CN110454344B - 环路热声驱动冷热电联产系统结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热声发动机系统技术领域，公开了一种环路热声驱动冷热电联产系统结构，包括至少三个热声单元，各个热声单元均通过谐振管首尾相互连接形成闭环回路，各个热声单元均包括依次串联的热声发动机、直线电机和制冷机，上一个热声单元中的热声发动机中的回热结构用于产生声功，直线电机用于消耗第一部分声功，制冷机用于消耗第二部分声功，热声发动机中的换热结构、热声发动机与直线电机之间的管路、直线电机与制冷机之间的管路以及谐振管共同用于消耗第三部分声功，下一个热声单元中的热声发动机接收第四部分声功。该环路热声驱动冷热电联产系统结构具有确保整机的正常和高效运行的优点。

Description

环路热声驱动冷热电联产系统结构

技术领域

本发明涉及热声发动机系统技术领域，特别是涉及一种环路热声驱动冷热电联产系统结构。

背景技术

热声发动机是一种运用热声效应将热能转化为声功的新型热机，当热声发动机和直线电机耦合时，声功可进一步转化为电能，当热声发动机和制冷机或者热泵耦合时，利用声功搬运热量可实现冷热联产。

热声发动机较高的声功产出使得发动机在先后耦合制冷机和直线电机或者热泵和直线电机时，在实现冷热电联产外还有声功剩余，目前，这一方案采用的是旁接型环路热声驱动冷热电联产系统结构,多个热声发动机通过细长的谐振管串连组成环路结构，在每一个热声发动机的出口，旁接一个制冷机或热泵将热声发动机产生的声功分流，进入制冷机或热泵的声功一部分驱动热量向外释放同时获得冷量，另一部分传递给和制冷机或热泵相串接的直线电机，利用该直线电机将剩余的声功消耗掉以获得电能，热声发动机出口分支位置未被分流的声功通过谐振管消耗一部分后传递给下一个热声发动机。其中，环路中每一个热声发动机的出口处都有一处分支，在分支位置处旁接一个制冷机或热泵和一个直线电机用以分流和消耗声功，未被分流的声功则通过谐振管消耗一部分后传递给下一个热声发动机。

在现有的旁接型环路热声驱动制冷机或热泵和直线电机的结构中，因为制冷机或热泵对整机工作频率、入口声功和外接阻抗三个参数较为敏感，在任何一个参数不满足实际需求的条件下制冷机或热泵都可能不正常工作。然而，制冷机或热泵能否正常运行不仅关系到和其处于同一支路的直线电机能否正常运行，而且关系到整机系统能否正常、高效运行，所以能否灵活高效地调节这三个参数就显得至关重要。在现有的旁接型环路热声驱动冷热电联产系统结构中，对于整机工作频率的调节，可以根据制冷机或热泵可以正常工作的频率区间，采取预先优化谐振管尺寸的方式实现；对于制冷机或热泵外接阻抗的调节，可以通过调整直线电机的参数实现；对于制冷机或热泵入口声功的调节，由于热声发动机的输出声功容易受自身结构、外接热源温度、工作压力、工作介质、分支位置以及分流比例等参数的共同影响，所以难以灵活快速地实现。因此，这种旁接型结构因制冷机或热泵在出入口位置对耦合度的要求较高，制冷机系统能否正常运行、和其直接相连的直线电机能否正常运行以及整机运行效率都容易受到影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种环路热声驱动冷热电联产系统结构，以解决现有技术中的旁接型环路热声驱动冷热电联产系统结构存在的制冷机或热泵对其前后部件之间耦合度要求较高难以满足，因而使得整机系统的正常运行易受影响的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种环路热声驱动冷热电联产系统结构，包括：至少三个热声单元，各个所述热声单元均通过谐振管首尾相互连接形成闭环回路，各个所述热声单元均包括依次串联的热声发动机、直线电机以及制冷机，其中，上一个热声单元中的所述热声发动机中的回热结构用于产生声功，所述声功包括第一部分声功、第二部分声功、第三部分声功以及第四部分声功，所述直线电机用于消耗所述第一部分声功，所述制冷机用于消耗所述第二部分声功，所述热声发动机中的换热结构、所述热声发动机与所述直线电机之间的管路、所述直线电机与所述制冷机之间的管路以及谐振管共同用于消耗所述第三部分声功，所述下一个热声单元中的热声发动机接收第四部分声功。其中，各个所述谐振管的出口端均与下一个所述热声单元中的所述热声发动机的入口端相连接。

其中，所述热声发动机的出口端通过第一管路与所述直线电机的入口端相连接。

其中，所述直线电机的出口端通过第二管路与所述制冷机的入口端相连接。

其中，各个所述谐振管的入口端均与上一个所述热声单元中的所述制冷机的出口端相连接。

其中，所述谐振管、所述第一管路以及所述第二管路的制造材质均为不锈钢。

其中，所述热声发动机包括所述回热结构和设置在所述回热结构的外侧的换热结构。其中，所述回热结构包括所述回热器，所述换热结构包括分别设置在所述回热器的第一侧的主换热器和设置在所述回热器的第二侧的加热器。

其中，所述换热结构还包括次换热器和热缓冲管，其中，所述热缓冲管的进口与所述加热器相连通，所述热缓冲管的出口与所述次换热器相连通。

(三)有益效果

本发明提供的环路热声驱动冷热电联产系统结构，与现有技术相比，具有如下优点：

本发明中的每个热声单元均属于串联型结构，热声发动机、直线电机和制冷机依次串联并组成热声单元，多个热声单元均通过谐振管首尾相互连接从而形成闭环回路，由于各个热声单元均包括依次串联的热声发动机、直线电机以及制冷机，使得热声发动机和直线电机的出口处没有分支，因而，由热声发动机产生的声功不会产生分流，流出直线电机的声功也不会分流，这样，由上一个热声单元中的热声发动机中的回热结构产生的全部声功将被直线电机消耗第一部分后直接进入到制冷机的内部被消耗第二部分，该热声发动机中的换热结构、该热声发动机与该直线电机之间的管路、该直线电机与该制冷机之间的管路以及谐振管共同消耗该第三部分声功，该下一个热声单元中的热声发动机接收该第四部分声功。这样，在整机的工作频率和外接阻抗均已满足制冷机的工作条件的前提下，只需保证直线电机的出口声功符合制冷机对入口声功的需求即可使整机系统正常运行。可见，本发明的环路热声驱动冷热电联产系统结构采用将至少三个热声单元通过谐振管首尾相互连接从而形成环路的方式，同时，使得每个热声单元均包括相互串联的热声发动机、直线电机以及制冷机，可见，通过将制冷机放置在直线电机的后面，使得直线电机的运行不再如旁接型结构中完全受制于制冷机，同时，将直线电机与热声发动机进行直接串联，从而就有效地避免了热声发动机的出口处存在分支位置，依次串联的制冷机和直线电机位于分支管路上的情况，从而也就有效地避免了因制冷机在支路中对前后部件间的耦合度要求较高难以实现，分支位置处声功的分流比例参数不好控制的情况，进一步地，合理优化调节各部件参数可使得热声发动机、直线电机和制冷机同时处于较高效率的运行状态，也即本发明确保了整机的正常、有序和高效的工作。

附图说明

图1为本发明的实施例的环路热声驱动冷热电联产系统结构的整体结构示意图；

图2为图1中的热声单元的整体结构示意图。

图中，1：热声单元；2：热声发动机；21：热声发动机的入口端；22：热声发动机的出口端；23：回热结构；231：回热器；24：换热结构；241：主换热器；242：加热器；243：次换热器；244：热缓冲管；244a：热缓冲管的进口；244b：热缓冲管的出口；3：直线电机；31：直线电机的入口端；32：直线电机的出口端；4：制冷机；41：制冷机的入口端；42：制冷机的出口端；5：谐振管；51：谐振管的出口端；52：谐振管的入口端；6：第一管路；7：第二管路。

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1和图2所示，图中示意性地显示了该环路热声驱动冷热电联产系统结构包括至少三个热声单元1，各个热声单元1均通过谐振管首尾相互连接形成闭环回路，各个热声单元1均包括依次串联的热声发动机2、直线电机3以及制冷机4，其中，上一个热声单元1中的该热声发动机2中的回热结构23用于产生声功，该声功包括第一部分声功、第二部分声功、第三部分声功以及第四部分声功，该直线电机3用于消耗该第一部分声功，该制冷机4用于消耗该第二部分声功，该热声发动机2中的换热结构24、该热声发动机2与该直线电机3之间的管路、该直线电机3与该制冷机4之间的管路以及谐振管5共同用于消耗该第三部分声功，该下一个热声单元1中的热声发动机2用于接收该第四部分声功。具体地，本发明实施例中的每个热声单元1均属于串联型结构，热声发动机2、直线电机3和制冷机4依次串联并组成热声单元1，多个热声单元1均通过谐振管5首尾相互连接形成闭环回路。由于各个热声单元1均包括依次串联的热声发动机2、直线电机3以及制冷机4，使得热声发动机2和直线电机3的出口处没有分支，因而，由热声发动机2产生的声功不会产生分流，流出直线电机3的声功也不会分流，这样，由上一个热声单元1中的热声发动机2中的回热结构23产生的全部声功将被直线电机3消耗第一部分，之后直接进入到制冷机4的内部被消耗第二部分，该热声发动机2中的换热结构24、该热声发动机2与该直线电机3之间的管路、该直线电机3与该制冷机4之间的管路以及谐振管5共同用于消耗该第三部分声功，该下一个热声单元1中的热声发动机2接收该第四部分声功。这样，在整机的工作频率和外接阻抗均已满足制冷机4的工作条件的前提下，只需保证直线电机3的出口声功符合制冷机4对入口声功的需求即可使整机系统正常运行。

可见，本发明实施例的环路热声驱动冷热电联产系统结构采用将至少三个热声单元1通过谐振管5首尾相互连接从而形成闭环回路的方式，同时，使得每个热声单元1均包括依次串联的热声发动机2、直线电机3以及制冷机4，可见，通过将制冷机4设置在直线电机3的后侧，使得直线电机3的运行不再完全受制于制冷机4，同时，将直线电机3与热声发动机2进行直接串联，从而有效地避免了热声发动机2的出口处存在分支位置，分支位置上依次串联有制冷机4和直线电机3的情况，从而也就有效地避免了因制冷机4在分支位置处存在对前后部件间的耦合度要求较高难以满足，分支位置处声功的分流比例参数不好控制的情况，进一步地，合理优化调节各部件的参数可使得热声发动机2、直线电机3和制冷机4同时处于较高效率的运行状态，也即本发明确保了整机的正常、有序和高效的工作。

需要说明的是，制冷机4的整机工作频率可以通过优化如下所述的谐振管5的尺寸来实现，制冷机4的外接阻抗是紧随其后的谐振管5，因此，制冷机4的外接阻抗可以通过预先优化的谐振管5的尺寸来实现。在本发明的一个实施例中，为使直线电机3的出口声功能够符合制冷机4对入口声功的要求，则可通过优化热声发动机2的结构参数、合理匹配外接热源、调整工作压力和更换合适的工作介质等方式实现，此外，也可以通过调整直线电机3的参数即调整直线电机3外接电容值和电阻值以改变直线电机3对声功的消耗量的方式来实现，或者同时对热声发动机2和直线电机3进行优化调整。可见，本发明的环路热声驱动冷热电联产系统结构相对于既有的旁接型环路热声驱动冷热电联产系统结构而言，在调节制冷机4的入口声功上，无需考虑声功的分流而变得更加直接和高效，直线电机3因为前置于制冷机4，因此，直线电机3在进行运行时，受到制冷机4的影响程度降低，此外，还可通过对热声发动机2和直线电机3的参数进行优化，从而使得整机的正常运行得到保证。

还需要说明的是，整机系统在正常运行的前提下，可通过适当优化各组成部件的尺寸、适当调节直线电机3的外接电容值和电阻值等方式来实现高效运行。

需要说明的是，“优化热声发动机2的结构参数”包括优化热声发动机2中的如下所述的回热器231的长度、优化回热器231中的丝网的孔隙率、优化如下所述的加热器242的长度、优化如下所述的主换热器241和次换热器243的长度以及优化回热器231的截面半径。

此外，“调整工作压力”可通过向环路内冲入或释放氮气或氦气的方式，来达到调节环路内部的压力的目的。

再者，“合理匹配外接热源”是指调节加热器242与主换热器241、次换热器243之间相连的高温热源和低温热源之间的温度差，通过调节该温度差的大小，来实现对如下所述的回热器231的温度的调节，使其内部能够达到合适的温度梯度，从而达到将热能转化为声功处于理想的数量范围内的目的。

在一个具体的实施例中，该制冷机4可为脉冲管制冷机或者本申请中的制冷机还可由热泵来代替。其中，制冷机和热泵的原理一致，都是同时获得冷量和热量，区别在于，制冷机关注于冷量，热泵关注于热量。

如图1和图2所示，在本发明的一个优选的实施例中，各个谐振管5的出口端51均与下一个该热声单元1中的该热声发动机2的入口端21相连接。具体地，在由上述至少三个热声单元1通过谐振管5首尾相互连接而形成的闭环回路中，往往充有氮气或氦气或二者的混合物，通过使得如下所述的热声发动机2中的加热器242与主换热器241、次换热器243之间相连接的高温热源和低温热源之间的温度差发生变化，从而可以使得回热器231的内部能够形成相应的温度梯度，当回热器231内部的温度梯度达到一定程度后，整个环路中的氮气或氦气便会开始自激振荡，并在回热器231中将热能转化成声功，声功是沿着温度梯度的正方向进行传递的，即，回热器231内的声功先传递给加热器242，随后传递给设置在加热器242与次换热器243之间的热缓冲管244，然后，再经该热缓冲管244传递给次换热器243。然后，再将剩余的声功依次地传递给直线电机3、制冷机4以及经谐振管5传递给下一个热声单元1中的热声发动机2，进入热声发动机2中的声功经主换热器241后进入回热器231，继续如述传递过程。

如图1和图2所示，在本发明的一个优选的实施例中，该热声发动机2的出口端22通过第一管路6与该直线电机3的入口端31相连接。需要说明的是，为确保第一管路6与直线电机3的入口端31之间连接的密封性，可在第一管路6与直线电机3的入口端31相连接的部位增设柔性密封件，然后，再在两者的连接处套设圆形法兰盘，使用螺栓进行紧固，即可实现对第一管路6与直线电机3的入口端的密封和牢固连接。

文中，“密封件”可为O型密封圈或聚四氟乙烯垫片等。其中，在接法兰的位置，使用涂抹7501高真空硅脂的O型密封圈进行密封，在安装测量仪表(如压力传感器)的位置，使用聚四氟乙烯垫片进行密封。

如图1和图2所示，在本发明的一个优选的实施例中，该直线电机3的出口端32通过第二管路7与该制冷机4的入口端41相连接。还需要说明的是，谐振管5具有调节环路内部的相位的作用。

如图1和图2所示，在本发明的一个优选的实施例中，各个该谐振管5的入口端52均与上一个该热声单元1中的该制冷机4的出口端42相连接。具体地，上一个热声单元1中的制冷机4的出口端42与相应的谐振管5的入口端52相连接，这样，制冷机4出口流出的声功，一部分声功将被设置在热声发动机2与制冷机4之间的谐振管5消耗，剩余部分将传递给下一热声单元1。

在本发明的一个优选的实施例中，该谐振管5、该第一管路6以及该第二管路7的制造材质均为不锈钢。具体地，由于环路内部的温度往往较高，因而，该谐振管5、第一管路6以及第二管路7均应当由耐高温的材质制造而成。优选地，该耐高温的材质可为不锈钢。

在本发明的一个优选的实施例中，该热声发动机2包括回热结构23和设置在该回热结构23的外侧的换热结构24。需要说明的是，该热声发动机2的截面尺寸可为圆形，该热声发动机2的整体形状可为圆柱形。

在本发明的一个优选的实施例中，该回热结构23包括回热器231，该换热结构24包括分别设置在该回热器231的第一侧的主换热器241和设置在该回热器231的第二侧的加热器242。具体地，所谓的“第一侧”为图2所示的左侧，所谓的“第二侧”为图2所示的右侧。

通过将主换热器241设置在回热器231的左侧，将该加热器242设置在回热器231的右侧，通过调节加热器242与主换热器241、次换热器243之间相连的高温热源和低温热源之间的温度差，来实现对回热器231的温度的调节，使其内部能够达到合适的温度梯度，当回热器231内部的温度梯度达到一定程度后，整个环路中的氮气或氦气便会开始自激振荡，并在回热器231中将热能转化成声功，声功是沿着温度梯度的正方向进行传递的，即，回热器231内的声功先传递给加热器242，随后传递给设置在加热器242与次换热器243之间的热缓冲管244，然后，再经该热缓冲管244传递给次换热器243。然后，再将剩余的声功依次地传递给直线电机3、制冷机4以及经谐振管5传递给下一个热声单元1中的热声发动机2，进入热声发动机2中的声功经主换热器241后进入回热器231，继续如述传递过程。可见，本申请中的上一个热声单元1中的热声发动机2内的回热器231用于产生声功，主换热器241、加热器242、热缓冲管244、次换热器243、直线电机3、制冷机4和谐振管5均用于传递和消耗声功。

如图2所示，在本发明的一个优选的实施例中，该换热结构24还包括次换热器243和热缓冲管244，其中，该热缓冲管244的进口244a与加热器242相连通，该热缓冲管244的出口244b与次换热器243相连通。具体地，回热器231产生声功后，先传递给加热器242，之后会经热缓冲管244传递给次换热器243，然后，再依次传递给直线电机3和制冷机4，最后经与制冷机4的出口端42相连接的谐振管5将声功传递给下一个热声单元1中的热声发动机2，进入热声发动机2中的声功经主换热器241后进入回热器231，继续如述传递过程。

综上所述，本发明中的每个热声单元1均属于串联型结构，热声发动机2、直线电机3和制冷机4依次串联并组成热声单元1，多个热声单元1均通过谐振管5首尾相互连接从而形成闭环回路，由于各个热声单元1均包括依次串联的热声发动机2、直线电机3以及制冷机4，使得热声发动机2和直线电机3的出口处没有分支，因而，由热声发动机2产生的声功不会产生分流，流出直线电机3的声功也不会分流，这样，由上一个热声单元1中的热声发动机2中的回热结构23产生的全部声功将被直线电机3消耗第一部分，之后直接进入到制冷机4的内部被消耗第二部分，该热声发动机2中的换热结构24、该热声发动机2与该直线电机3之间的管路、该直线电机3与该制冷机4之间的管路以及谐振管5共同用于消耗该第三部分声功，该下一个热声单元1中的热声发动机2接收该第四部分声功。这样，在整机的工作频率和外接阻抗均已满足制冷机4的工作条件的前提下，只需保证直线电机3的出口声功符合制冷机4对入口声功的需求即可使整机系统正常运行。可见，本发明的环路热声驱动冷热电联产系统结构采用将至少三个热声单元1通过谐振管5首尾相互连接从而形成环路的方式，同时，使得每个热声单元1均包括相互串联的热声发动机2、直线电机3以及制冷机4，可见，通过将制冷机4放置在直线电机3的后面，使得直线电机3的运行不再如旁接型结构中完全受制于制冷机4，同时，将直线电机3与热声发动机2进行直接串联，从而就有效地避免了热声发动机2的出口处存在分支位置，依次串联的制冷机4和直线电机3位于分支管路上的情况，从而也就有效地避免了因制冷机4在分支位置处对前后部件间的耦合度要求较高难以满足，分支位置处声功的分流比例参数不好控制的情况，进一步地，确保了整机的正常、有序和高效的工作。

需要说明的是，回热器231中填充有丝网，主换热器241、加热器242以及次换热器243的整体可为管壳式或是翅片式。

还需要说明的是，本实施例以三个热声单元1为例进行说明，当然，热声单元1的数量还可以为4个、5个或更多个。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环路热声驱动冷热电联产系统结构，其特征在于，包括：

至少三个热声单元，各个所述热声单元均通过谐振管首尾相互连接形成闭环回路，各个所述热声单元均包括依次串联的热声发动机、直线电机以及制冷机，其中，上一个热声单元中的所述热声发动机中的回热结构用于产生声功，所述声功包括第一部分声功、第二部分声功、第三部分声功以及第四部分声功，所述直线电机用于消耗所述第一部分声功，所述制冷机用于消耗所述第二部分声功，所述热声发动机中的换热结构、所述热声发动机与所述直线电机之间的管路、所述直线电机与所述制冷机之间的管路以及谐振管共同用于消耗所述第三部分声功，下一个热声单元中的热声发动机接收所述第四部分声功。

2.根据权利要求1所述的环路热声驱动冷热电联产系统结构，其特征在于，各个所述谐振管的出口端均与下一个所述热声单元中的所述热声发动机的入口端相连接。

3.根据权利要求2所述的环路热声驱动冷热电联产系统结构，其特征在于，所述热声发动机的出口端通过第一管路与所述直线电机的入口端相连接。

4.根据权利要求3所述的环路热声驱动冷热电联产系统结构，其特征在于，所述直线电机的出口端通过第二管路与所述制冷机的入口端相连接。

5.根据权利要求2所述的环路热声驱动冷热电联产系统结构，其特征在于，各个所述谐振管的入口端均与上一个所述热声单元中的所述制冷机的出口端相连接。

6.根据权利要求4所述的环路热声驱动冷热电联产系统结构，其特征在于，所述谐振管、所述第一管路以及所述第二管路的制造材质均为不锈钢。

7.根据权利要求1所述的环路热声驱动冷热电联产系统结构，其特征在于，所述热声发动机包括所述回热结构和设置在所述回热结构的外侧的换热结构。

8.根据权利要求7所述的环路热声驱动冷热电联产系统结构，其特征在于，所述回热结构包括回热器，所述换热结构包括分别设置在所述回热器的第一侧的主换热器和设置在所述回热器的第二侧的加热器。

9.根据权利要求8所述的环路热声驱动冷热电联产系统结构，其特征在于，所述换热结构还包括次换热器和热缓冲管，其中，所述热缓冲管的进口与所述加热器相连通，所述热缓冲管的出口与所述次换热器相连通。

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