CN104895751A - 一种单一输出的多级行波热声发动机系统 - Google Patents

Abstract

一种单一输出的多级行波热声发动机系统，其由N个热声发动机单元、N个环路谐振管和N-1个旁路谐振管组成，N＝3～10正整数；每一单元由环路谐振管首尾相连形成环路，每一旁路谐振管分别连接负载；系统工作时，发动机回热器形成温度梯度热能转换成声功，声功沿温度梯度正方向传播放大，第一级单元放大后声功一部分由旁路谐振管输给负载，其余由环路谐振管传到下一级单元，并在下一级单元回热器中进一步放大；依次类推，第N级单元放大后声功一部分由第N-1旁路谐振管输出给负载，其余通过环路谐振管传递到第一级单元放大；如此循环，系统得以稳定运行；本发明无运动部件，结构紧凑，能量密度高，可集中输出功率，适用于驱动大型单一负载。

Description

一种单一输出的多级行波热声发动机系统

技术领域

本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种单一输出的多级行波热声发动机系统。

背景技术

热声发动机是一种利用管件和换热器在其内部获得合适的声场，并通过工作介质和回热器之间的相互作用将热能转化为声能的装置，具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长等优点，受到人们的广泛关注。根据热声转换的声场特性，热声发动机分为行波热声发动机和驻波热声发动机。行波热声发动机基于可逆的热声斯特林循环，相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言具有潜在的高效率；在行波热声发动机中，环路多级行波热声发动机由于避免了体积过大的谐振管且能够有效地回收耗散在谐振管的声功，具有结构紧凑、能量密度高、潜在效率高等优点，成为行波热声发动机研究的一个重要方向。

图1为De Block等人的WO2010107308A1公布的一种多级行波热声发动机系统。该多级行波热声发动机系统由多个相同的行波热声发动机组成，每个行波热声发动机通过谐振管相连构成一个环路。该系统能够有效地回收耗散在谐振管中的声功，结构紧凑，潜在效果高，能够单一输出声功。但是，在该热声发动机中未加入热缓冲管等结构，造成冷热气体混合损失，导致热量大量损耗在谐振管中，同时在环路系统中未安装直流抑制器，所以这种结构也未能取得较好的效果。

图2为罗二仓等人的CN103758657A提出的声学共振型行波热声发电系统结构示意图。该行波热声发电系统主要由至少三台声学共振型行波热声发动机、直线电机和谐振管组成。相比于图1的结构，该系统在热声发动机单元中增加了热缓冲管和次冷却器，并且在热缓冲管两端增加了高温端层流化丝网和低温端层流化丝网，很好的解决了热声发动机系统中冷热损失的问题；并且，该系统安装了环路直流抑制器，消除了系统的直流；由于以上两点的改变，该系统性能有明显的提高。但是，这种系统适合接入多个负载，在需要实现单一输出的场合不适用。

本发明正是基于以上存在的问题，提出了一种新型的流程，即解决了前人提出的多级行波热声发动机带来的中冷热损失、环路直流等问题，又解决了声功难于单 一输出的问题。本发明输出装置简单，集中输出，有利于系统成本的降低，有着良好的应用前景

发明内容

本发明的目的在于提供一种单一输出的多级行波热声发动机系统，其结构简单、无运动部件，系统中各热声发动机单元工作在行波相位，结构紧凑，能量密度高；采用旁通谐振管有效实现声功的集中输出，输出装置简单，具有广阔的发展前景。

本发明的技术方案如下：

如图4所示，本发明提供的单一输出的多级行波热声发动机系统：其由N级热声发动机单元、N个环路谐振管2和N-1个旁路谐振管组成，所述N＝3～10的正整数；所述N级热声发动机单元中的每一级热声发动机单元通过环路谐振管2首尾相连构成环路结构，所述每一级热声发动机单元在所述环路结构中处于行波相位；

所述每一级热声发动机单元由依次串接的直流抑制器3、主冷却器4、回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、室温端层流化元件9和次冷却器10组成；所述每一级热声发动机单元的高温端层流化元件7安装在该级热声发动机单元中热缓冲管8的高温侧，所述每一级热声发动机单元的室温端层流化元件9安装在该级热声发动机单元的热缓冲管8的室温侧，用于抑制射流；所述N-1个旁路谐振管中的每一旁路谐振管均与负载11相连；

所述每一级热声发动机单元中的加热器6与热源相连，以吸收热源热量形成高温端；所述每一级热声发动机单元的主冷却器4和次冷却器10通过水冷器冷却以维持在室温范围；每一级热声发动机单元的回热器5上高温端和室温端形成温度梯度τ，其中τ＝2～3；在温度梯度下，单一输出的多级行波热声发动机系统起振；每一级热声发动机单元的回热器5内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将热量输入到加热器6并转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播并放大；第一级热声发动机单元放大后的声功一部分通过第一旁路谐振管101输出给负载11，其余部分通过环路谐振管2传递到下一级热声发动机单元，并在下一级热声发动机单元的回热器中被进一步放大，放大后的声功一部分通过第二旁路谐振管102输出给负载11，其余部分继续通过环路谐振管2传递到再下一级热声发动机单元；依次类推，第N级热声发动机单元放大后的声功一部分通过第N-1旁路谐振管输出给负载11，其余部分通过环路谐振管2传递到第一级热声发动机单元放大；如此循环，使得单 一输出的多级行波热声发动机系统稳定运行。

所述直流抑制器3安装在每一级热声发动机单元中的主冷却器4入口和环路谐振管2的连接处，用于抑制环路结构的直流；所述直流抑制器3为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。

所述N个环路谐振管2的各环路谐振管长度相等，所述N-1个旁路谐振管中每一旁路谐振管与环路谐振管的长度比按照从大到小依次为N-1、N-2、N-3……1。

所述N-1个旁路谐振管1中每一旁路谐振管与N个环路谐振管中每一环路谐振管的管径之比等于τ-1，其中τ＝2～3。

所述的单一负载的多级行波热声发动机系统中使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。

所述负载11接于第N级热声发动机单元的次冷却器10和环路谐振管2的连接处。所述负载11为直线电机或脉管制冷机。

本发明的单一负载的多级行波热声发动机系统，其优点在于：系统环路中各个热声发动机单元都可实现行波相位，结构紧凑；相比De Block提出的多级行波热声发动机而言，本发明增加了热缓冲管和次换热器，减少了热能的损失，同时安装了直流抑制器抑制了环路中的直流；并且，本发明输出装置简单，输出功率集中，有利于系统成本的降低，在需要驱动大型单一负载的场合具有良好的应用前景。

附图说明

图1是De Block等人提出的多级行波热声发动机结构示意图；

图2是罗二仓等人提出的声学共振型行波热声发电系统结构示意图；

图3是本发明的单一负载的多级行波热声发动机系统(实施例1)结构示意图；

图4是本发明的单一负载的多级行波热声发动机系统(实施例2)结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例中对本发明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做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。

本发明能够集中输出功率，适用于驱动大型单一负载；取消了传统热声发动机体积较大的驻波谐振管，对谐振管消耗的声功进行了回收，具有潜在高效率；系统无运动部件，结构紧凑，能量密度高；输出装置简单，有利于系统成本降低。

实施例1

图3是本发明的一种单一输出的多级行波热声发动机驱动脉管制冷机系统(实施例1)结构示意图。如图3所示，本实施例1的单一输出的多级行波热声发动机系统由3级热声发动机单元组成；各级热声发动机单元通过3个环路谐振管2首尾相连而成构成环路结构，各级热声发动机单元在所述环路结构中均处于行波相位；每一级热声发动机单元均由依次相连的直流抑制器3、主冷却器4、回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、室温端层流化元件9和次冷却器10组成；

单一输出的多级行波热声发动机系统的脉管制冷机(负载11)接于#3第三级热声发动机单元中的次冷却器10的出口与环路谐振管2的连接处，脉管制冷机(负载11)同时与第一旁路谐振管101和第二旁路谐振管102相连；由于在行波热声发动机中，声波传递为一个波长，在环路中，每一环路谐振管2的长度相等，第一旁路谐振管101和第二旁路谐振管102的长度与环路谐振管2的长度之比分别为2、1，第一旁路谐振管101、第二旁路谐振管102的横截面积与环路谐振管2的横截面积之比与3级热声发动机单元内回热器5的温度梯度有关；假设3级热声发动机单元内回热器5内高温端和室温端温度之比τ均为2(实际上也可τ均为2.5)，则第一旁路谐振管101、第二旁路谐振管102的横截面积与环路谐振管2的横截面积之比均为1(此时τ为2，当然τ也可为2.5)；

每一级热声发动机单元的主冷却器4和次冷却器10均通过水冷器冷却，维持在室温范围；每一级热声发动机单元的加热器6与热源相连，维持在相等的高温；当每一级热声发动机单元的回热器5达到一定温度梯度时，单一输出的多级行波热声发动机系统起振；每一级热声发动机单元的回热器5内部工作气体与固体填料间产生热声效应，将输入到加热器6的热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播；声功传播和放大过程如下：声功在#1一级热声发动机单元的回热器中放大，放大后的声功一部分通过第一旁路谐振管101直接输出到脉管制冷机(负载)，其余的声功通过环路谐振管传递到#2第二级热声发动机单元，声功在#2第二级热声发动机单元的回热器里放大，放大后的声功一部分通过第二旁路谐振管102直接输出到 脉管制冷机(负载)，其余的声功继续通过环路谐振管传递到#3第三级热声发动机单元，声功在该单元的回热器里放大，放大后的声功一部分直接输出到脉管制冷机(负载)，其余的声功通过环路谐振管再传递到#1一级热声发动机单元的回热器中放大，如此循环，使得多级行波热声发动机系统稳定运行并实现功率的单一输出；输出的声功用来驱动脉管制冷机(负载)在低温下产生冷量，实现热驱动制冷的过程。

实施例2：

图4是本发明的一种单一输出的多级行波热声发动机驱动脉管制冷机系统(实施例2)结构示意图。如图4所示，本实施例2的单一输出的多级行波热声发动机系统由4级热声发动机单元组成；各级热声发动机单元通过4个环路谐振管2首尾相连而成构成环路结构；每一级热声发动机单元均由依次相连的直流抑制器3、主冷却器4、回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、室温端层流化元件9和次冷却器10组成；

单一输出的多级行波热声发动机系统的脉管制冷机(负载)接于#4四级热声发动机单元中的次冷却器10的出口与环路谐振管2的连接处，脉管制冷机同时与旁路谐振管101、102和103相连；由于在行波热声发动机中，声波传递为一个波长，旁路谐振管101、102、103的长度与环路谐振管2的长度之比依次为3、2、1，旁路谐振管101、102、103的横截面积与环路谐振管2的横截面积之比与4级热声发动机单元内回热器5的温度梯度有关；假设4级热声发动机单元内回热器5内高温端和室温端温度之比τ均为3，则旁路谐振管101、102、103的横截面积与环路谐振管2的横截面积之比均为2；

每一级热声发动机单元的主冷却器4和次冷却器10均通过水冷器冷却，维持在室温范围；每一热声发动机单元的加热器6与热源相连，维持在相等的高温；当每一级热声发动机单元的回热器5达到一定温度梯度时，整个多级行波热声发动机系统起振；每一热声发动机单元的回热器5内部工作气体与固体填料间产生热声效应，将输入到加热器6的热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播；声功传播和放大过程如下：声功在#1一级热声发动机单元的回热器中放大，放大后的声功一部分通过第一旁路谐振管101直接输出到脉管制冷机，其余的声功通过环路谐振管传递到#2二级热声发动机单元，声功在#2二级热声发动机单元的回热器里放大，放 大后的声功一部分通过第二旁路谐振管102直接输出到脉管制冷机，其余的声功继续通过环路谐振管传递到#3三级热声发动机单元，声功在#3三级热声发动机单元的回热器里放大，放大后的声功一部分直接通过第三旁路谐振管103输出到脉管制冷机，其余的声功通过环路谐振管传递到#4四级热声发动机单元中，声功在#4四级热声发动机单元的回热器里放大，放大的声功一部分直接输出到脉管制冷机，其余的声功传递回#1一级热声发动机单元的回热器中放大，如此循环，使得多级行波热声发动机系统稳定运行并实现功率的单一输出；输出的声功用来驱动脉管制冷机，在低温下产生冷量，实现热驱动制冷的过程。

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 (7)

1.一种单一输出的多级行波热声发动机系统：其由N级热声发动机单元、N个环路谐振管和N-1个旁路谐振管组成，所述N＝3～10的正整数；所述N级热声发动机单元中的每一级热声发动机单元通过环路谐振管首尾相连构成环路结构；所述N个环路谐振管的各环路谐振管长度相等；所述每一级热声发动机单元在所述环路结构中处于行波相位；

所述每一级热声发动机单元由依次串接的直流抑制器(3)、主冷却器(4)、回热器(5)、加热器(6)、高温端层流化元件(7)、热缓冲管(8)、室温端层流化元件(9)和次冷却器(10)组成；所述每一级热声发动机单元的高温端层流化元件(7)安装在该级热声发动机单元中热缓冲管(8)高温侧，所述每一级热声发动机单元的室温端层流化元件(9)安装在该级热声发动机单元的热缓冲管(8)室温侧，用于抑制射流；所述N-1个旁路谐振管中的每一旁路谐振管均与负载(11)相连；

所述每一级热声发动机单元中的加热器(6)与热源相连以吸收热源热量形成高温端；所述每一级热声发动机单元的主冷却器(4)和次冷却器(10)通过水冷器冷却以维持在室温范围；每一级热声发动机单元的回热器(5)上高温端和室温端形成温度梯度τ，其中τ＝2～3；在该温度梯度下，单一输出的多级行波热声发动机系统起振；每一级热声发动机单元的回热器(5)内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将热量输入到加热器(6)并转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播并放大；第一级热声发动机单元放大后的声功一部分通过第一旁路谐振管(101)输出给负载(11)，其余部分通过环路谐振管传递到下一级热声发动机单元，并在下一级热声发动机单元的回热器中被进一步放大，放大后的声功一部分通过第二旁路谐振管(102)输出给负载(11)，其余部分继续通过环路谐振管传递到再下一级热声发动机单元；依次类推，第N级热声发动机单元放大后的声功一部分通过第N-1旁路谐振管输出给负载(11)，其余部分通过环路谐振管传递到第一级热声发动机单元放大；如此循环，使得单一输出的多级行波热声发动机系统稳定运行。

2.按权利要求1所述的单一输出的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述直流抑制器(3)安装在每一级热声发动机单元中的主冷却器(4)入口和环路谐振管的连接处，用于抑制环路结构的直流；所述直流抑制器(3)为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。

3.按权利要求1所述的单一输出的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述N-1个旁路谐振管中每一旁路谐振管与环路谐振管的长度比按照从大到小依次为N-1、N-2、N-3……1。

4.按权利要求1所述的单一输出的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述N-1个旁路谐振管1中每一旁路谐振管的管径与N个环路谐振管中每一环路谐振管的管径之比等于τ-1，其中τ＝2～3。

5.按权利要求1所述的单一输出的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述的单一负载的多级行波热声发动机系统中使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。

6.按权利要求1所述的单一输出的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述负载(11)接于第N级热声发动机单元的次冷却器(10)和环路谐振管的连接处。

7.按权利要求1或6所述的单一输出的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述负载为直线电机或脉管制冷机。