CN102748255A - 一种多缸热磁热声发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多缸热磁热声发电系统，具有至少三个基本单元，每个所述基本单元包括热声转换装置、热磁发电装置和谐振装置，所述热声转换装置包括依次连通的主换热器、回热器和加热器；热磁发电装置包括导磁体、永磁体和线圈；永磁体安装在导磁体的端部；线圈绕设在导磁体的外部；谐振装置包括U型管及其内部的U型液柱；每个基本单元中的谐振装置的U型管的一端部与热声转换装置的加热器连通，每个基本单元中的谐振装置的U型管的另一端部与另一基本单元的主换热器连通。本发明公开的多缸热磁热声发电系统中，除U型液柱以外，没有任何的机械运动部件，结构简单，与现有技术相比，减少了生产制造成本，同时提高了使用寿命。

Description

一种多缸热磁热声发电系统

技术领域

本发明实施例涉及能源动力技术，尤其是涉及一种多缸热磁热声发电系统。

背景技术

声波在气体中传播时，会使传播介质气体产生压力、位移和温度的波动。当该气体与固定边界相作用时，会引发声波能量与热能之间的转换，这就是热声效应。

热声系统就是利用热声效应原理设计的一种能量转换系统，可以将热能转化为声波能量，或者将声波能量转换成热能，热声系统包括热声发电系统和热声制冷系统。

上述热声系统以空气、氦气或氮气等惰性气体作为工作介质，具有高效、安全、使用寿命长的优点，因此获得了人们的广泛关注。

参考图1，图1为现有的热声发电系统的结构示意图。

如图1所示，该热声发电系统包括三个基本单元，每个基本单元包括直线电机1a和热声转换装置2a。

直线电机1a包括气缸11a、活塞12a、活塞杆13a、电机外壳14a、静子15a、动子16a和板簧17a。

静子15a与电机外壳14a的内壁固定连接，动子16a与静子15a间隙配合，活塞杆13a与动子16a固定连接，活塞杆13a与板簧17a固定连接，直线电机1a工作时，动子16a通过活塞杆13a带动活塞12a在气缸11a内作直线往复运动。

热声转换装置2a包括依次连通的主换热器21a、回热器22a和加热器23a。主换热器21a与一个直线电机1a的气缸内腔，即压缩腔18a连通，加热器23a与另一个直线电机1a的气缸内腔，即膨胀腔19a连通，各热声转换装置2a与各直线电机1a顺序相连，这样，该热声转换装置就组成了一个工质流动的环路。

该热声发电系统工作时，声波在回热器22a和加热器23a内吸收热能转换为声波能量，声波能量被放大再从加热器23a出来，进入直线电机1a的膨胀腔19a，推动活塞12a运动，声波能量在活塞12a处被分成两部分，一部分进入压缩腔18a，反馈进入另一个回热器22a，剩余部分通过直线电机1a转换为输出电功。

在进行本发明的研究过程中，发明人发现如下技术缺陷：该热声发电系统是通过直线电机1a将热能转换为电能输出，然而，该热声发电系统引入了气缸11a、活塞12a等机械运动部件，为了使该热声发电系统正常工作，必须使气缸11a与活塞12a之间保持高精度的间隙配合，因而对气缸11a和活塞12a的加工制造提出了很高的要求，进而会增加该热声发电系统的生产制造成本，并且也降低了该热声发电系统的使用寿命。

发明内容

本发明实施例提供了一种多缸热磁热声发电系统，用以解决现有技术中的缺陷，能够降低生产成本，提高使用寿命。

本发明提供了一种多缸热磁热声发电系统，具有至少三个基本单元，每个所述基本单元包括热声转换装置、热磁发电装置和谐振装置，所述热声转换装置包括依次连通的主换热器、回热器和加热器；

所述热磁发电装置包括导磁体、永磁体和线圈；所述永磁体安装在所述导磁体的端部；所述线圈绕设在所述导磁体的外部；

所述谐振装置包括U型管及其内部的U型液柱；每个所述基本单元中的谐振装置的U型管的一端部与热声转换装置的加热器连通，每个所述基本单元中的谐振装置的U型管的另一端部与另一基本单元的热声转换装置的主换热器连通，形成声功传播的环路结构。

本发明提供的多缸热磁热声发电系统，具有至少三个基本单元，每个所述基本单元包括热磁发电装置、热声转换装置和谐振装置，所述谐振装置包括U型管及其内部的U型液柱，本发明提供的多缸热磁热声发电系统中，除U型液柱以外，没有任何的机械运动部件，结构简单，与现有技术相比，减少了生产制造成本，同时提高了使用寿命。另外该多缸热磁热声发电系统可以吸收热能直接向外输出电能，也非常便于实际应用。

附图说明

图1为现有的热声发电系统的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的多缸热磁热声发电系统的结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的多缸热磁热声发电系统的结构示意图；

图4为本发明第三实施例提供的多缸热磁热声发电系统的结构示意图；

图5为本发明第四实施例提供的多缸热磁热声发电系统的结构示意图。

附图标记：

1-热磁发电装置    11-软磁体          12-线圈

13-永磁体         14-次换热器        15-硅钢片

2-热声转换装置    21-主换热器        22-回热器

23-加热器         3-谐振装置         31-单U型管

32-单U型液柱    33-双U型管    34-双U型液柱

35-调相腔

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的多缸热磁热声发电系统，具有至少三个基本单元，每个所述基本单元包括热声转换装置、热磁发电装置和谐振装置，热声转换装置包括依次连通的主换热器、回热器和加热器；热磁发电装置包括导磁体、永磁体和线圈；永磁体安装在导磁体的端部；线圈绕设在所述导磁体的外部；谐振装置包括U型管及其内部的U型液柱；每个基本单元中的谐振装置的U型管的一端部与热声转换装置的加热器连通，每个基本单元中的谐振装置的U型管的另一端部与另一基本单元的热声转换装置的主换热器连通，形成声功传播的环路结构。

本发明实施例提供的多缸热磁热声发电系统中，除U型液柱以外，没有任何的机械运动部件，结构简单，与现有技术相比，减少了生产制造成本，同时提高了使用寿命。另外该多缸热磁热声发电系统可以吸收热能直接向外输出电能，也非常便于实际应用。

在上述技术方案的基础上，谐振装置的设计形式可以有多种，谐振装置具有一个、两个或多个内腔。谐振装置可以为单U型管或双U型管结构，其内具有单U型液柱或双U型液柱；内腔形成在U型液柱的两端。其中，未连通的内腔具有气体弹簧的作用，可以调节系统的工作频率和相位。环路结构配合适当的基本单元的数量，可以提高工作效率。为了使本领域的人员更好地理本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参照图2，图2为本发明第一实施例提供的多缸热磁热声发电系统的结构示意图。

在本发明的第一实施例中，多缸热磁热声发电系统包括三个基本单元，图2中只标示出了图中靠近左下端的基本单元中的各个部件的标号，由于其他两个基本单元的部件与该基本单元完全相同，为了简化附图，在图2中没有标示出其他相同的部件。

每个基本单元包括热磁发电装置1、热声转换装置2和谐振装置3。每个基本单元中，热磁发电装置1包括软磁体11、线圈12和永磁体13。

软磁体11为软磁材料，软磁体11具有特别的物理性质，当温度低于某临界温度时，软磁体11是一种铁磁体，其剩磁和矫顽力都很小，易磁化、易去磁、且磁滞回线较窄，非常适合作为电机、变压器、电磁铁等电器的铁芯使用；当温度高于某临界温度时，软磁材料转变成顺磁材料，顺磁材料的磁化率非常低。

热声转换装置2包括依次连通的主换热器21、回热器22、加热器23。

谐振装置3包括单U型管31以及单U型管31内的单U型液柱32。

具体的，在本实施例中，软磁体11布设于所述单U型液柱的内部，软磁体11的一端临近单U型管31的一端，软磁体11的另一端邻近单U型管31的另一端线圈12绕设在单U型管31的外壁上，永磁体13安装在靠近软磁体11的两端的位置，形成磁通环路。

在每个基本单元中，热声转换装置2的加热器23与谐振装置3的单U型管31的一端连通，单U型管31的另一端与另一基本单元中的热声转换装置2的主换热器21连通。可以看出，热磁发电装置1和谐振装置3组成形成声功传播的环路结构。

需要说明的是，上述技术方案中，热磁发电装置1中还也可以具有次换热器14，对应的位置和连接关系是，热声转换装置2的加热器23与谐振装置3的单U型管31的一端连通，单U型管31的另一端与次换热器14连通，同时，次换热器14与另一基本单元中的热声转换装置2的主换热器21连通；软磁体11的一端紧邻加热器23，软磁体11的另一端紧邻次换热器14。

需要说明的是，热声转换装置2两端的体积流相位差在90度至150度的范围内时，热声转换装置2的热声转换效率较高。

下面具体说明本实施提供的多缸热磁热声发电系统的声功传播路径：

由于热转换装置2的主换热器21一端的体积流与加热器23一端的体积流相位差为120度，使得热声转换装置2能够获得较高的热声转换效率。

同时，由于相位差是120度，使得热声转换装置2和谐振装置3组成的环路中，热声转换装置2的主换热器21一端的体积流领先于加热器23一端的体积流，所以热声转换装置2中的声功是从回热器22向加热器23方向流动。

下面具体说明本实施例提供的多缸热磁热声发电系统的工作过程：

该多缸热磁热声发电系统工作时，热声转换装置2的主换热器21和热磁发电装置1的次换热器14处于室温状态，加热热声转换装置2的加热器23，当加热器23的温度达到临界值后，声功由主换热器21进入回热器22，声波吸收热量后声功被放大，进入谐振装置3的单U型管31内，进而单U型液柱32作往复运动，剩余的声功从单U型管31另一端的次换热器14反馈进入另一个基本单元中的热声转换装置2的主换热器21。

当单U型液柱32在加热器23与次换热器14之间往复运动时，通过与二者的换热，使得单U型液柱32温度呈现周期性的变化。同时，单U型管31内部的软磁体11与单U型液柱32换热，使得软磁体11的温度也在周期性变化。

将软磁体11的温度控制在临界温度点附近，当软磁体11的温度升高时，软磁体11是顺磁体，软磁体11内部的磁通量减小。当软磁体11的温度降低时。软磁体11是铁磁体，在永磁体13的磁化下，软磁体11内部的磁通量增加，对应地，线圈12内磁通量在发生周期性变化，从而使线圈12向外输出电能。

通过上述表述可以看出，在本实施例提供的多缸热磁热声发电系统中，除单U型液柱32以外，没有任何的机械运动部件，结构简单，与现有技术相比，减少了生产制造成本，同时提高了使用寿命。另外该多缸热磁热声发电系统可以吸收热能直接向外输出电能，也非常便于实际应用。

需要说明的是，为了配合气体工质相位关系以达到最高工作效率，本实施例中基本单元的数量优选为三个或四个。

参考图3，图3为本发明第二实施例提供的多缸热磁热声发电系统的结构示意图。

在本发明第二实施例中，本发明提供的多缸热磁热声发电系统与第一实施例提供的多缸热磁热声发电系统结构和原理基本相同，区别点如下所述：

在本实施例中，基本单元的数量为四个，热磁发电装置1的次换热器14位于单U型管31的单U型液柱32中。

导磁体包括软磁体11和硅钢片15，软磁体11布置在单U型液柱32内靠近单U型管的一端，软磁体11的一端紧邻加热器23，软磁体11的另一端紧邻次换热器14。

硅钢片15具有两个开口端，软磁体11位于硅钢片15的一个开口端内，永磁体13位于硅钢片15的另一个开口端内，永磁体13的两极分别与硅钢片15的开口端面紧邻，线圈12绕在硅钢片15上。

本实施例提供的多缸热磁热声发电系统的工作原理与第一实施例相同，在此不再赘述。

同样，本实施例中，基本单元的数量优选为三个或四个。

参考图4，图4为本发明第三实施例提供的多缸热磁热声发电系统的结构示意图。

在第三实施例中，本发明提供的多缸热磁热声发电系统与第一实施例提供的多缸热磁热声发电系统结构和原理基本相同，区别点如下所述：

在本实施例中，基本单元的数量为四个，单U型管31的一端高于另外一端，单U型管的两端具有两个内腔。

热磁发电装置1的次换热器14位于单U型管31较高一端的内腔中。

导磁体包括软磁体11和硅钢片15，软磁体11位于单U型管31较高一端的内腔中，软磁体11的一端紧邻加热器23，软磁体11的另一端紧邻次换热器14。

硅钢片15具有两个开口端，软磁体11位于硅钢片15的一个开口端内，永磁体13位于硅钢片15的另一个开口端内，永磁体13的两极分别与硅钢片15的开口端面紧邻，线圈12绕在硅钢片15上。

在本实施例中，因为位于软磁体11间隙内的气体在加热器23与次换热器14之间往复运动，气体的温度呈现周期性变化，软磁体11则通过与该部分气体进行换热获得温度波动，从而实现在铁磁体和顺磁体之间转变。当软磁体11变成铁磁体时，磁环路内的磁通量增加，当软磁体11变成顺磁体时，磁环路内的磁通量减少，磁通量的变化使发电线圈感应出电流向外输出电能。在本实施例中，软磁体11通过其间隙内的气体换热，实现温度的周期性变化，没有与单U型液柱32接触换热，减少软磁体11与单U型液柱32之间流动时阻力，更有利于提高系统的效率。

同样，本实施例中，基本单元的数量优选为三个或四个。

参考图5，图5为本发明第四实施例提供的多缸热磁热声发电系统的结构示意图。

在第四实施例中，本发明提供的多缸热磁热声发电系统与第三实施例提供的多缸热磁热声发电系统结构和原理基本相同，区别点如下所述：

在本实施例中，基本单元的数量为五个，谐振装置3包括并列的双U型管33和双U型管33内部的双U型液柱34。双U型管33的中部管路合为一体，双U型管33的中端部高于两端部，在双U型管33的三个端部形成三个内腔，软磁体11和次换热器14依次设置与中端部的内腔中，其中两端部的内腔中一个内腔与另一基本单元中的热声转换装置的加热器连通，两端部内腔中的另一个内腔为具有一定容积的调相腔35。

由于本实施例中，基本单元的数量为五个，每个基本单元中，热声转换装置2的主换热器21和加热器23和之间的体积流相位差为72度，不利于热声转换装置2获得较高的热声转换效率，因此双U型管33中设置了一个调相腔35，调相腔35具有气体弹簧的作用，可以调节多缸热磁热声发电系统的工作频率和相位，使热声转换装置2两端的体积流相位差在90-150度的范围内，使其具有更好的工作性能。

显然，本实施例中的多缸热磁热声发电系统也具有上述第三实施例中的多缸热磁热声发电系统的技术效果，在此不再赘述。

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 (10)

1.一种多缸热磁热声发电系统，其特征在于，具有至少三个基本单元，每个所述基本单元包括热声转换装置、热磁发电装置和谐振装置，所述热声转换装置包括依次连通的主换热器、回热器和加热器；

所述热磁发电装置包括导磁体、永磁体和线圈；所述永磁体安装在所述导磁体的端部；所述线圈绕设在所述导磁体的外部；

所述谐振装置包括U型管及其内部的U型液柱；每个所述基本单元中的谐振装置的U型管的一端与热声转换装置的加热器连通，每个所述基本单元中的谐振装置的U型管的另一端与另一基本单元的热声转换装置的主换热器连通，形成声功传播的环路结构。

2.根据权利要求1所述的多缸热磁热声发电系统，其特征在于，所述U型管为单U型管，所述U型液柱为单U型液柱。

3.根据权利要求2所述的多缸热磁热声发电系统，其特征在于，所述导磁体为软磁体，所述软磁体布设于所述单U型液柱的内部，所述软磁体的一端紧邻所述加热器；

所述线圈绕设在所述单U型管的外部，所述永磁体安装在靠近所述软磁体的两端的位置，形成磁通环路。

4.根据权利要求3所述的多缸热磁热声发电系统，其特征在于，所述热磁发电装置还包括次换热器，所述次换热器一端与所述单U型管的一端连通，所述次换热器的另一端与另一基本单元中的热声转换装置的主换热器连通；所述软磁体的另一端紧邻所述次换热器。

5.根据权利要求2所述的多缸热磁热声发电系统，其特征在于，所述热磁发电装置还包括位于所述单U型管内部的次换热器；

所述导磁体包括硅钢片和软磁体；所述软磁体布设于所述单U型液柱的内部，所述软磁体的一端紧邻所述加热器，所述软磁体的另一端紧邻所述次换热器；

所述硅钢片具有两个开口端，所述软磁体位于所述硅钢片的一个开口端内，所述永磁体位于所述硅钢片的另一个开口端内，所述线圈绕在所述硅钢片上。

6.根据权利要求5所述的多缸热磁热声发电系统，其特征在于，所述单U型管的两端具有两个内腔；所述次换热器位于所述单U型管的一个内腔中。

7.根据权利要求1所述的多缸热磁热声发电系统，其特征在于，所述U型管为并列的双U型管，所述U型液柱为双U型液柱。

8.根据权利要求7所述的多缸热磁热声发电系统，其特征在于，所述双U型管具有三个内腔，所述内腔分别形成在所述双U型管的三个端部，其中一个内腔与另一基本单元中的热声转换装置的加热器连通；所述热磁发电装置还包括位于所述双U型管的内腔中的次换热器；

所述导磁体包括硅钢片和软磁体；所述软磁体位于所述双U型管的一个端部的内腔中，所述软磁体的一端紧邻所述加热器，所述软磁体的另一端紧邻所述次换热器；

所述硅钢片具有两个开口端，所述软磁体位于所述硅钢片的一个开口端内，所述永磁体位于所述硅钢片的另一个开口端内，所述线圈绕在所述硅钢片上。

9.根据权利要求8所述的多缸热磁热声发电系统，所述三个内腔中的一个未与所述基本单元中的其他部件连通的内腔为调相腔。

10.根据权利要求8或9所述的多缸热磁热声发电系统，其特征在于，所述基本单元的数量为四个或五个。

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