第一变容谐振腔4的开口端朝向第二个端口，第一变容谐振腔4也可以换接成负载；第二激振器5设在环形声传输通道壳体7上的第三个端口处(第二激振器5与环形声传输通道壳体7固定连接)，第二激振器5的输出端朝向第三个端口；第二变容谐振腔10设在环形声传输通道壳体7上的第四个端口处(第二变容谐振腔与环形声传输通道壳体7固定连接)，第二变容谐振腔的开口端朝向第四个端口，第二变容谐振腔10也可以换接成负载(即保证至少有一个端口接有变容谐振腔)；第一热声器件2、第二热声器件6、第一冷却器3、第二冷却器9分别对称布置在环形声传输通道8内，第一热声制冷元件2的远第一激振器1的一端为加热器13，热量通过加热器13输入系统，第一热声器件3的近第一激振器1的另一端为冷端换热器11，冷端换热器11向环境放出废热，第二热声器件6的远第二激振器5的一端为加热器，第二热声器件6的近第二激振器5的另一端为冷端换热器。

第一冷却器3位于靠近环形声传输通道8第二端口的弯角处，第二冷却器9位于靠近环形声传输通道8第四端口的弯角处。第一冷却器3、第二冷却器9的作用是阻止第一热声器件2的加热器13和第二热声器件6的加热器的热量对环形声传输通道8内热流的影响。

所述的第一激振器1、第二激振器5为动磁式激振器(或称动磁式热声激振器)或动圈式激振器(或称动圈式热声激振器)或扬声器。两个激振器由芯片自动控制。

所述的第二热声器件6与第一热声器件2的结构相同，第一热声器件2由加热器13、回热器12和冷端换热器11组成，回热器12位于加热器13与冷端换热器11之间，回热器12分别与加热器13、冷端换热器11相接触连接。第二热声器件6由冷端换热器、回热器和加热器组成，回热器位于加热器与冷端换热器之间，回热器分别与加热器、冷端换热器相接触连接。回热器12的填料可以是不锈钢丝网、钢丝绒、板叠或针束等。环形声传输通道8内的工质为氮气或氦气，环形声传输通道8内的工质压力为10-12个大气压。环形声传输通道壳体7由真空夹套波纹管制成，并采用内抛光工艺。

第一变容谐振腔4与第二变容谐振腔10采用具有变管径、变长度等特性的变径锥度管，并采用内抛光工艺，增强其调相功能。第一变容谐振腔4和第二变容谐振腔10可以同时分别接入环形声传输通道8的第二端口和第四端口，以进行各种热声实验；也可以使其中的任意一个变容谐振腔接入环形声传输通道8的第二端口或第四端口，而另一个端口用于换接负载。

本发明也可以采用电动膜作为外激励源，即利用微型平面线圈驱动导磁薄膜振动的方式来提供外激励，以实现微型化应用的需要。

本发明的依据是热声效应原理，处于声场和温度场作用下的流相工质，可以认为是由许多微团所组成，它们通过和与之相接触的固相工质(回热器填料管壁)发生横向热交换，完成热力学循环。我们称为热声微热力学循环。热流、功流和熵流，靠微团之间的相位接力来输运。热声器件的通道中气体是等焓流的，故功流和热流的方向相反。热声器件中由于加热器和换热器造成的热力学对称性破缺，导致系统形成耗散结构而产生热致声。声波经环形声传输通道8以行波的方式同向(在图1中是顺时针)传播。通过控制线路可以控制两个外激励源(第一、第二激振器)的频率和振幅。当激振器产生的激励声场的频率与系统谐振频率相同时，系统可在低温差下起振。在第一激振器1与第二激振器5不同频率的诱导激励下，第一热声器件2与第二热声器件6产生的压力波可以具有不同的频率。第一热声器件2与第二热声器件6产生的压力波频率和振幅大致相当时，两列压力波因干涉而增强；当两列压力波的频率和振幅相差较大时，为多声波声功率输出。

特别设置的第一变容谐振腔和第二变容谐振腔，用于调节系统相角，为热声热机整机运行和起振提供了调节措施。

Claims

1、外激励双驱动行波热声热机，其特征在于它包括第一激振器(1)、第二激振器(5)、第一热声器件(2)、第二热声器件(6)、第一冷却器(3)、第二冷却器(9)、变容谐振腔、环形声传输通道壳体(7)；环形声传输通道壳体内为环形声传输通道(8)，环形声传输通道壳体的长度为一个波长，环形声传输通道壳体上对称设有第一个端口、第二个端口，第三个端口、第四个端口，第一个端口、第二个端口，第三个端口、第四个端口分别与环形声传输通道相通；第一激振器设在环形声传输通道壳体上的第一个端口处，第一激振器的输出端朝向第一个端口；第二激振器设在环形声传输通道壳体上的第三个端口处，第二激振器的输出端朝向第三个端口；环形声传输通道壳体上的第二个端口或/和第四个端口处设置有变容谐振腔，变容谐振腔的开口端朝向第二个端口或/和第四个端口处；第一热声器件、第二热声器件、第一冷却器、第二冷却器分别对称布置在环形声传输通道内。

2、按根据权利要求1所述的外激励双驱动行波热声热机，其特征在于所述的环形声传输通道壳体由真空夹套波纹管制成，长度为一个波长。

3、按根据权利要求1所述的外激励双驱动行波热声热机，其特征在于所述的第一激振器为动磁式激振器或动圈式激振器或扬声器，第二激振器为动磁式激振器或动圈式激振器或扬声器。

4、按根据权利要求1所述的外激励双驱动行波热声热机，其特征在于所述的第二热声器件与第一热声器件的结构相同，第一热声器件由冷端换热器(11)、回热器(12)和加热器(13)组成，第一热声器件的远第一激振器的一端为加热器，回热器位于加热器与冷端换热器之间，回热器分别与加热器、冷端换热器相接触连接，第二热声器件由冷端换热器、回热器和加热器组成，第二热声器件的远第二激振器的一端为加热器，回热器位于加热器与冷端换热器之间，回热器分别与加热器、冷端换热器相接触连接。

5、按根据权利要求4所述的外激励双驱动行波热声热机，其特征在于所述的第一冷却器位于第一热声器件加热器一侧，第二冷却器位于第二热声器件加热器一侧。

6、按根据权利要求1所述的外激励双驱动行波热声热机，其特征在于所述的变容谐振腔是具有变管径、变长度特性的变径锥度管，并采用内抛光工艺。

7、按根据权利要求1所述的外激励双驱动行波热声热机，其特征在于所述的环形声传输通道内的工质为氮气或氦气，环形声传输通道内的工质压力为10-12个大气压。