CN113037052B - 多相热声磁流体发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多相热声磁流体发电机，包括：多个热声磁流体发电单元，且所述热声磁流体发电单元之间通过谐振管首尾连接；每个所述热声磁流体发电单元包括热声发动机和磁流体发电机，且所述热声发动机、所述磁流体发电机以及所述谐振管之间为气体工质。通过上述方式，每个热声磁流体发电单元中的热声发动机和磁流体发电机均采用气体工质，由此可以避免现有热声驱动磁流体发电机在空间应用中面临的气液界面不稳定问题，极大地扩展了热声磁流体发电机在空间微重力环境中的应用，而且气体谐振管作为谐振机构可以大幅提升现有热声驱动磁流体发电机的工作效率和比功率。

Description

多相热声磁流体发电机

技术领域

本发明涉及热声发电技术领域，尤其涉及一种多相热声磁流体发电机。

背景技术

当一个管道中存在适当的温度梯度和声场时，声波振荡就会自发产生，将热能转化成声波形式的机械能，这就是热致声效应。热声发动机作为一种新型外燃式热机，它利用热致声效应将热能转化为声能，也即声波形式的机械能，具有无机械运动部件带来的运行可靠和长寿命、潜在热效率高和环境友好等优点。将热声发动机和声电转换装置耦合在一起就能将热声发动机产生的声能转换为电能，这就是热声发电技术。

磁流体发电技术是一种可以把机械能转化为电能的发电技术，由于该发电技术的能量转换过程中无需机械运动部件，且能量转化效率较高，因此在空间发电、波浪能发电等领域有广泛的应用。目前，热声发动机和磁流体发电技术形成的现有热声驱动磁流体发电机中热声发动机和磁流体发电机由于使用不同种工质而引入的气液界面不稳定问题，进而热声驱动磁流体发电机工作频率低，比功率低且无法输出多相交流电。

发明内容

本发明实施例提供一种多相热声磁流体发电机，用以解决现有技术中发电机气液不稳定进而致使发电效率低的技术问题。

本发明实施例提供一种多相热声磁流体发电机，包括：多个热声磁流体发电单元，且所述热声磁流体发电单元之间通过谐振管首尾连接；

每个所述热声磁流体发电单元包括热声发动机和磁流体发电机，且所述热声发动机与所述磁流体发电机之间采用气体工质。

根据本发明一个实施例的多相热声磁流体发电机，所述磁流体发电机包括气体电离系统、电荷载流子分离系统以及感应线圈组；

所述感应线圈组套设于所述谐振管外，所述电荷载流子分离系统包括正、负两个输出端，且两个所述输出端位于所述谐振管内且与所述感应线圈组的位置相对应，所述气体电离系统的电离端位于所述谐振管内，且处于两个所述输出端之间。

根据本发明一个实施例的多相热声磁流体发电机，所述气体电离系统包括设于所述谐振管外的脉冲高压电源、与所述脉冲高压电源电连接的两个电离电极，所述电离电极位于所述谐振管内且与所述电离端相对应；

所述电荷载流子分离系统包括第一极化电极、第二极化电极以及与所述第一极化电极和所述第二极化电极相电连接的高压直流电源，所述第一极化电极和所述第二极化电极位于所述谐振管内且与两个所述输出端相对应；

所述感应线圈组包括第一感应单元和第二感应单元，所述第一感应单元与所述第一极化电极的位置相对应，所述第二感应单元与所述第二极化电极的位置相对应。

根据本发明一个实施例的多相热声磁流体发电机，两个所述电离电极产生的电场方向与所述谐振管的轴线方向垂直；

所述第一极化电极与所述第二极化电极产生的电场方向与所述谐振管的轴线方向平行。

根据本发明一个实施例的多相热声磁流体发电机，所述第一感应单元包括第一环形磁芯和缠绕于所述第一环形磁芯的第一线圈；

所述第二感应单元包括第二环形磁芯和缠绕于所述第二环形磁芯的第二线圈；

所述第一环形磁芯和所述第二环形磁芯套设于所述谐振管外。

根据本发明一个实施例的多相热声磁流体发电机，所述第一极化电极和所述第二极化电极均包括多个层叠设置的电极片。

根据本发明一个实施例的多相热声磁流体发电机，所述热声发动机包括依次连接的水冷器、回热器、加热器、热缓冲管以及次级水冷器；

所述水冷器和所述次级水冷器与外界低温热源换热形成室温端，所述加热器吸收外界高温热源热量形成高温端。

根据本发明一个实施例的多相热声磁流体发电机，所述水冷器远离所述回热器的一端还设有声直流抑制器，用于抑制所述谐振管内的声直流。

根据本发明一个实施例的多相热声磁流体发电机，所述声直流抑制器为弹性膜或者非对称的喷射泵。

根据本发明一个实施例的多相热声磁流体发电机，所述气体工质为氮气、氦气、二氧化碳以及氩气中的一种或其组合。

本发明实施例提供的多相热声磁流体发电机，多个热声磁流体发电单元首尾相连接形成循环，且每个热声磁流体发电单元中的热声发动机和磁流体发电机均采用气体工质，由此可以避免现有热声驱动磁流体发电机在空间应用中面临的气液界面不稳定问题，极大地扩展了热声磁流体发电机在空间微重力环境中的应用，而且采用气体谐振管作为谐振机构，可以大幅提升现有热声驱动磁流体发电机的工作效率和比功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明多相热声磁流体发电机一实施例的结构示意图；

图2为图1所示的多相热声磁流体发电机另一实施例的结构示意图；

图3为图1所示的磁流体发电机的内部结构示意图；

附图标记：

10、热声磁流体发电 20、热声发动机； 210、水冷器；

单元；

220、回热器； 230、加热器； 240、热缓冲管；

250、次级水冷器； 260、声直流抑制器； 30、磁流体发电机；

310、气体电离系统； 3110、脉冲高压电源； 3120、电离电极；

320、电荷载流子分离 3210、第一极化电极； 3220、第二极化电极；

系统；

3230、高压直流电源； 330、感应线圈组； 3310、第一感应单元；

33110、第一环形磁 33120、第一线圈； 3320、第二感应单元；

芯；

33210、第二环形磁 33220、第二线圈； 40、谐振管。

芯；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。

需要说明的是，本申请实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它组件或单元。

下面结合图1，本发明提供一种多相热声磁流体发电机，包括多个热声磁流体发电单元10，且热声磁流体发电单元10之间通过谐振管40首尾连接。需要说明的是，热声磁流体发电单元10可以为2个，例如图2所示，也对应热声磁流体发电单元10的数量至少为2个，且2个热声磁流体发电单元10之间首尾连接，也即每个热声发动机20两侧设有两个磁流体发电机30；而每个磁流体发电机30两侧与两个热声发动机20相连接。在其他实施例中，热声磁流体发电单元10的数量也可以为3个或者4个等，均为首尾连接，具体特征在此不做过多阐述。本发明以3个热声磁流体发电单元10为例进行阐述，但不对此进行限定。

每个热声磁流体发电单元10包括热声发动机20和磁流体发电机30，且热声发动机20、磁流体发电机30以及谐振管40之间为气体工质。因为热声发动机20和磁流体发电机30之间均采用气体工质，进而可以解决现有的热声驱动磁流体发电机中热声发动机20和磁流体发电机30由于使用不同种工质而引入的气液界面不稳定问题，极大地扩展了热声磁流体发电机30在空间微重力环境中的应用，而且气体的谐振管40作为谐振机构可以大幅提升现有热声驱动磁流体发电机的工作效率和比功率。

请继续参照图1和图3，在本发明一实施例中，磁流体发电机30包括气体电离系统310、电荷载流子分离系统320以及感应线圈组330。感应线圈组330套设于谐振管40外，电荷载流子分离系统320包括正、负两个输出端，且两个输出端位于谐振管40内且与感应线圈组330的位置相对应，气体电离系统310的电离端位于谐振管40内，且处于两个输出端之间。

具体地，气体电离系统310包括设于谐振管40外的脉冲高压电源3110、与脉冲高压电源3110电连接的两个电离电极3120，电离电极3120位于谐振管40内且与电离端相对应。两个电离电极3120分别为正电极和负电极。电荷载流子分离系统320包括第一极化电极3210、第二极化电极3220以及与第一极化电极3210和第二极化电极3220相电连接的高压直流电源3230，第一极化电极3210和第二极化电极3220位于谐振管40内且与两个输出端相对应。需要说明的是，3组热声磁流体发电单元10可以分别对应设置一个高压直流电源3230和脉冲高压电源3110，或者也可以共用一个高压直流电源3230和脉冲高压电源3110，在此不做限定。

感应线圈组330包括第一感应单元3310和第二感应单元3320，第一感应单元3310与第一极化电极3210的位置相对应，第二感应单元3320与第二极化电极3220的位置相对应。也即第一极化电极3210外侧套设有第一感应单元3310，第二极化电极3220的外侧套设有第二感应单元3320，两个电离电极3120位于第一极化电极3210和第二极化电极3220之间。第一感应单元3310包括第一环形磁芯33110和缠绕于第一环形磁芯33110的第一线圈33120。第二感应单元3320包括第二环形磁芯33210和缠绕于第二环形磁芯33210的第二线圈33220。第一环形磁芯33110和第二环形磁芯33210套设于谐振管40外。也即第一环形磁芯33110套设于与第一极化电极3210所对应的谐振管40外，第二环形磁芯33210套设于第二极化电极3220相对应的谐振管40外。

进一步地，两个电离电极3120产生的电场方向与谐振管40的轴线方向垂直。第一极化电极3210与第二极化电极3220产生的电场方向与谐振管40的轴线方向平行。也即，两个电离电极3120将气体工质电离形成等离子体，此时的等离体子为散乱状态，当高压直流电源3230通电后，会将散乱的等离子体形成电荷载流子，符号相反的电荷载流子分别被分离至第一极化电极3210和第二极化电极3220上。由热声发动机20产生的声功便可以推动气体谐振子往复振荡，进而带动第一极化电极3210和第二极化电极3220上的电荷载流子沿谐振管40的轴向往复运动形成交流电。

为使第一极化电极3210和第二极化电极3220具有较大的比面积，第一极化电极3210和第二极化电极3220均包括多个层叠设置的电极片。

在本发明一实施例中，热声发动机20两侧分别连接两个磁流体发电机30，且热声发动机20包括依次连接的水冷器210、回热器220、加热器230、热缓冲管240以及次级水冷器250。水冷器210和次级水冷器250与外界低温热源换热形成室温端，加热器230吸收外界高温热源热量形成高温端。进一步地，水冷器210远离回热器220的一端还设有声直流抑制器260，用于抑制谐振管40内的声直流。在本发明一实施例中，声直流抑制器260为弹性膜或者非对称的喷射泵。

在本发明一实施例中，气体工质可以为氮气、氦气、二氧化碳以及氩气中的一种或其组合。气体电离系统310将气体工质电离形成等离子体，然后高压直流电源3230提供的直流电场将等离子体形成电荷载流子，并将电荷载流子分离，符号相反的电荷载流子分别分离至第一极化电极3210和第二极化电极3220上。当热声发动机20的加热器230吸收外界高温热量形成高温端，水冷器210与外界低温热源换热形成室温端，进而回热器220的两端形成温度梯度。当温度梯度超过临界温度梯度时，热声发动机20将上一热声磁流体发电单元10的热声发动机20传递的声功在回热器220放大，放大后的声功沿温度梯度的正方向传播，依次经过加热器230、热缓冲管240和次级水冷器250并向谐振管40输出，传递到谐振管40中的一部分声功用于推动谐振管40的气体工质往复振荡，带动第一极化电极3210和第二极化电极3220上的电荷载流子往复运动，从而使得第一极化电极3210和第二极化电极3220上的电荷载流子往复运动，从而产生交流电。产生的交流电在第一线圈33120和第二线圈33220上产生感应电动势，进而对外输出电能。剩余的声功可以沿谐振管40传递到下一热声磁流体发电单元10的水冷器210中，并在下一热声磁流体发电单元10的回热器220中放大，如此循环。

进一步地，现有热声驱动磁流体发电机往往只能输出单相交流电，而本发明提供的一种多相热声磁流体发电机中，因为多台热声发动机20串联时，每相邻两台热声发动机20中压力波和体积流相位分别相差360°/N，所以相邻两组磁流体发电机30中，第一线圈33120和第二线圈33220内磁通量变化相位总是相差360°/N，线圈感应产生的电压相位差为360°/N，由此，该热声磁流体发电机30便可向外输出多相交流电。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (9)

1.一种多相热声磁流体发电机，其特征在于，包括：

多个热声磁流体发电单元，且所述热声磁流体发电单元之间通过谐振管首尾连接；

每个所述热声磁流体发电单元包括热声发动机和磁流体发电机，且所述热声发动机与所述磁流体发电机之间采用气体工质；

所述磁流体发电机包括气体电离系统、电荷载流子分离系统以及感应线圈组；

所述感应线圈组套设于所述谐振管外，所述电荷载流子分离系统包括正、负两个输出端，且两个所述输出端位于所述谐振管内且与所述感应线圈组的位置相对应，所述气体电离系统的电离端位于所述谐振管内，且处于两个所述输出端之间。

2.根据权利要求1所述的多相热声磁流体发电机，其特征在于，所述气体电离系统包括设于所述谐振管外的脉冲高压电源、与所述脉冲高压电源电连接的两个电离电极，所述电离电极位于所述谐振管内且与所述电离端相对应；

所述电荷载流子分离系统包括第一极化电极、第二极化电极以及与所述第一极化电极和所述第二极化电极相电连接的高压直流电源，所述第一极化电极和所述第二极化电极位于所述谐振管内且与两个所述输出端相对应；

所述感应线圈组包括第一感应单元和第二感应单元，所述第一感应单元与所述第一极化电极的位置相对应，所述第二感应单元与所述第二极化电极的位置相对应。

3.根据权利要求2所述的多相热声磁流体发电机，其特征在于，两个所述电离电极产生的电场方向与所述谐振管的轴线方向垂直；

所述第一极化电极与所述第二极化电极产生的电场方向与所述谐振管的轴线方向平行。

4.根据权利要求2所述的多相热声磁流体发电机，其特征在于，所述第一感应单元包括第一环形磁芯和缠绕于所述第一环形磁芯的第一线圈；

所述第二感应单元包括第二环形磁芯和缠绕于所述第二环形磁芯的第二线圈；

所述第一环形磁芯和所述第二环形磁芯套设于所述谐振管外。

5.根据权利要求2所述的多相热声磁流体发电机，其特征在于，所述第一极化电极和所述第二极化电极均包括多个层叠设置的电极片。

6.根据权利要求1所述的多相热声磁流体发电机，其特征在于，所述热声发动机包括依次连接的水冷器、回热器、加热器、热缓冲管以及次级水冷器；

所述水冷器和所述次级水冷器与外界低温热源换热形成室温端，所述加热器吸收外界高温热源热量形成高温端。

7.根据权利要求6所述的多相热声磁流体发电机，其特征在于，所述水冷器远离所述回热器的一端还设有声直流抑制器，用于抑制所述谐振管内的声直流。

8.根据权利要求7所述的多相热声磁流体发电机，其特征在于，所述声直流抑制器为弹性膜或者非对称的喷射泵。

9.根据权利要求1所述的多相热声磁流体发电机，其特征在于，所述气体工质为氮气、氦气、二氧化碳以及氩气中的一种或其组合。

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