CN105300715B - 一种回热式热机性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械性能测试技术领域，尤其涉及一种回热式热机性能测试装置。该回热式热机性能测试装置包括压缩电机、膨胀电机、耗散机构和锁相电源；耗散机构连接在气缸缸体上靠近膨胀电机活塞面的位置，以耗散膨胀电机活塞面输出的声功，由于耗散机构消耗的声功大于膨胀电机吸收的声功，电功被输入膨胀电机，膨胀电机将电能转化为机械能，膨胀电机和压缩电机都需要消耗电功，且膨胀电机和压缩电机均与锁相电源连接，所以可以通过锁相电源调节二者输入电流的相位关系，从而使压缩活塞和膨胀活塞的运动达到特定的相位关系，实现回热式热机内部所需的声场。

Description

一种回热式热机性能测试装置

技术领域

本发明涉及机械性能测试技术领域，尤其涉及一种回热式热机性能测试装置。

背景技术

通常，回热式热机包括斯特林热机(包括发动机、制冷机和热泵)、热声热机(包括发动机、制冷机和热泵)、脉管制冷机等，他们利用气体的往复运动和压缩膨胀过程，实现热能与机械能的之间的转换，是一种非常重要的热功转换方式，近年来在太阳能发电、超导冷却、工业废热利用等方面有着非常重要的应用前景。

回热式热机虽然包括的种类很多，但它们只是调相方式或者压力波发生的形式不一样，而进行热功转换的原理则是完全一样。每种形式的回热式热机的核心部件均包含主散热器、回热器、非室温换热器、热缓冲管和次散热器(在斯特林热机中不包含热缓冲管和次散热器)。回热式热机的设计首先需保证这些核心部件的高效性能，因此在研究当中经常需要对核心部件的热力学性能进行测试。而在进行热力学性能测试时需要不断地改变回热式热机内部的声场条件，考察声场条件对热机性能的影响规律。

图1为一种典型的回热式热机的测试系统，它主要包括压缩电机(图中仅画出了其压缩活塞1)，回热式热机(包括依次连接的主散热器2、回热器3、非室温换热器4、热缓冲管5和次散热器6)和膨胀电机(图中仅画出了其膨胀活塞7)。工作时，压缩电机通过活塞1向回热式热机输入声功，声功在回热式热机中被耗散或增益(在回热式制冷机和热泵中声功被耗散掉一部分，在回热式发动机中声功被增益)后流出回热式热机，被膨胀电机的膨胀活塞吸收。活塞吸收然后转化为电能输出。

然而，由于膨胀活塞7需要吸收声功，而不是输出声功，膨胀电机只能作为发电机使用，因此无法通过调节膨胀电机电流相位的手段达到主动控制膨胀活塞的运动相位的目的，从而在回热式热机内获得所需的声场相位。在现有的测试系统(如图1)里，我们只能通过被动地改变膨胀电机的机械阻抗和电阻抗来使膨胀活塞实现所需的运动特性。而要改变膨胀电机的机械阻抗和电阻抗通常包括对活塞面积、动子质量、电感、电阻、电容等的改变，这使得测量非常的麻烦而低效，并且仅能够获得一些离散的测试点，有时甚至可能还无法获得我们所需要的膨胀活塞的运动规律，因此，针对以上不足亟需对回热式热机性能测试装置进行改进。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种回热式热机性能测试装置以解决现有技术中存在的测量不便、低效、不准确和无法连续地获得回热式热机在不同声场特性下性能的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种回热式热机性能测试装置，其包括压缩电机、膨胀电机、耗散机构和锁相电源；所述压缩电机设置在回热式热机的一端，以向回热式热机输入声功；所述膨胀电机设置在回热式热机的另一端，以吸收或输出声功；耗散机构连接在气缸缸体上靠近膨胀电机活塞面的位置，以耗散膨胀电机活塞面输出的声功，且耗散机构消耗的声功大于膨胀电机吸收的声功；所述压缩电机和膨胀电机均与所述锁相电源连接。

其中，所述耗散机构包括小孔阀和气库，所述气库位于气缸的设置膨胀电机的一端，且所述气库通过连通管与所述气缸缸体的端面连通，所述连通管上设置小孔阀。

其中，所述耗散机构还包括水冷器，所述连通管与所述气库之间设置水冷器。

其中，所述回热式热机包括依次连接的主散热器、回热器、非室温换热器、热缓冲管和次散热器；所述膨胀电机包括膨胀面和压缩面，所述膨胀面与所述次散热器相对以接收声功，所述压缩面与所述连通管相对以输出声功。

其中，所述耗散机构为惯性管。

其中，所述惯性管连接在气缸的设置膨胀电机的一端面的外侧位置。

其中，所述回热式热机包括依次连接的主散热器、回热器及非室温换热器；所述膨胀电机包括膨胀面和压缩面，所述膨胀面与所述非室温换热器相对以接收声功，所述压缩面与气缸端面内侧相对以向惯性管输出声功。

其中，所述惯性管连接在回热式热机与膨胀电机膨胀面之间的气缸缸体部分的外侧位置。

其中，所述回热式热机包括依次连接的主散热器、回热器、非室温换热器、热缓冲管和次散热器。

其中，所述膨胀电机包括膨胀面，所述膨胀面与所述次散热器相对以吸收或输出声功。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的回热式热机性能测试装置中，电功被输入压缩电机，压缩电机将电能转化为机械能，通过压缩活塞向回热式热机内输入声功，声功在回热式热机内被消耗或增益(在回热式制冷机和热泵中声功被耗散掉一部分，在回热式发动机中声功被增益)后流出回热式热机，然后膨胀活塞的活塞面吸收或输出声功，由于耗散机构连接在气缸缸体上靠近膨胀电机活塞面的位置，可以耗散膨胀电机活塞面输出的声功；其中，由于耗散机构消耗的声功大于膨胀电机吸收的声功，电功被输入膨胀电机，膨胀电机将电能转化为机械能，机械能用来推动膨胀活塞运动，通过活塞面输出；膨胀活塞吸收了来自热机和膨胀电机两部分的能量后，再通过活塞面向耗散机构输出声功，声功在耗散机构内被完全耗散掉。由于膨胀电机和压缩电机都需要消耗电功，且膨胀电机和压缩电机均与锁相电源连接，所以可以通过锁相电源调节二者输入电流的相位关系，从而使压缩活塞和膨胀活塞的运动达到特定的相位关系，实现回热式热机内部所需的声场，进而连续地获得回热式热机在不同声场特性下的性能，且测试简便、高效、准确。

附图说明

图1是传统的回热式热机性能测试装置的结构；

图2是本发明回热式热机性能测试装置实施例1的结构示意图；

图3是本发明回热式热机性能测试装置实施例2的结构示意图；

图4是本发明回热式热机性能测试装置实施例3的结构示意图；

图5是本发明回热式热机性能测试装置实施例中锁相电源的结构示意图。

图中，1：压缩活塞；2：主散热器；3；回热器；4：非室温换热器；5：热缓冲管；6：次散热器；7：膨胀活塞；8：膨胀面；9：压缩面；10：小孔阀；11：水冷器；12：气库；13：锁相电源；14：惯性管；15：气缸缸体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2、图3、图4及图5所示，本发明提供的回热式热机性能测试装置包括压缩电机(图中仅画出了其压缩活塞1)、膨胀电机(图中仅画出了其膨胀活塞7)、耗散机构(图2中的耗散机构包括小孔阀10和气库12；图3和图4中的耗散机构为惯性管14)和锁相电源13；压缩电机设置在回热式热机的一端，以向回热式热机输入声功；膨胀电机设置在回热式热机的另一端，以吸收或输出声功；耗散机构连接在气缸缸体上靠近膨胀电机活塞面的位置，以耗散膨胀电机活塞面输出的声功，且耗散机构消耗的声功大于膨胀电机吸收的声功；压缩电机和膨胀电机均与锁相电源13连接。其中，回热式热机可为斯特林热机、热声热机或脉管制冷机。

上述技术方案中，电功被输入压缩电机，压缩电机将电能转化为机械能，通过压缩活塞1向回热式热机内输入声功，声功在回热式热机内被消耗或增益(在回热式制冷机和热泵中声功被耗散掉一部分，在回热式发动机中声功被增益)后流出回热式热机，然后膨胀活塞7的活塞面吸收或输出声功，由于耗散机构连接在气缸缸体上靠近膨胀电机活塞面的位置，可以耗散膨胀电机活塞面输出的声功；其中，由于耗散机构消耗的声功大于膨胀电机吸收的声功，电功也被输入膨胀电机，膨胀电机将电能转化为机械能，机械能用来推动膨胀活塞7运动，通过活塞面输出；膨胀活塞7吸收了来自热机和膨胀电机两部分的能量后，再通过活塞面向耗散机构输出声功，声功在耗散机构内被完全耗散掉。由于膨胀电机和压缩电机都需要消耗电功，且膨胀电机和压缩电机均与锁相电源13连接，所以可以通过锁相电源13调节二者输入电流的相位关系，从而使压缩活塞1和膨胀活塞7的运动达到特定的相位关系，实现回热式热机内部所需的声场，进而连续地获得回热式热机在不同声场特性下的性能，且测试简便、高效、准确。

为了进一步理解本发明的回热式热机性能测试装置，下面通过三个实施例对具体的耗散机构及相应的膨胀电机和回热式热机进行展开说明。

实施例1

如图2所示，本发明回热式热机性能测试装置实施例1的结构主要包括压缩电机(图中仅画出了其压缩活塞1)、回热式热机(包括依次连接的主散热器2、回热器3、非室温换热器4、热缓冲管5和次散热器6)、膨胀电机(图中仅画出了其膨胀活塞7以及膨胀面8和压缩面9)、耗散机构和锁相电源13。该膨胀电机跟传统的电机有所不同：传统的电机活塞只有一个端面参与声功的吸收或输出的过程。本实施例中的压缩机电机活塞就是只有与主散热器2相邻的那个端面参与声功的输出过程，另一端面并没有实际的作用；而本膨胀电机活塞的膨胀面8与次散热器6相对以接收声功，压缩面9与连通管相对以输出声功。

工作时，电功被输入压缩电机，压缩电机将电能转化为机械能，通过压缩活塞1向回热式热机内输入声功，声功在回热式热机内被消耗或增益(在回热式制冷机和热泵中声功被耗散掉一部分，在回热式发动机中声功被增益)后流出回热式热机，被膨胀活塞7的膨胀面8吸收推动活塞运动；同时电功也被输入膨胀电机，膨胀电机将电能转化为机械能，机械能用来推动膨胀活塞7运动；膨胀活塞7吸收了来自热机和膨胀电机两部分的能量后，再通过压缩面9向耗散机构输出声功，声功在耗散机构内被完全耗散掉。耗散机构消耗的声功必须大于膨胀活塞7的膨胀面8吸收的声功，这样电能才有可能被输入膨胀电机，否则膨胀电机将向外输出电能。由于膨胀电机和压缩机电机都需要消耗电功，所以可以通过锁相电源13调节二者输入电流的相位关系，从而使压缩活塞1和膨胀活塞7的运动达到特定的相位关系，实现回热式热机内部所需的声场，进而连续地获得回热式热机在不同声场特性下的性能。

具体地，耗散机构包括小孔阀10和气库12，气库12位于气缸的设置膨胀电机的一端，且气库12通过连通管与气缸缸体的端面连通，以提供所需气源；连通管上设置小孔阀10，通过对小孔阀10的调节可以对通过连通管的气量进行调节，小孔阀10开度小时，气体通过阻力就大，对声功的耗散能力就强，反之，对声功的耗散能力就弱；耗散机构还包括水冷器11，连通管与气库12之间设置水冷器11，通过水冷器11，可以对通过的气体降温，一方面防止气体温度升高后对各部件的损坏；另一方面，避免气体温度升高后对气体流量测试的准确度产生不利影响。

实施例2

如图3所示，在本实施例中，回热式热机的核心部件仅包括主散热器2、回热器3和非室温换热器4。膨胀活塞7的膨胀面8与非室温换热器4相邻，工作在非室温条件下，而膨胀活塞7的压缩面9则工作在室温条件下，耗散机构为惯性管14，惯性管14连接在气缸的设置膨胀电机的一端面的外侧位置。惯性管14消耗的声功大于膨胀活塞7的膨胀面8吸收的声功，因此膨胀电机需要输入电功，并将电功转化为声波形式的机械能。所以本系统也可以通过锁相电源13调节压缩电机和膨胀电机输入电流的相位关系，使压缩活塞1和膨胀活塞7的运动达到特定的相位关系，从而实现回热式热机内部所需的声场。

其中，膨胀面8与非室温换热器4相对以接收声功，压缩面9与气缸端面内侧相对以向惯性管14输出声功。

实施例3

如图4所示，本实施例回热式热机性能测试装置结构跟传统的回热式热机性能测试装置的结构(图1)类似，回热式热机包括依次连接的主散热器2、回热器3、非室温换热器4、热缓冲管5和次散热器6，但是在回热式热机和膨胀电机活塞之间安装了耗散机构，此处的耗散机构为惯性管14，惯性管14连接在回热式热机与膨胀电机膨胀面8之间的气缸缸体部分的外侧位置。膨胀电机只有一个端面参与工作，膨胀面8与次散热器6相对并输出声功。惯性管14消耗的声功大于次散热器流出的声功，因此膨胀电机需要将电功转化为声波形式的机械能，并通过活塞的膨胀面8输出。所以本系统也可以通过锁相电源13调节压缩电机和膨胀电机输入电流的相位关系，使压缩活塞1和膨胀活塞7的运动达到特定的相位关系，从而实现回热式热机内部所需的声场。本实施例中由于膨胀电机的活塞只有一个工作面，是一个传统的电机，因此设计要求更低，系统更简单。需要指出的是，在本结构中，由于耗散结构位于热机与膨胀活塞7之间，会引入额外的体积流，因此回热式热机两端的体积流相位关系与两个电机活塞的相位关系并不相同。

上述三个具体实施例中，回热式热机的具体形式与相应实施例中的耗散机构并非必须是一一对应的关系。例如，实施例1中的回热式热机也可用实施例2和3中的回热式热机替代；实施例2中回热式热机可用实施例1中的回热式热机替代；实施例3中的回热式热机可以用实施例2中的热机替代。

综上所述，本发明提供的回热式热机性能测试装置中，通过引入耗散机构，将传统测试系统中的膨胀电机由发电机(将机械能转变为电能)转变为压缩机(将电能转变成机械能)，并通过锁相电源13调节压缩电机和膨胀电机活塞的相位关系，从而方便地实现回热式热机内声场的调节，进而可连续地获得回热式热机在不同声场特性下的性能。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种回热式热机性能测试装置，其特征在于：包括压缩电机、膨胀电机、耗散机构和锁相电源；所述压缩电机设置在回热式热机的一端，以向回热式热机输入声功；所述膨胀电机设置在回热式热机的另一端，以吸收或输出声功；耗散机构连接在气缸缸体上靠近膨胀电机活塞面的位置，以耗散膨胀电机活塞面输出的声功，且耗散机构消耗的声功大于膨胀电机吸收的声功；所述压缩电机和膨胀电机均与所述锁相电源连接。

2.根据权利要求1所述的回热式热机性能测试装置，其特征在于：所述耗散机构包括小孔阀和气库，所述气库位于气缸的设置膨胀电机的一端，且所述气库通过连通管与所述气缸缸体的端面连通，所述连通管上设置小孔阀。

3.根据权利要求2所述的回热式热机性能测试装置，其特征在于：所述耗散机构还包括水冷器，所述连通管与所述气库之间设置水冷器。

4.根据权利要求3所述的回热式热机性能测试装置，其特征在于：所述回热式热机包括依次连接的主散热器、回热器、非室温换热器、热缓冲管和次散热器；所述膨胀电机包括膨胀面和压缩面，所述膨胀面与所述次散热器相对以接收声功，所述压缩面与所述连通管相对以输出声功。

5.根据权利要求1所述的回热式热机性能测试装置，其特征在于：所述耗散机构为惯性管。

6.根据权利要求5所述的回热式热机性能测试装置，其特征在于：所述惯性管连接在气缸的设置膨胀电机的一端面的外侧位置。

7.根据权利要求6所述的回热式热机性能测试装置，其特征在于：所述回热式热机包括依次连接的主散热器、回热器及非室温换热器；所述膨胀电机包括膨胀面和压缩面，所述膨胀面与所述非室温换热器相对以接收声功，所述压缩面与气缸端面内侧相对以向惯性管输出声功。

8.根据权利要求5所述的回热式热机性能测试装置，其特征在于：所述惯性管连接在回热式热机与膨胀电机膨胀面之间的气缸缸体部分的外侧位置。

9.根据权利要求8所述的回热式热机性能测试装置，其特征在于：所述回热式热机包括依次连接的主散热器、回热器、非室温换热器、热缓冲管和次散热器。

10.根据权利要求9所述的回热式热机性能测试装置，其特征在于：所述膨胀电机包括膨胀面，所述膨胀面与所述次散热器相对以吸收或输出声功。