CN103758715A - 热声热机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热声热机系统，包括多个相同的热声热机环路结构，每个所述热声热机环路结构包括至少三个能够进行热声转换的热声热机单元；每个所述热声热机环路结构中的热声热机单元相互连接形成气体工质循环流动的环路结构；所述多个热声热机环路结构的几何中心重合，且各热声热机环路结构中的热声热机单元交错设置。本发明提供的热声热机系统，通过设置多个相同的几何中心重合的热声热机环路结构，各环路结构中的热声热机单元交错设置，这样，对应位置的热声热机单元中的直线电机的工作相位相同时，可相互抵消电机壳体的振动。

Description

热声热机系统

技术领域

本发明涉及能量转换装置技术，尤其涉及一种热声热机系统。

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动机和热声制冷机，热声发动机和热声制冷机是以空气、氮气或氦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。

图1为现有的热声系统的结构示意图，如图1所示，该热声系统包括三个基本的热声热机单元，每个热声热机单元包括直线电机a1和热声转换装置a2。

直线电机a1包括气缸a11、活塞a12、活塞杆a13、电机外壳a14、定子a15、动子a16和板簧a17。

定子a15与电机外壳a14的内壁固定连接，动子a16与定子a15间隙配合，活塞杆a13与动子a16固定连接，活塞杆a13与板簧a17固定连接，直线电机a1工作时，动子a16通过活塞杆a13带动活塞a12在气缸a11内作直线往复运动。

热声转换装置a2包括依次连接的主水冷器a21、回热器a22和主换热器a23，主水冷器a21与一个直线电机a1的气缸内腔，即压缩腔a18连通，主换热器a23与另一个直线电机的气缸内腔，即膨胀腔a19连通，各热声转换装置a2与直线电机a1顺序连接，这样，该各热声热机单元相互连接组成一个工质循环流动的环路结构。

该热声系统作为制冷机工作时，接通直线电机a1的电源，动子a16带动活塞a12在气缸a11内往复运动，产生声波能量进入主水冷器a21，通过回热器a22，在回热器a22内声波能量被消耗掉大部分，产生制冷效应，使主换热器a23降温，剩余声波能量再从主换热器a23出来，反馈给另一个直线电机的膨胀腔a19，再传递给第二个直线电机a1的活塞a12。

该热声系统作为发动机工作时，声波在回热器a22和主换热器a23内吸收热能转换为声波能量，声波能量被放大再从主换热器a23出来，进入直线电机a1的膨胀腔a19，推动活塞a12运动，声波能量在活塞a1处被分成两部分，一部分进入压缩腔a18，反馈进入另一回热器a22，剩余部分通过直线电机a1转换为输出电功。

但是，该热声系统是由多个热声热机单元组成的环路结构，环路结构中各热声热机单元中直线电机活塞的相位不同（即运动位置不同），一个环路结构中热声热机单元的数量决定相位差的大小，上述系统中有三个热声热机单元，各活塞的相位差为120°，由于环路结构中各电机相位不同，在动力特性上，产生的振动不能彼此抵消，因此，整个热声系统存在较大的振动。

发明内容

本发明提供一种热声热机系统，能够抵消各热声热机单元中电机外壳的振动。

本发明提供一种热声热机系统，包括多个相同的热声热机环路结构，每个所述热声热机环路结构包括至少三个能够进行热声转换的热声热机单元；

每个所述热声热机环路结构中的热声热机单元相互连接形成气体工质循环流动的环路结构；

所述多个热声热机环路结构的几何中心重合，且各热声热机环路结构中的热声热机单元交错设置。

本发明提供的热声热机系统，通过设置多个相同的几何中心重合的热声热机环路结构，各环路结构中的热声热机单元交错设置，这样，对应位置的热声热机单元中的直线电机的工作相位相同时，可相互抵消电机壳体的振动。

附图说明

图1为现有技术中热声热机系统的原理示意图；

图2为本发明提供的热声热机系统的结构示意图；

图3A为本发明提供的热声热机系统中第一种结构（主换热器为管束式换热器）的热声热机单元示意图；

图3B为本发明提供的热声热机系统中第一种结构（主换热器为翅片式换热器）的热声热机单元示意图；

图3C为本发明提供的热声热机系统中第一种结构（主换热器为壳管式换热器）的热声热机单元示意图；

图4A为本发明提供的热声热机系统中第二种结构（主换热器为管束式换热器）的热声热机单元示意图；

图4B为本发明提供的热声热机系统中第二种结构（主换热器为翅片式换热器）的热声热机单元示意图；

图4C为本发明提供的热声热机系统中第二种结构（主换热器为壳管式换热器）的热声热机单元示意图；

图5A为本发明提供的热声热机系统中第三种结构（主换热器为管束式换热器）的热声热机单元示意图；

图5B为本发明提供的热声热机系统中第三种结构（主换热器为翅片式换热器）的热声热机单元示意图；

图5C为本发明提供的热声热机系统中第三种结构（主换热器为壳管式换热器）的热声热机单元示意图；

图6为本发明实施例一提供的热声热机系统的结构示意图；

图7为本发明实施例一提供的热声热机系统中直线电机的结构示意图；

图8为本发明实施例一提供的热声热机系统中连接基座的结构示意图；

图9为本发明实施例一提供的热声热机系统的整体结构示意图；

图10为本发明实施例二提供的热声热机系统的结构示意图；

图11为本发明实施例二提供的热声热机系统的整体结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种热声热机系统，该热声热机系统包括有多个相同的热声热机环路结构，每个热声热机环路结构包括至少三个能够进行热声转换的热声热机单元，每个热声热机环路结构的各热声热机单元相互连接形成气体工质循环流动的环路结构；如图2中包括有两个热声热机环路结构，热声热机单元A、热声热机单元B及热声热机单元C组成一个环路结构，热声热机单元A’、热声热机单元B’及热声热机单元C’组成另一个环路结构，每一个环路结构都是一个气体工质循环流动的环路。当然，每个环路机构并不限于三个热声热机单元，也可为四个或更多个。

本发明提供的热声热机系统中，多个热声热机环路结构的几何中心重合，且各热声热机环路结构中的热声热机单元交错设置，这样，工作时，使对应位置的热声热机单元中的直线电机的相位相同，可抵消因各电机存在相位差所引起的振动。如图2中，一个环路结构中的热声热机单元A、热声热机单元B及热声热机单元C与另一个环路结构中的热声热机单元A’、热声热机单元B’及热声热机单元C’交错设置，且热声热机单元A与热声热机单元A’对应，热声热机单元B与热声热机单元B’对应，热声热机单元C与热声热机单元C’对应，工作时，使各对应位置的热声热机单元中直线电机的活塞运动相位相同，可抵消电机壳体的振动。

本发明提供的热声热机系统，每个热声热机环路结构中，热声转换装置中两端的体积流相位差为120度，有利于提高热声转换效率。

本发明提供的热声热机系统中，各热声热机单元结构相同，但热声热机单元的结构有多种，组成环路的连接方式也不同，下面介绍热声热机单元的具体结构：

第一种结构

该种结构中，热声热机单元包括热声转换装置及直线电机，热声转换装置与直线电机连接形成U形结构。具体的，热声转换装置包括依次连通的主换热器、回热器及主水冷器，直线电机包括气缸及所述气缸中往复运动的活塞，所述活塞将所述气缸内的腔体分隔形成压缩腔及膨胀腔；

每个热声热机环路结构中，每个热声热机转换装置中的主换热器及主水冷器分别与不同直线电机中的膨胀腔及压缩腔连通，以形成工质循环流动的环路结构。

具体如图3A所示，直线电机1a的气缸11a中，活塞12a的两侧分别形成压缩腔13a及膨胀腔14a，热声转换装置2a包括依次连通的主水冷器21a、回热器22a、及主换热器23a，其中，主水冷器21a与压缩腔13a连通，主换热器23a与不同直线电机的膨胀腔14a连通（同样的，膨胀腔14a与不同热声转换装置中的23a连通），形成工质循环流动的环路结构。

图3B及图3C所示的热声热机单元的结构与图3A基本相同，都形成U形结构，不同的是，这三种热声热机单元中的主换热器不同，图3A中的主换热器23a为管束式换热器，即采用耐高温材料（主要指作为发动机使用时）或耐低温材料（主要指作为制冷机使用时）的管束制作而成；图3B中的主换热器23b为翅片式换热器，即采用紫铜、铝或铝黄铜等导热系数高的材料制作而成的翅片式结构；图3C中的主换热器23c为壳管式换热器，即换热器包括多根轴向密布的细管，细管内部供热机工质流动，细管外侧供传热介质流动。

第二种结构

该种结构中，热声转换装置与直线电机同轴设置（主要是指热声转换装置的回热器与直线电机的活塞同轴），具体是，热声转换装置包括依次连通的主换热器、回热器及主水冷器，直线电机包括气缸及所述气缸中往复运动的活塞，与气缸连通设置有内套筒，内套筒外侧套设有外套筒，所述内套筒内部形成膨胀腔，所述活塞背离所述膨胀腔的一侧形成压缩腔；

热声转换装置中的回热器套设在所述内套筒与所述外套筒之间，主换热器及主水冷器分别在回热器的两侧，并且热声转换装置中的主换热器与直线电机中的膨胀腔连通，主水冷器与压缩腔连通。

每个热声热机环路结构中，各热声热机单元中的压缩腔通过管路互相连通。

具体如图4A所示，热声转换装置2d包括依次连通的主换热器21d、回热器22d及主水冷器23d，直线电机1d包括气缸11d及气缸11d中往复运动的活塞12d，与气缸11d连通设置有内套筒24d，内套筒24d外侧套设有外套筒25d，内套筒24d内部形成膨胀腔14d，活塞12d背离膨胀腔14d的一侧形成压缩腔13d；

热声转换装置2d中的回热器22d套设在内套筒24d与外套筒25d之间，即回热器22d为环形结构，与直线电机的气缸同轴设置，主换热器23d及主水冷器21d分别在回热器22d的两侧，并且主换热器23d与膨胀腔14d连通，主水冷器21d与压缩腔13d连通。

每个热声热机环路结构中，各热声热机单元的压缩腔13d通过管路15d相互连通，形成工质循环流动的环路结构。

图4B及图4C所示的热声热机单元的结构与图4A基本相同，不同的是，图4A中的主换热器23d为管束式换热器，图4B中的主换热器23e为翅片式换热器，图4C中的主换热器23f为壳管式换热器。

第三种结构

该结构中，热声转换装置与直线电机也是同轴设置，与上述实施例二不同的是，实施例二中的各热声热机单元通过压缩腔连通形成工质循环流动的环路结构，而本实施例中的各热声热机单元通过膨胀腔连通形成工质循环流动的环路结构。

具体如图5A所示，热声转换装置2g中的回热器22g套设在内套筒24g与外套筒25g之间，与直线电机的活塞同轴设置，主换热器23g与膨胀腔14g连通，主水冷器21g与压缩腔13g连通。

图5A所示的结构中，主换热器23g为管束式换热器，其连接比较灵活，因此，每个热声热机环路结构中，各热声热机单元的膨胀腔14g可通过管束式换热器相互连通，形成工质循环流动的环路结构。

图5B及图5C所示的热声热机单元的结构与图5A基本相同，不同的是，图5A中的主换热器23g为管束式换热器，各热声热机单元的膨胀腔14g通过主换热器23g相互连通；图5B中的主换热器23h为翅片式换热器，各热声热机单元的膨胀腔14h通过管路15h相互连通；图5C中的主换热器23i为壳管式换热器，各热声热机单元的膨胀腔14i通过管路15i相互连通。

上述各不同结构的热声热机单元，有着不同的特点，第一种结构的热声热机单元，热声热机装置与直线电机形成U型结构，U型结构可以灵活的进行结构设计，但结构相对比较松散；第二种结构及第三种结构的热声热机单元，热声转换装置与直线电机形成同轴型结构，其中，第二种结构中，压缩腔侧设置有连接管以互相连通，端部的主换热器结构简单，第三种结构中，膨胀腔互相连通，其压缩腔侧无管路，结构相对简单，工质流动性相对较好。每一种结构的热声热机单元中，主换热器根据应用的需要，可以设置为管束式换热器、翅片式换热器或壳管式换热器。

下面以上述第三种结构（同轴型且膨胀腔互相连通）的热声热机单元组成的热声热机系统为例进行详细说明。

实施例一

如图6所示，本实施例提供的热声热机系统包括有多个热声热机环路结构，每个热声热机环路结构中的热声热机单元包括有直线电机1及热声转换装置2，直线电机1与热声转换装置2同轴设置，该实施例提供的热声转换装置2中的主换热器为翅片式换热器（也可为壳管式换热器），其具体结构见上述热声热机单元的第三种结构的描述。

本实施例中，直线电机1的具体结构见图7所示，该直线电机1包括动子组件11、定子组件12、连接法兰13及阶梯活塞14组成，连接法兰13可为定子组件12提供定位连接面，同时也为直线电机在系统中的装配提供接口，本实施例中，连接法兰13可与气缸15做成一体，以提高两者的同轴度；阶梯活塞14为系统提供不同大小的工作活塞面积，使得在相同的活塞位移下获得不同的体积流率，并起到气体的压力波动与活塞的直线往复运动的转换作用。

本实施例提供的热声热机系统还包括连接基座3及背盖4，连接基座3为热声转换装置2及直线电机1提供安装平台。

连接基座3的具体结构件图8所示，该连接基座3上设置有多个安装座31，用于安装同轴设置的热声转换装置2及直线电机1；在各安装座31之间设置有冷却通道32，用于通冷却水以冷却各热声转换装置中的主水冷器，冷却水从进水口33进入，流经冷却通道32，从出水口34中流出。

背盖4用于密封循环流动的气体工质，为系统提供工作环境，具体是背盖4可与连接基座3等组合形成一个密封容器，气体工质在该密封容器中流动。

如图6所示，本实施例提供的热声转换系统中，各热声热机单元中的膨胀腔通过连接管路5连接，连接组成的整体结构见图9所示，该系统形成有两个环路结构，每个环路结构中设置有三个热声热机单元，两个环路结构中的热声热机单元相互交错设置，工作状态时，对应位置的直线电机的活塞运动相位相同，可以抵消电机振动。在实际应用中，可引入三相交流电作为输入电源，直接使直线电机的活塞获得理想的相位差。

实施例二

本发明实施例二还提供一种热声热机转换系统，如图10所示，本实施例提供的热声热机系统中，热声转换装置2’中的主换热器21’为管束式换热器，且该系统中各热声热机单元的膨胀腔直接通过管束式换热器连通，管束式换热器不仅起到连接气路的作用，同时也是膨胀腔的换热器。该系统通过管束式换热器连接形成的整体结构见图11所示，包括有多个环路结构，每个环路结构中的热声热机单元交错设置。

本实施例中的直线电机1、连接基座3及背盖4等结构与作用与上述实施例相同，在此不再赘述。

本发明提供的热声热机系统，通过设置多个相同的几何中心重合的热声热机环路结构，各环路结构中的热声热机单元交错设置，这样，对应位置的热声热机单元中的直线电机的相位相同，可相互抵消电机壳体的振动。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (11)

1.一种热声热机系统，其特征在于，包括多个相同的热声热机环路结构，每个所述热声热机环路结构包括至少三个能够进行热声转换的热声热机单元；

每个所述热声热机环路结构中的热声热机单元相互连接形成气体工质循环流动的环路结构；

所述多个热声热机环路结构的几何中心重合，且各热声热机环路结构中的热声热机单元交错设置。

2.根据权利要求1所述的热声热机系统，其特征在于，每个所述热声热机单元包括热声转换装置及直线电机，所述热声转换装置包括依次连通的主换热器、回热器及主水冷器，所述直线电机包括气缸及所述气缸中往复运动的活塞，所述活塞将所述气缸内的腔体分隔形成压缩腔及膨胀腔；

每个所述热声热机环路结构中，每个所述热声热机转换装置中的主换热器及所述主水冷器分别与不同直线电机中的膨胀腔及压缩腔连通，以形成气体工质循环流动的环路结构。

3.根据权利要求1所述的热声热机系统，其特征在于，每个所述热声热机单元包括热声转换装置及直线电机，所述热声转换装置包括依次连通的主换热器、回热器及主水冷器，所述直线电机包括气缸及所述气缸中往复运动的活塞，与所述气缸连通设置有内套筒，所述内套筒外侧套设有外套筒，所述内套筒内部形成膨胀腔，所述活塞背离所述膨胀腔的一侧形成压缩腔；

所述回热器套设在所述内套筒与所述外套筒之间，所述主换热器及所述主水冷器分别在所述回热器的两侧，所述主换热器与所述膨胀腔连通，所述主水冷器与所述压缩腔连通。

4.根据权利要求3所述的热声热机系统，其特征在于，每个所述热声热机环路结构中，各所述热声热机单元中的膨胀腔互相连通。

5.根据权利要求3所述的热声热机系统，其特征在于，每个所述热声热机环路结构中，各所述热声热机单元中的压缩腔互相连通。

6.根据权利要求2-5任一所述的热声热机系统，其特征在于，每个所述热声转换装置的主换热器为管束式换热器。

7.根据权利要求2-5任一所述的热声热机系统，其特征在于，每个所述热声转换装置的主换热器为翅片式换热器。

8.根据权利要求2-5任一所述的热声热机系统，其特征在于，每个所述热声转换装置的主换热器为壳管式换热器。

9.根据权利要求2-5任一所述的热声热机系统，其特征在于，还包括连接基座，用于安装所述多个热声热机环路结构中的热声热机单元。

10.根据权利要求9所述的热声热机系统，其特征在于，所述连接基座中设置有通冷却水的冷却通道，用以对每个所述热声热机单元中的主水冷器进行冷却。

11.根据权利要求9所述的热声热机系统，其特征在于，所述连接基座上连接设置有背盖，用以密封循环流动的气体工质。

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