CN113915086A - 一种波纹管密封谐振子、热声发动机和热声制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种波纹管密封谐振子、热声发动机和热声制冷系统，该波纹管密封谐振子包括：波纹管、谐振片和液体；所述谐振片安装在所述波纹管的两端，所述谐振片与所述波纹管形成密封空间，所述密封空间内填充有液体。本发明提供的波纹管密封谐振子，在不影响液体谐振子的功能的前提下，采用波纹管对液体谐振子进行封装，并在波纹管的两端连接谐振片，可直接通过热声发动机的管壁内的气体驱动两端的谐振片运动，有效解决统液体谐振子液面不稳定、不能翻转等问题。

Description

一种波纹管密封谐振子、热声发动机和热声制冷系统

技术领域

本发明涉及热声领域，尤其涉及一种波纹管密封谐振子、热声发动机和热声制冷系统。

背景技术

热声发动机是一种将热能转化机械能的能量转换系统，如图1，核心部件主要包括加热器1、回热器2、水冷器3和谐振管7。加热器1温度升高，水冷器3保持一定的温度，回热器2内轴线方向就会建立起温度梯度，当温度梯度达到一定值时，系统内气体就会产生自激振荡，发动机将热能转化为声波形式的机械能。因为热声发动机没有运动部件，因此可靠性非常高，同时因为其理论热力循环效率与卡诺循环相等，因此热声发动机的效率高，具有良好的应用前景。

谐振管一般采用较长的空管道，为了使系统获得所需的工作频率，谐振管的长度通常要达到数米甚至十米以上，因此非常不紧凑，同时气体的流动损失也非常大，难以实际应用。因此人们提出采用U型液柱来替代谐振管，如图2。在一根U型管5中冲入液体，液体具有一定的质量，液柱两端密封的气体则具有一定的弹性，从而可以是系统工作在一定的频率。有液柱质量远大于声学谐振管中的气体，因此液体谐振子的尺寸可以大大减小，同时流动损失也大幅度减少，系统效率大为提升。但液体谐振子也存在一定的问题，当液体谐振子里面的液柱的运动幅度增大时，液柱面就会不稳定，出现液滴脱离液柱的现象，这限制热声发动机性能的提升。液柱会产生少量的蒸汽进入热声发动机，容易使发动机换热性能下降。同时由于液体的流动性，液体振子不能倾斜或翻转，也大大限制了其实际应用。

发明内容

本发明实施例提供一种波纹管密封谐振子、热声发动机和热声制冷系统，用以解决传统液体谐振子液面不稳定、不能翻转等问题。

本发明实施例提供一种波纹管密封谐振子，包括：

波纹管、谐振片和液体；

所述谐振片安装在所述波纹管的两端，所述谐振片与所述波纹管形成密封空间，所述密封空间内填充有所述液体。

根据本发明一个实施例的波纹管密封谐振子，所述波纹管密封谐振子还包括：固定件；所述波纹管通过所述固定件安装在热声发动机的管壁内；所述波纹管和所述固定件将所述管壁分隔成两部分；所述波纹管包括：第一波纹管和第二波纹管；所述谐振片包括：第一谐振片和第二谐振片；

所述第一波纹管连接在所述固定件的第一端，所述第一谐振片连接在所述第一波纹管远离所述固定件的一端；所述第二波纹管连接在所述固定件的第二端，所述第二谐振片连接在所述第二波纹管远离所述固定件的一端。

根据本发明一个实施例的波纹管密封谐振子，所述波纹管密封谐振子还包括：连接轴；

所述固定件上设有轴承孔和连通孔，所述第一波纹管通过所述连通孔与所述第二波纹管连通，所述连接轴穿过所述轴承孔，所述连接轴的第一端与所述第一谐振片连接，所述连接轴的第二端与所述第二谐振片连接。

根据本发明一个实施例的波纹管密封谐振子，所述波纹管密封谐振子还包括：第一填充块和第二填充块；

所述连接轴的第一端通过所述第一填充块与所述第一谐振片连接，所述连接轴的第二端通过所述第二填充块与所述第二谐振片连接。

根据本发明一个实施例的波纹管密封谐振子，所述固定件为固定法兰，所述谐振片为平板法兰，所述波纹管为焊接波纹管。

本发明实施例还提供一种热声发动机，包括上述的波纹管密封谐振子。

根据本发明一个实施例的热声发动机，所述热声发动机还包括：热声发动机结构；所述热声发动机结构包括：管壁和依次连接且设置在所述管壁内的第一热腔、第一加热器、第一回热器和第一水冷器；

所述第一热腔依次通过所述第一加热器、所述第一回热器和所述第一水冷器与所述波纹管第一端的谐振片间隔设置。

根据本发明一个实施例的热声发动机，所述热声发动机包括：多个热声发动机结构和多个所述波纹管密封谐振子；

相邻所述波纹管密封谐振子的首尾两端通过对应的所述热声发动机结构连通。

本发明实施例还提供一种热声制冷系统，包括上述的热声发动机。

本发明提供的波纹管密封谐振子，在不影响液体谐振子的功能的前提下，采用波纹管对液体谐振子进行封装，并在波纹管的两端连接谐振片，可直接通过热声发动机的管壁内的气体驱动两端的谐振片运动，有效解决统液体谐振子液面不稳定、不能翻转等问题。

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是带声学谐振管的热声发动机的结构示意图；

图2是U型液体谐振子的热声发动机；

图3是本发明一实施例提供的波纹管密封谐振子的结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的波纹管密封谐振子的结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的热声发动机的结构示意图；

图6是本发明另一实施例提供的热声发动机的结构示意图；

图7是本发明一实施例提供的热声制冷系统的结构示意图；

附图标记：

1、加热器；2、回热器；3、水冷器；5、U型管；6、管壁；7、谐振管；8、固定件；9、连接轴；10、第一填充块；11、第二填充块；12、第一热腔；13、第一加热器；14、第一回热器；15、第一水冷器；16、热声制冷结构；71、波纹管；72、谐振片；73、液体。

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。

下面结合图3描述本发明实施例的提供的波纹管密封谐振子，该波纹管密封谐振子包括：波纹管71、谐振片72和液体73。

谐振片72安装在波纹管71的两端，谐振片72与波纹管71形成密封空间，密封空间内填充有液体73。波纹管71固定在热声发动机的管壁6内，将管壁6分隔成两部分。管壁6两侧的管道内气体不能在固定处自由连通。

由于波纹管71具有良好的伸缩性能，当气体推动一侧的谐振片72运动时，由于液体73基本没有可压缩性，另一侧的谐振片72就会进行相同的运动。由于液体73被密封在波纹管内，即使整个结构翻倒过，谐振子的方向也不会受到限制。

其中，固定件8可选用固定法兰，谐振片72可选用平板法兰，波纹管71为选用焊接波纹管。焊接波纹管利用精密焊接所制成的高度可弯曲及伸缩的金属管，主要由两成型中空膜片以同心圆的方式作内缘焊接组成膜片对，再将多个膜片对堆垒一起作外缘焊接组成波纹段，再于两端和端板金属焊接组合成波纹管组，如此便可应外部的需要与谐振片72一起作往复运动。

本发明实施例提供的波纹管密封谐振子，在不影响液体谐振子的功能的前提下，采用波纹管对液体谐振子进行封装，并在波纹管的两端连接谐振片，可直接通过热声发动机的管壁内的气体驱动两端的谐振片运动，有效解决统液体谐振子液面不稳定、不能翻转等问题。

在本发明提供的一实施例中，如图3所示，波纹管71包括：第一波纹管和第二波纹管。谐振片72包括：第一谐振片和第二谐振片。第一波纹管连接在固定件8的第一端，第一谐振片连接在第一波纹管远离固定件8的一端；第二波纹管连接在固定件8的第二端，第二谐振片连接在第二波纹管远离固定件8的一端。

波纹管71可采用焊接的方式进行固定。其中，第一波纹管焊接在固定件8的第一端，第二波纹管焊接在固定件8的第二端。第一谐振片焊接在第一波纹管远离固定件8的一端。第二谐振片焊接在第二波纹管远离固定件8的一端。

由于液体73和谐振片72带有一定的重量，而波纹管71较为柔软，为减少谐振片72重力对波纹管71的变形影响。如图4所示，波纹管密封谐振子还包括：连接轴9。固定件8上设有轴承孔和连通孔，第一波纹管通过连通孔与第二波纹管连通，用于连通固定件8两侧的液体73。连接轴9穿过轴承孔，连接轴的第一端与第一谐振片连接，连接轴9的第二端与第二谐振片连接。当气体推动第一谐振片运动时，由于液体73基本没有可压缩性，第一谐振片通过连接轴9带动第二谐振片，第二谐振片就会进行相同的运动。

如果波纹管71内的填充液体73是润滑油，那么还可以在轴承孔内起到润滑的作用。

进一步地，在连接轴9上还可以固定填充块材料，减少液体73的填充量，这样液体73的重力对波纹管71的变形影响也可以减少。具体地，波纹管密封谐振子还包括：第一填充块10和第二填充块11；连接轴9的第一端通过第一填充块10与第一谐振片连接，连接轴9的第二端通过第二填充块11与第二谐振片连接。

区别于上述实施例，本实施例采用连接轴将两侧的谐振片连接，并连接轴上设置填充块，可以有效降低谐振片和液体重力对波纹管的变形影响。

本发明还提供一种热声发动机，如图5所示，该热声发动机包括：上述波纹管密封谐振子。该波纹管密封谐振子的结构可参阅图3至图4相关的文字描述，再此不在赘述。

其中，热声发动机还包括：热声发动机结构。热声发动机结构包括：管壁6和依次连接且设置在管壁6内的第一热腔12、第一加热器13、第一回热器14及第一水冷器15；第一热腔12依次通过第一加热器13、第一回热器14和第一水冷器15与波纹管71第一端的谐振片72间隔设置。

工作过程中，第一加热器13温度升高，第一水冷器15保持一定的温度，第一回热器14内轴线方向就会建立起温度梯度，当温度梯度达到一定值时，波纹管71内的液体就会产生自激振荡，从而发动机将热能转化为声波形式的机械能。而且由于有液体73被波纹管71密封，液体73的蒸汽也不会对热声发动机内的换热产生影响。

为加强热声发动机的功率，如图6所示，热声发动机包括：多个热声发动机结构和多个波纹管密封谐振子。相邻波纹管密封谐振子的首尾两端通过对应的热声发动机结构连通。本实施例中，每个波纹管密封谐振子均连接有一个热声发动机结构。

此外，在其它实施例中，还可根据实际需求调整热声发动机结构和波纹管密封谐振子的数量，满足不同工作需要。

本发明实施例提供的热声发动机，采用波纹管对液体谐振子进行封装，并在波纹管的两端连接谐振片，可直接通过热声发动机的管壁内的气体驱动两端的谐振片运动，有效解决统液体谐振子液面不稳定、不能翻转等问题。而且由于有液体被密封，液体蒸汽也不会对热声发动机内的换热产生影响。

本发明还提供一种热声制冷系统，如图7所示，该热声制冷系统包括上述热声发动机。热声发动机的结构可参阅图5至图6相关的文字描述，再此不在赘述。

工作时，热声发动机产生的声功输入至热声制冷结构16内，通过热声逆效应，使低温换热器与高温换热器之间产生温差。

此外，在其它实施例中，还可设置利用热声发动机驱动多个热声制冷结构16。相邻的波纹管密封谐振子的首尾两端通过热声发动机结构或热声制冷结构16连通。其中，热声发动机结构和热声制冷结构16的数量可根据实际需求调整。

本发明实施例提供的热声制冷系统，采用波纹管对液体谐振子进行封装，并在波纹管的两端连接谐振片，可直接通过热声发动机的管壁内的气体驱动两端的谐振片运动，有效解决统液体谐振子液面不稳定、不能翻转等问题。而且由于有液体被密封，液体蒸汽也不会对热声制冷系统内的换热产生影响。

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)

1.一种波纹管密封谐振子，其特征在于，包括：

波纹管、谐振片和液体；

所述谐振片安装在所述波纹管的两端，所述谐振片与所述波纹管形成密封空间，所述密封空间内填充有所述液体。

2.根据权利要求1所述的波纹管密封谐振子，其特征在于，所述波纹管密封谐振子还包括：固定件；所述波纹管通过所述固定件安装在热声发动机的管壁内；所述波纹管和所述固定件将所述管壁分隔成两部分；所述波纹管包括：第一波纹管和第二波纹管；所述谐振片包括：第一谐振片和第二谐振片；

所述第一波纹管连接在所述固定件的第一端，所述第一谐振片连接在所述第一波纹管远离所述固定件的一端；所述第二波纹管连接在所述固定件的第二端，所述第二谐振片连接在所述第二波纹管远离所述固定件的一端。

3.根据权利要求2所述的波纹管密封谐振子，其特征在于，所述波纹管密封谐振子还包括：连接轴；

所述固定件上设有轴承孔和连通孔，所述第一波纹管通过所述连通孔与所述第二波纹管连通，所述连接轴穿过所述轴承孔，所述连接轴的第一端与所述第一谐振片连接，所述连接轴的第二端与所述第二谐振片连接。

4.根据权利要求3所述的波纹管密封谐振子，其特征在于，所述波纹管密封谐振子还包括：第一填充块和第二填充块；

所述连接轴的第一端通过所述第一填充块与所述第一谐振片连接，所述连接轴的第二端通过所述第二填充块与所述第二谐振片连接。

5.根据权利要求2所述的波纹管密封谐振子，其特征在于，所述固定件为固定法兰，所述谐振片为平板法兰，所述波纹管为焊接波纹管。

6.一种热声发动机，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的波纹管密封谐振子。

7.根据权利要求6所述的热声发动机，其特征在于，所述热声发动机还包括：热声发动机结构；所述热声发动机结构包括：管壁和依次连接且设置在所述管壁内的第一热腔、第一加热器、第一回热器和第一水冷器；

所述第一热腔依次通过所述第一加热器、所述第一回热器和所述第一水冷器与所述波纹管第一端的所述谐振片间隔设置。

8.根据权利要求7所述的热声发动机，其特征在于，所述热声发动机包括：多个热声发动机结构和多个所述波纹管密封谐振子；

相邻所述波纹管密封谐振子的首尾两端通过对应的所述热声发动机结构连通。

9.一种热声制冷系统，其特征在于，包括如权利要求6-8任一项所述的热声发动机。

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