CN108533372A - 一种自带温差发电装置的消声器 - Google Patents

一种自带温差发电装置的消声器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自带温差发电装置的消声器，采用变截面的进气管，其前端截面为矩形、其余部分的截面为圆形，矩形截面的进气管上布置温差发电模块组，温差发电模块组后布置第一、二、三、四、五隔板，第二隔板和第三隔板之间布置一个连接管，进气管后布置一个截面为圆形的出气管，出气管上依次布置第六隔板、第一活塞、第二活塞、第七隔板，第五隔板和第六隔板之间布置两个穿孔管，第六隔板和第一活塞之间布置一个阻尼器和一个弱弹簧，第二活塞和第七隔板之间布置一个阻尼器和一个x3振荡器。本发明的消声器自带一个温差发电装置，可以利用汽车尾气热能来发电，同时对消声器结构进行优化，能有效减少排气中的压力波动和噪声。

Description

一种自带温差发电装置的消声器
技术领域
本发明属于节能减排和发电技术领域，具体涉及一种自带温差发电装置的消声器。
背景技术
消声器是允许气流通过，却又能阻止或减小声音传播的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要部件。消声器能够阻挡声波的传播，允许气流通过，是控制噪声的有效工具。由于非线性系统的内共振特性，适当的设计系统参数，弱连接的线性系统和非线性系统之间会发生模态局域化现象。模态局域化现象说明非线性系统可以获得比线性系统更多的振动能量，为吸收后者的能量提供了一种可行性方式。将一个拥有弱弹簧的非线性振子和亥姆霍兹消声器结构模型组合在一起，利用模态局域化特性，用来有效吸收管道内冲击声压，降低管道内的压力波动和噪声。
由于腔体间空气耦合共振作用，两腔耦合共振型亥姆霍兹消声器具有3个共振频率，两共振腔连接管的长度与直径是影响该结构消声性能的关键尺寸，减小连接管长度或者增大直径都可以拓宽消声器的消声频带，提高消声性能。这将为主动、被动耦合共振型进气消声器的设计提供重要参考。中国专利(CN103075605A)公开了一种双腔共振式消声器，利用两个共振腔消除两个固定频率的噪声，但未充分利用这两个共振腔的降噪效果。
德国科学家托马斯约翰塞贝克(Thomas Johann Seebeck)在研究电与热的关系时，将两种不同材质的金属导线连接在一起，组成一个闭环回路，当加热导线连接处其中一个节点时，意外发现回路中产生了电流。后来经进一步研究发现，若将任意两种金属或半导体的一端结合在一起，另一端保持开路状态，当两端存在温差时开路端即有电动势存在，后来这效应被命名为塞贝克效应，也叫热电第一效应。中国专利(CN105471322A)公开了一种汽车发动机排气系统，在排气管上布置一个温差发电装置利用排气管中废气的热量进行发电，该发明将温差集热装置布置在排气管内部，并在排气管上布置温差发电冷却模块，其结构复杂，占用空间大且对于内置于排气管内的集热片的材料要求高。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种自带温差发电装置的消声器，拓宽了消声器的消声频率，有效吸收管道内冲击声压、降低管道内的压力波动和噪声。
为实现上述目的，本发明采用的方案是：
一种自带温差发电装置的消声器，包括进气管、温差发电模块组、耦合共振腔、穿孔管结构、非线性系统及出气管，所述进气管上依次设有温差发电模块组和耦合共振腔，所述出气管上设有非线性系统，所述耦合共振腔和非线性系统中间布置穿孔管结构；所述进气管采用变截面结构，其前端的截面为矩形，其余部分的截面为圆形，矩形截面部分的进气管外表面上布置温差发电模块组；所述耦合共振腔中包括依次套接在进气管上的第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板，所述穿孔管结构包括第一穿孔管、第二穿孔管、第三穿孔管及第五隔板，所述非线性系统包括依次套接在出气管上的第六隔板、第一活塞、第二活塞及第七隔板，所述第五隔板上设有供第一穿孔管和第二穿孔管一端卡入的圆孔，第一穿孔管和第二穿孔管的另一端焊接在第六隔板上，所述第三穿孔管为穿孔管形式的进气管，其另一端焊接在第五隔板上；所述第六隔板和第一活塞之间连接有弱弹簧和第一阻尼器，所述第二活塞和第七隔板之间连接有x3振荡器和第二阻尼器；所述第一隔板和第二隔板与圆柱形的共振腔壳体构成第一共振腔，所述第三隔板和第七隔板与圆柱形的多腔体壳体构成多腔体结构，第三隔板和第四隔板之间构成第二共振腔，所述第二隔板与第三隔板之间通过连接管连通；第一、二共振腔内的进气管上设有小圆孔，第一活塞与第二活塞之间的出气管上小圆孔；所述第一阻尼器、弱弹簧和第一活塞构成线性振子，第二阻尼器、x3振荡器和第二活塞构成非线性振子。
上述方案中，矩形截面部分的进气管外表面上布置温差发电模块组，不同外表面上的温差发电模块组之间并联，同一表面上的温差发电模块串联。
上述方案中，第一共振腔和第二共振腔容积不同，其内部的进气管上的圆孔直径相同；第一、二共振腔内的进气管上设有的圆孔与第一活塞与第二活塞之间的出气管上的圆孔直径不同，圆孔直径均可通过公式计算得到(其中c为声速，l0为进气管壁厚，d为小孔直径，V为共振腔容积或两活塞处于初始状态时的共振腔容积，fr为共振腔共振频率)。
上述方案中，所述第一活塞和第二活塞之间构成可变频率的共振腔，第一活塞和第二活塞的直径和多腔体壳体的直径相等。
上述方案中，所述温差发电模块组的材料为碲化铋Bi2Te3，所述第一活塞、第二活塞的材料为铝合金，连接管、进气管、隔板、穿孔管的材料均为不锈钢板。
本发明的有益效果是：
本发明在消声器的进气管外壁面上布置温差发电模块，温差发电模块的外端面与空气接触，温差发电模块采用半导体材料碲化铋(Bi2Te3)，具有较好的导电性且导热性较差，使得热量保持在温差发电块与进气管的接触端面上，由于温差发电块的一端与进气管接触，温度较高，另一端与空气接触，温度较低，使温差发电块两端产生较大的温差，从而产生电能。同时本发明还通过一个连接管耦合两个共振腔消除三个固定频率的噪声，出气管上布置一个非线性共振腔来消除可变频率的噪声和吸收出气管管道内的冲击声压。
附图说明
图1为自带温差发电装置的消声器的主视图；
图2为自带温差发电装置的消声器的俯视图；
图3为自带温差发电装置的消声器的轴测视图。
其中：1-进气管，2-温差发电模块组，3-第一隔板，4-第二隔板，5-连接管，6-第三隔板，7-第四隔板，8-第五隔板，9-第一穿孔管，10-第二穿孔管，11-第六隔板，12-第一活塞，13-第二活塞，14-第七隔板，15-出气管，16-弱弹簧，17-第一阻尼器，18-x3振荡器，19-第二阻尼器，20-第三穿孔管，21-共振腔壳体，22-多腔体壳体。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
本发明的温差发电模块是利用热电第一效应的原理来工作的。
如图1-3所示，本发明提供的一种自带温差发电装置的消声器采用变截面的进气管1，进气管1的材料为不锈钢板，进气管1前端的截面为矩形，其余部分的进气管1截面为圆形，矩形截面部分的进气管1顶面不布置温差发电模块组2，其余三个外表面上布置温差发电模块组2，温差发电模块组2的材料为碲化铋(Bi2Te3)，碲化铋为半导体材料，具有较好的导电性，且导热性较差，三个外表面上的温差发电模块组2之间并联，各个面上的温差发电模块之间串联，最后将温差发电模块组产生的电能通过电路连接到蓄电池中，供车载用电设备使用。
温差发电模块组2后的进气管1依次套接固定有第一隔板3、第二隔板4、第三隔板6及第四隔板7，第一隔板3和第二隔板4与圆柱形的共振腔壳体21构成第一共振腔，第三隔板6和第四隔板7之间构成第二共振腔，第二隔板4与第三隔板6之间通过连接管5连通，即第一共振腔和第二共振腔通过连接管5耦合形成耦合共振腔，耦合后这部分结构就有三个共振频率，第一共振腔和第二共振腔容积不同，其内部进气管上设有直径均为5mm的圆孔，圆孔直径可通过下列公式计算得到：
其中c为声速，l0为进气管壁厚，d为小孔直径，V为共振腔容积，fr为共振腔共振频率，fr可由消声需求而定；
第二共振腔后的进气管设计成穿孔管形式，即第三穿孔管20(孔直径为6mm、孔心距为14mm)，穿孔管的孔径和孔心距可通过下列公式得到：
其中ε为穿孔率即孔的体积与板的体积之比，a为圆孔的半径，d为孔心距；
第三穿孔管20另一端焊接在第五隔板8上，第五隔板8上还设有两个供第一穿孔管9和第二穿孔管10一端卡入的圆孔，第一穿孔管9和第二穿孔管10另一端焊接在第六隔板11上，第一穿孔管9、第二穿孔管10的孔直径为5mm，孔心距为11mm；第六隔板11、第一活塞12、第二活塞13、第七隔板14依次套接且焊接在出气管15上，第三隔板6和第七隔板14与圆柱形的多腔体壳体22构成多腔体结构，第一活塞12和第二活塞13之间的出气管上布置一个直径为4mm的圆孔，圆孔直径均可通过公式(1)计算得到，出气管15截面为圆形，第一活塞12、第二活塞13的材料为铝合金，第一活塞12和第二活塞13的直径和多腔体壳体22的直径相等，第一活塞12的厚度为20mm，第二活塞13的厚度为18mm；
第六隔板11和第一活塞12之间布置一个阻尼器17和一个弱弹簧16，第二活塞13和第七隔板14之间布置一个阻尼器19和一个x3振荡器18，第六隔板11和第一活塞12之间的阻尼器17、弱弹簧16和第一活塞12构成线性振子，第二活塞13和第七隔板14之间的阻尼器19、x3振荡器18和第二活塞13构成非线性振子，线性振子和非线性振子构成非线性系统，两个阻尼器可吸收排气管中由冲击声压产生的振动，第一活塞12与第二活塞13之间构成可变频率的共振腔，排气管道内的气压波动使得两活塞运动，从而共振腔容积发生变化，共振腔共振频率也随之改变，拓宽了消声频率，此外弱连接的线性振子和非线性振子之间还会发生模态局域化现象，可以降低管道内的冲击噪声。
连接管5、进气管1、隔板、穿孔管的材料均为不锈钢板。
工作过程：发动机排出的废气进入消声器进气管，当经过截面为矩形部分的进气管1时，温差发电模块组2与进气管贴合的端面上温度升高，而温差发电模块组2与空气接触的端面上温度不变，温差发电模块的两端面形成温度差，从而发电；将温差发电模块组产生的电能接入汽车电路系统中，可供车载用电设备使用。尾气顺次经过耦合共振腔共振降噪、经过第四隔板7和第五隔板8之间的穿孔管降噪、经过第五隔板8和第六隔板11之间的第一穿孔管9、第二穿孔管10降噪，接着经过第六隔板11和第七隔板14之间的非线性系统结构降噪，尾气最终由出气管15排出。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，包括进气管(1)、温差发电模块组(2)、耦合共振腔、穿孔管结构、非线性系统及出气管(15)，所述进气管(1)上依次设有温差发电模块组(2)和耦合共振腔，所述出气管(15)上设有非线性系统，所述耦合共振腔和非线性系统中间布置穿孔管结构；
所述进气管(1)采用变截面结构，其前端的截面为矩形，其余部分的截面为圆形，矩形截面部分的进气管(1)外表面上布置温差发电模块组(2)；
所述耦合共振腔中包括依次套接且焊接在进气管(1)上的第一隔板(3)、第二隔板(4)、第三隔板(6)和第四隔板(7)，所述穿孔管结构包括第一穿孔管(9)、第二穿孔管(10)、第三穿孔管(20)及第五隔板(8)，所述非线性系统包括依次套接且焊接在出气管(15)上的第六隔板(11)、第一活塞(12)、第二活塞(13)及第七隔板(14)，所述第五隔板(8)上设有供第一穿孔管(9)和第二穿孔管(10)一端卡入的圆孔，第一穿孔管(9)和第二穿孔管(10)的另一端焊接在第六隔板(11)上，所述第三穿孔管(20)为穿孔管形式的进气管(1)，第三穿孔管(20)的另一端焊接在第五隔板(8)上，所述第六隔板(11)和第一活塞(12)之间连接有弱弹簧(16)和第一阻尼器(17)，所述第二活塞(13)和第七隔板(14)之间连接有x3振荡器(18)和第二阻尼器(19)；
所述第一隔板(3)和第二隔板(4)与圆柱形的共振腔壳体(21)构成第一共振腔，所述第三隔板(6)和第七隔板(14)与圆柱形的多腔体壳体(22)构成多腔体结构，第三隔板(6)和第四隔板(7)之间构成第二共振腔，所述第二隔板(4)与第三隔板(6)之间通过连接管(5)连通；第一、二共振腔内的进气管上设有小圆孔，第一活塞(12)与第二活塞(13)之间的出气管上设有小圆孔。
2.如权利要求1所述的一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，所述温差发电模块组(2)的材料为碲化铋Bi2Te3。
3.如权利要求1所述的一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，矩形截面部分的进气管(1)外表面上布置温差发电模块组(2)，不同外表面上的温差发电模块组(2)之间并联，同一表面上的温差发电模块组串联。
4.如权利要求1所述的一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，第一共振腔和第二共振腔容积不同，其内部进气管上的圆孔直径相同。
5.如权利要求1所述的一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，所述第一活塞(12)和第二活塞(13)之间构成可变频率的共振腔，第一活塞(12)和第二活塞(13)的直径和多腔体壳体(22)的直径相等，所述第一活塞(12)和第二活塞(13)的材料为铝合金。
6.如权利要求1所述的一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，所述穿孔管的材料为不锈钢板。
7.如权利要求1所述的一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，所述进气管(1)的材料为不锈钢板。
8.如权利要求1所述的一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，所述隔板的材料为不锈钢板。
9.如权利要求1所述的一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，所述连接管(5)的材料为不锈钢板。
10.如权利要求1所述的一种自带温差发电装置的消声器，其特征在于，所述第一阻尼器(17)、弱弹簧(16)和第一活塞(12)构成线性振子，第二阻尼器(19)、x3振荡器(18)和第二活塞(13)构成非线性振子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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