CN102403447B - 一种热声驱动的热磁发电系统 - Google Patents

Abstract

一种热声驱动的热磁发电系统，其包括热声发动机和安装于热声发动机谐振管的热磁发电机；热磁发电机包括：二个室温换热器；位于该二个室温换热器间的高温换热器；安装于室温与高温换热器间的至少一导磁段；相对放置的一对块状导磁体；夹装于该对块状导磁体间一端的永磁体；导磁段夹装于该对块状导磁体间的另一端；导磁体套有线圈；每一导磁段与永磁体和该对导磁体构成一磁回路；当系统中交变流动流体在室温与高温换热器之间来回运动时，导磁段的导磁材料薄片将被加热或冷却；在居里温度附近其磁导率发生变化，从而使磁回路的磁阻和磁通量发生变化，线圈上产生感应电动势，进而产生电能；具有完全无机械运动部件，可靠性高、功率密度高等优点。

Description

一种热声驱动的热磁发电系统

技术领域

本发明涉及一种热磁发电装置，特别是一种热声驱动的热磁发电系统。

背景技术

热声发动机具有能源适应性好、无运动部件、可靠性高等优点。它是一种利用热能产生流体往复运动的装置；另外，它的工作频率很宽，一般在几赫兹至上千赫兹。热磁发电机是利用高磁导率材料在居里温度附近磁导率发生巨大变化，从而引起磁回路中通过线圈的磁通量变化，进而产生电能的装置。但是，热磁发电系统需要交替加热和冷却磁性材料，而如何实现磁性材料的快速地加热和冷却是该技术中的难点之一。一般地，如果热磁发电需要产生50Hz的交变频率发电，则需要实现的加热和冷却的频率也要达到50Hz。

中国专利申请200880010226.2公开了一种热磁发电机，如图8所示。它包括导磁材料21、普通导磁体15、16、永磁体14，导磁材料21与永磁体14、导磁体15、16构成磁回路。还包括缠绕在普通导磁体16上的线圈17、用以对导磁材料21进行加热和冷却的设备22、用以进行系统控制的单元23。当加热和冷却设备22对导磁材料21进行加热并且温度超过导磁材料21的居里温度时，导磁材料21导磁率迅速下降，由此引起整个磁回路磁阻发生变化、磁能量也发生变化。由于电磁感应线圈17中产生感应电动势，从而可以输出电功。由于无法解决导率材料21的快速加热与冷却问题，该发电系统工作频率仅为1Hz左右，功率密度较低。同时在传热时需要借助外力实现换热流体的交变运动，机械结构比较复杂，维护等成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对现有热磁发电机中存在的机械运动部件问题以及难以实现快速换热的问题，从而导致制作难度大、维护成本高、功率密度低、扩展难等问题，而提供了一种热声驱动的热磁发电系统；该热声驱动的热磁发电系统完全无机械运动部件，而且可以实现高频率加热和冷却，具有可靠性高、功率密度高、制作成本低等优点，克服了传统热磁发电技术中存在的问题，在太阳能、生物质热能以及工业废热等利用方面具有广泛的应用前景。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的热声驱动的热磁发电系统，其包括热声发动机和安装于所述热声发动机谐振管的热磁发电机；所述热声发动机用于产生交变流动的流体；所述热磁发电机利用交变流动流体的流动将热磁发电机的室温换热器与高温换热器间的热能转换成电能；

所述的热磁发电机包括：

二个室温换热器；

位于该二个室温换热器之间的高温换热器；

安装于所述室温换热器与所述高温换热器之间的至少一个导磁段；所述导磁段由多片导磁材料薄片间隔叠加而成，导磁材料薄片厚度方向上的侧面分别与室温热器及高温换热器接触，所述导磁材料薄片的居里温度小于高温度换热器的温度；

相对放置的一对块状导磁体；

夹装于所述该对块状导磁体之间一端的永磁体；

所述导磁段夹装于所述该对块状导磁体之间的另一端；

所述导磁体上套有线圈；

每一个所述的导磁段与永磁体和所述该对导磁体构成一磁回路并形成一个热磁发电单元；

当所述热声驱动的热磁发电系统中交变流动的流体在所述室温换热器与所述高温换热器之间来回运动时，导磁段的导磁材料薄片将被加热或冷却；当导磁材料温度在居里温度至居里温度之上30℃范围内的磁导率发生变化，从而使得磁回路的磁阻和磁通量发生变化，所述线圈上产生感应电动势，进而热磁发电单元产生并输出电能。

所述的热磁发电机位于谐振管气库入口处或谐振管中部。

所述导磁段沿轴向分成多段，各段导磁段居里温度不同，并且从高温换热器到室温高温换热器的各段导磁段居里温度呈阶梯下降，形成多个热磁发电单元；将多个热磁发电单元的线圈串联或并联联接输出电功。

所述的热磁发电机中的永磁体产生的磁场使用连通直流电的线圈来代替。

所述导磁材料薄片的材质为铁氧体、铁、铁系合金、坡莫合金或非晶态导磁材料，其厚度小于2倍的固体热穿透深度，该深度为其中κ为导磁材料的热扩散系数，ω为流体运动角频率。

所述热声发动机使用气体介质，热磁发电机使用液体介质。所述液体介质为水、导热油或液态金属。

所述热声发动机为环路式行波热声发动机、同轴式行波热声发动机或对置式行波热声发动机。所述热声发动机还可为驻波热声发动机。

本发明的本发明的热声驱动的热磁发电系统具有如下优点：

该热声驱动的热磁发电系统完全无机械运动部件，可以实现高频率加热和冷却，具有可靠性高、功率密度高、制作成本低、低维护几寿命长等优点，克服了传统热磁发电技术中存在的问题，在太阳能、生物质热能以及工业废热等利用方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1-1为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例1的结构示意图。

图1-2为热磁发电机的立体示意图。

图2为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例2的结构示意图。

图3为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例3的结构示意图。

图4为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例4的结构示意图。

图5为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例5的结构示意图。

图6为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例6的结构示意图。

图7为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例7的结构示意图。

图8为现有技术中的热磁发电机的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种热声驱动的热磁发电系统，包括热声发动机及安装于所述热声发动机谐振管的热磁发电机；热声发动机用以产生流体的交变流动；而热磁发电机利用热声发动机产生的交变流动在位于高低温换热器之间的一定居里温度的多片导磁材料薄片形成的流道中往复运动，加热和冷却这些导磁材料薄片，使之在居里温度附近产生磁导率的大幅变化，从而在磁回路中产生磁阻和磁通量的变化，相应的线圈将产生感应电动势，实现热电转换，进而输出电能。

实施例1：

图1-1、1-2分别为本发明热声驱动的热磁发电系统(实施例1)的结构示意和热磁发电机立体示意图，有图可知，该实施例1的热声驱动的热磁发电系统包括热声发动机及热磁发电机，所述热声发动机为行波型热声发动机；

该行波型热声发动机包括依次相连并形成行波回路的反馈管1，主室温端换热器2，回热器3，加热器4，热缓冲管5，次室温端换热器6，谐振管7及气库8；本实施例的热磁发电机安装于所述谐振管7与气库8之间的气库入口处，该位置速度振幅较大；当热量由加热器4进入行波型热声发动机后，在加热器4和主室温端换热器2之间的回热器3两端出现温度差，在回热器3轴向建立起温度梯度，当该温度梯度大于临界温度梯度时，行波型热声发动机产生自激振荡，内部的气体工质往复运动；

本实施例1的热磁发电机包括：由所述谐振管7端口起依次排列的第一室温换热器9、第一导磁段10、高温换热器11、第二导磁段12和第二室温换热器13；所述第一导磁段10位于第一室温换热器9与高温换热器11之间；第二导磁段12位于高温换热器11与第二室温换热器13之间；所述第一导磁段10和第二导磁段12分别由多片导磁材料薄片间隔叠加而成，导磁材料薄片的居里温度小于高温度换热器11的温度；导磁材料为铁氧体、铁、铁系合金、坡莫合金或非晶态导磁材料。导磁材料薄片的厚度应当小于2倍的固体热穿透深度

其中κ为导磁材料的热扩散系数，ω为流体运动角频率，可以以实现流体与固体间的快速换热；

所述热磁发电机包括相对放置的一对块状导磁体(第一块状导磁体15和第二块状导磁体16)；

夹装于所述该对块状导磁体之间一端的永磁体14；

所述导磁段12夹装于所述该对块状导磁体之间的另一端；

所述导磁体(第一块状导磁体15或/和第二块状导磁体16)上套有线圈17(本实施例在第二块状导磁体16上套有线圈17)；

每一个所述的导磁段与永磁体和所述该对导磁体构成一磁回路并形成一个热磁发电单元；

在热声发动机(本实施例为行波型热声发动机)的驱动下，热磁发电机所在位置的流体往复运动。一个周期内，当流体从左向右(由谐振管7向气库8)流动时，左侧流体先经过第一室温换热器9，流体先被冷却至室温再与第一导磁段10进行换热，第一导磁段10部分被冷却，温度下降至居里温度以下，此时第一导磁段10处于磁导率较大的状态；与此同时，右侧流体先经过高温换热器11，流体先被加热至高温再与第二导磁段12进行换热，第二导磁段12被加热，温度上升至居里温度以上后，第二导磁段12处于磁导率较小的状态；当流体从右向左时，左右侧过程正好相反；于是，在一个周期内由于第一导磁段10的磁导率发生大幅变化，导致磁回路中的磁阻发生变化、磁通量发生变化，根据电磁感应原理线圈17上产生感应电动势输出电功，实现热能到电能的转换；相应的，由于第二导磁段12的磁导率发生大幅变化，根据电磁感应原理其线圈上也会产生感应电动势输出电功，实现热能到电能的转换。

本实施例中的热声发动机采用环路形式的行波型热声发动机，本领域技术人员容易理解，也可采用同轴形式的行波型热声发动机，比如将主室温端换热器2、回热器3、加热器4、热缓冲管5和次室温端换热器6置于反馈管的内部，使结构更为紧凑。

实施例2：

图2为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例2的结构示意图。根据需要热磁发电机也可以只在高温换热器11的一侧放置第二导磁段12，另一侧保持中空；中空段的作用在于实现高温到室温的过渡。其他同实施例1。

实施例3：

图3为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例3的结构示意图。本实施例中，在热磁发电机的第一室温换热器9与高温换热器11之间放置多个导磁段(三个第一导磁段10)；在第二室温换热器13与高温换热器11之间放置多个导磁段(三个第二导磁段12)；各导磁段分别与各自的永磁体和导磁材料构成磁回路；各导磁段的居里温度从高到低阶梯下降；各热磁发电单元独立工作，各热磁发电单元上线圈可独立驱动电负载，也可按次序联接后驱动电负载，可实现热能到电能的转换。其他同实施例1。

本实施例中在第一室温换热器9与高温换热器11之间以及第二室温换热器13与高温换热器11之间均放置三个导磁段。本领在域技术人员容易理解，可在根据需要放置任意个导磁段，每一导磁段形成一个独立的热磁发电单元输出电功。

实施例4：

图4为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例4的结构示意图。在实施例1的基础上，采用在线圈17中通直流电的方式获得恒定磁场，取代实施例1中的永磁体。其他同实施例1。

实施例5：

图5为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例5的结构示意图。在实施例1的基础上，为了增大热磁发电机所在位置的速度波动幅值，采用对置式行波型热声发动机形式；热磁发电机将位于连通所述对置式行波型热声发动机的谐振管的中间位置；图中两个行波型热声发动机环路完全一样；当热量由加热器4进入发动机系统后，在加热器4和主室温端换热器2之间的回热器3两端出现温度差，在回热器3轴向建立起温度梯度，当该温度梯度大于临界温度梯度时，行波型热声发动机产生自激振荡，内部的气体工质往复运动，在谐振管内形成1/2波长的声场，该声场在中间位置为速度最大处。其他同实施例1。

实施例6：

图6为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例6的结构示意图。在实施例2的基础上，为进一步实现对第一导磁段10与第二导磁段12的快速加热和冷却，热磁发动机部分使用液体工质19。液体工质可以是导热油、水或常温下的液态金属；而热声发动机的工质仍然为气体。当热量由加热器4进入热声发动机后，在加热器4和主室温端换热器2之间的回热器3两端出现温度差，在回热器3轴向建立起温度梯度，当该温度梯度大于临界温度梯度时，行波型热声发动机产生自激振荡，内部的气体工质往复运动，从面推动热磁发电机内液体来回运动。其他同实施例5。

实施例7：

图7为本发明热声驱动的热磁发电系统实施例7的结构示意图。热声发动机除了使用行波型热声发动机外也可以使用驻波型的热声发动机来产生流体的交变流动；当热量由加热器4进入热声发动机后，在加热器4和主室温端换热器2之间的板叠20两端出现温度差，在板叠17轴向建立起温度梯度，当该温度梯度大于临界温度梯度时，驻波型热声发动机产生自激振荡，内部的气体工质往复运动。热磁发电机部分同实施例1。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种热声驱动的热磁发电系统，其包括热声发动机和安装于所述热声发动机谐振管的热磁发电机；所述热声发动机用于产生交变流动的流体；所述热磁发电机利用交变流动流体的流动将热磁发电机高温换热器的热能转换成电能；

所述的热磁发电机包括：

二个室温换热器；

位于该二个室温换热器之间的高温换热器；

安装于所述室温换热器与所述高温换热器之间的至少一个导磁段；所述导磁段由多片导磁材料薄片间隔叠加而成，导磁材料薄片厚度方向上的侧面分别与室温热器及高温换热器接触，所述导磁材料薄片的居里温度小于高温度换热器的温度；

相对放置的一对块状导磁体；

夹装于所述该对块状导磁体之间一端的永磁体；

所述导磁段夹装于所述该对块状导磁体之间的另一端；

所述一对块状导磁体中的一块或两块块状导磁体上套有线圈；

每一个所述的导磁段与永磁体和所述该对导磁体构成一磁回路并形成一个热磁发电单元；

当所述热声驱动的热磁发电系统中交变流动的流体在所述室温换热器与所述高温换热器之间来回运动时，导磁段的导磁材料薄片将被加热或冷却；当导磁材料温度在居里温度至居里温度之上30℃范围内的磁导率发生变化，从而使得磁回路的磁阻和磁通量发生变化，所述线圈上产生感应电动势，进而热磁发电单元产生并输出电能。

2.根据权利要求1所述的热声驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述的热磁发电机位于谐振管气库入口处或谐振管中部。

3.根据权利要求1所述的热声驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述导磁段沿轴向分成多段，各段导磁段居里温度不同，并且从高温换热器到室温高温换热器的各段导磁段居里温度呈阶梯下降，形成多个热磁发电单元；将多个热磁发电单元的线圈串联或并联联接输出电功。

4.根据权利要求1所述的热声驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述的热磁发电机中的永磁体产生的磁场使用连通直流电的线圈来代替。

5.根据权利要求1所述的热声驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述导磁材料薄片的材质为铁氧体、铁、铁系合金、坡莫合金或非晶态导磁材料，其厚度小于2倍的固体热穿透深度，该深度为

其中κ为导磁材料的热扩散系数，ω为流体运动角频率。

6.根据权利要求1所述的热声驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述热声发动机使用气体介质，热磁发电机使用液体介质。

7.根据权利要求6所述的热声驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述液体介质为水、导热油或液态金属。

8.根据权利要求1所述的热声驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述热声发动机为环路式行波热声发动机、同轴式行波热声发动机或对置式行波热声发动机。

9.根据权利要求1所述的热声驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述热声发动机为驻波热声发动机。

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