CN102141017A - 一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机 - Google Patents

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一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机装置，包括：行波环路(5)、一个或多个驻波管(1)，其特征在于：所述一个或多个驻波管(1)与所述行波环路(5)垂直相交，在交汇处设置由室温端冷却器(2)、热声回热器(3)和高温端加热器(4)依次相连组成的热声核单元(A)。本发明驻波管(1)提供的驻波成分与行波环路(5)供的行波成分在热声核单元(A)处正交叠加，热声核单元(A)位于驻波管(1)中压力波幅附近(即速度节点附近)，有效利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各级热声核单元(A)均工作于高阻抗行波相位区，实现高效热声转换，同时提高声功流密度。

Description

一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机
技术领域
本发明涉及一种发动机装置，特别涉及一种利用行驻波正交叠加声场特性的热声发动机装置。
背景技术
热声发动机是利用热声效应，实现热能到声能转化并实现声功输出的声波发生器。根据工作声场特性不同，热声发动机主要分为驻波型、行波型及行驻波混合型三种。由于驻波声场中速度波和压力波相位差为
Figure BSA00000424673300011
驻波声场理论上没有声功输出；另一方面，在驻波热声发动机中热声转化基于气体同固体的不可逆热接触，气体进行的是不可逆热力学循环，所以热声发动机效率低。于是，1979年Ceperley首次提出了行波型热声发动机的概念。行波声场中速度波和压力波相位差为
Figure BSA00000424673300012
热声转化基于气体同固体的可逆热接触。然而，Ceperley研制的行波型热声发动机并没有实现声功放大的功能。随后，日本的Yazaki实验验证了在行波环路中可以实现自维持震荡，但其效率很低。Yazaki等人在研究中意识到了单坏路型行波热声发动机由于板叠处声阻抗低，工作气体振动速度较大，造成了严重的粘性损失，限制了行波热声发动机效率的提高。
1999年，Backhaus和Swift设计制作了一台新型行波热声发动机，将行波热声发动机的效率提高到30％。该发动机主要由行波环路和谐振管组成，通过合理设计环路管段的结构尺寸使回热器处于行波声场，同时在行波回路中引入谐振管从而提高了回热器处的声阻抗。为了增加热声热机输出的声功流密度，同时解决声直流问题，2003年Swift发展了一种行驻波级联型热声发动机，其结构仅限于在单一的半波长声谐振器内布置驻波热声发动机和行波型热声发动机，但其高阻抗行波区过于狭窄，级联级数极为有限。
为了实现可逆热声转换，众多研究者一直追求高阻抗的行波相位。2009年康慧芳对热声系统内声场分布特性展开了研究，指出在类驻波声场中即可实现高阻抗行波相位区，然而，过少的行波成分会使得行波相位区很窄，高效率区很窄，不能满足热声核心元件段的长度要求。在一维声场中，可以通过增加行波成分的方法增加行波区长度，然而随着行波成分的增加，虽然行波相位区长度增加，但是行波相位区当地声阻抗减小，热声转换效率降低。行波区长度和阻抗的相互制约关系，使得级联型热声热机的级数增加极为有限，限制了输出声功的能流密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机，根据行波和驻波声场的叠加特性，改变传统的驻波型热声热机和行波型热声热机的设计理念，采用正交型结构设计实现行波声场和驻波声场正交叠加，解除单通道热声系统中行波区长度和阻抗的制约关系，使得沿行波环路方向串联的各级热声转换单元均工作于高阻抗行波相位区，提高级联型热声发动机的转换效率，增加声功流密度。
本发明的技术方案如下：一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机，包括：行波环路(5)、设置在行波环路上的声功输出管道(6)，一个或多个驻波管(1)，其特征在于：所述一个或多个驻波管(1)与所述行波环路(5)垂直相交，在交汇处设置由室温端冷却器(2)、热声回热器(3)和高温端加热器(4)依次相连组成的热声核单元(A)，所述驻波管(1)提供的驻波成分与所述行波环路(5)提供的行波成分在所述热声核单元(A)处正交叠加，在叠加处利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得所述热声核单元(A)工作于高阻抗行波相位区。
进一步地，所述热声核单元(A)位于驻波管(1)中压力波幅附近。
进一步地，所述一个或多个驻波管(1)与行波环路(5)中声波振荡频率相同。
进一步地，所述的驻波管(1)为1/4波长管。
进一步地，所述的驻波管(1)为全波长管，该驻波管在两个压力波幅处与行波环路5垂直相交。
进一步地，所述热声回热器(3)的温度梯度方向与行波环路(5)中声功传播方向一致，声功在行波环路(5)中经各级热声回热器(3)逐级放大。
进一步地，还包括安装于所述的行波环路中的直流抑制器(7)。
进一步地，所述的直流抑制器(7)为金属弹性膜、有机弹性膜或喷射泵；
进一步地，所述的有机弹性膜为硅胶、橡胶或聚酯塑料制作的弹性膜片；所述的金属弹性膜为弹簧钢、铍青铜或不锈钢制作的弹性膜片。
进一步地，使用氮气、氦气、二氧化碳、氩气或氢气中的一种或者多种气体组成的混合气体作为工作介质。
本发明的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机装置与现有技术相比，其关键技术在于：
根据行波和驻波声场的叠加特性，改变传统的驻波型热声热机和行波型热声热机的设计理念，采用驻波管(1)与行波环路(5)垂直相交，在交汇处放置由室温端冷却器(2)、热声回热器(3)和高温端加热器(4)依次相连组成的热声核单元(A)，正交型结构设计在交叉点实现行波声场和驻波声场正交叠加，解除了单通道热声系统的行波区长度和阻抗的制约关系。
本发明的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机装置具备如下有益效果：
本发明的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机装置中，驻波管(1)提供的驻波成分与行波环路(5)提供的行波成分在热声核单元(A)处正交叠加，热声核单元(A)位于驻波管(1)中压力波幅附近(即速度节点附近)，有效利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各级热声核单元(A)均工作于高阻抗行波相位区，实现高效热声转换，同时提高声功流密度。
附图说明
图1为本发明的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1结构示意图；
图3为本发明实施例2结构示意图。
图中：1-驻波管，2-室温端冷却器，3-热声回热器，4-高温端加热器，5-行波环路，6-声功输出管道，7-直流抑制器，A-由室温端冷却器2、热声回热器3和高温端加热器4依次相连组成的热声核单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明：
实施例1
本实施例的结构如图2所示，它包括：八个驻波管1、八个室温端冷却器2、八个热声回热器3、八个高温端加热器4、行波环路5、声功输出管道6。其特征在于：每个驻波管1与行波环路5垂直相交，在交汇处放置由室温端冷却器2、热声回热器3和高温端加热器4依次相连组成的热声核单元A。
本实施例中，热声回热器3的温度梯度方向(即由低温端指向高温端的方向)与行波环路5中声功传播方向一致，声功经过多级热声核单元A逐级放大。
本实施例中，驻波管1与行波环路5中声波振荡频率相同，驻波管1为1/4波长管，即驻波管1的长度为驻波管中声波波长的1/4，热声核单元A位于驻波管1中压力波幅附近(即速度节点附近)。
本实施例中，驻波管1提供的驻波成分与行波环路5提供的行波成分在热声核单元A处正交叠加，热声核单元A位于驻波管1中压力波幅附近(即速度节点附近)，有效利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各级热声核单元A均工作于高阻抗行波相位区，实现高效热声转换，同时提高声功流密度。
本实施例中，使用弹性膜作为直流抑制器7，抑制直流效应，弹性膜选用有机材料硅胶制作的弹性膜。
本实施例中，使用氮气作为工作介质。
实施例2
本实施例的结构如图3所示，它包括：三个驻波管1、六个室温端冷却器2、六个热声回热器3、六个高温端加热器4、行波环路5、声功输出管道6。其特征在于：每个驻波管1与行波环路5在两个位置垂直相交，在各交汇处放置由室温端冷却器2、热声回热器3和高温端加热器4依次相连组成的热声核单元A。
本实施例中，驻波管1与行波环路5中声波振荡频率相同，驻波管1为全波长管，热声核单元A位于驻波管1中压力波幅附近(即速度节点附近)。
本实施例中，热声回热器3的温度梯度方向与行波环路5中声功传播方向一致，声功经过多级热声核单元A逐级放大。
本实施例中，驻波管1提供的驻波成分与行波环路5提供的行波成分在热声核单元A处正交叠加，热声核单元A位于驻波管1中压力波幅附近(即速度节点附近)，有效利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各级热声核单元A均工作于高阻抗行波相位区，实现高效热声转换，同时提高声功流密度。
本实施例中，使用喷射泵作为直流抑制器7，抑制直流效应。
本实施例中，使用氦气作为工作介质。

Claims (10)

1.一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机，包括：行波环路(5)、设置在行波环路上的声功输出管道(6)、一个或多个驻波管(1)，其特征在于：所述一个或多个驻波管(1)与所述行波环路(5)垂直相交，在交汇处设置由室温端冷却器(2)、热声回热器(3)和高温端加热器(4)依次相连组成的热声核单元(A)，所述驻波管(1)提供的驻波成分与所述行波环路(5)提供的行波成分在所述热声核单元(A)处正交叠加，在叠加处利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得所述热声核单元(A)工作于高阻抗行波相位区。
2.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于：所述热声核单元(A)位于驻波管(1)中压力波幅附近。
3.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于：所述一个或多个驻波管(1)与行波环路(5)中声波振荡频率相同。
4.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于：所述的驻波管(1)为1/4波长管。
5.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于：所述的驻波管(1)为全波长管，所述驻波管在两个压力波幅处与行波环路(5)垂直相交。
6.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于：所述热声回热器(3)的温度梯度方向与行波环路(5)中声功传播方向一致，声功在行波环路(5)中经各级热声回热器(3)逐级放大，所述温度梯度方向指由低温端指向高温端的方向。
7.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于：还包括安装于所述的行波环路(5)中的直流抑制器(7)。
8.如权利要求1或7所述的热声发动机，其特征在于：所述的直流抑制器(7)为金属弹性膜、有机弹性膜或喷射泵。
9.如权利要求8所述的热声发动机，其特征在于：所述的有机弹性膜为硅胶、橡胶或聚酯塑料制作的弹性膜片；所述的金属弹性膜为弹簧钢、铍青铜或不锈钢制作的弹性膜片。
10.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于：使用氮气、氦气、二氧化碳、氩气或氢气中的一种或者多种气体组成的混合气体作为工作介质。
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