CN114649921A - 一种感应式热声液态金属磁流体发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统，将感应式液态金属磁流体发电机耦合在热声发动机的谐振管内，通过热声效应将核反应堆提供的热能转化为热声发动机内工质往复振荡的声能(机械能)，推动感应式液态金属磁流体发电机中的液态金属往复运动，在外加恒定磁场的作用下，磁芯周围的环形流道中往复流动的液态金属中感应出交变的环形电流，进而产生沿流道轴向的交变磁场，进一步，交变磁场在缠绕于管道外侧的线圈中感应出电动势，通过外接负载，即可实现电能的输出，该系统由于使用了热声发动机和磁流体发电机相结合的发电技术，理论发电效率高且完全无机械运动部件，可靠性高，使用寿命长。

Description

一种感应式热声液态金属磁流体发电系统

技术领域

本发明涉及核热发电技术，特别涉及一种感应式热声液态金属磁流体发电系统。

背景技术

随着经济社会的发展，人们对能源的需求量越来越大。传统的化石能源储量有限，且有很高的化工价值，单纯地用于发电是奢侈且不可持续的。同时，化石燃料的燃烧会产生各种污染物且会排放大量的温室气体，引发各种环境污染问题和日益严重的全球温室效应。由于这些原因，新能源的开发、研究以及应用日益受到各国重视。在各种新能源中，核能以其极高的能量密度和储量以及日益提升的可控性而在各国的发电领域得到广泛的应用，核电在全球的装机总量中占比仅次于传统火力发电且逐年提高。

热声发动机是一种把热能直接转化为声能的能量转化装置。由于其无机械运动部件，因此具有可靠性高、使用寿命长等优点；由于其属于外燃式热机，因此具有能源适应性好的优点，可利用核能、太阳能、工业余热、生物质能等多种热源；由于行波热声发动机基于可逆的热力循环，因此其潜在热效率高。

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，因此在空间发电等领域有广泛的应用。按照电流引出方式的不同，磁流体发电机可以分为传导式和感应式两种。在传导式磁流体发电机中，电流由工质通道两侧的电极引出；在感应式磁流体发电机中，电流由绕于工质通道外部的线圈引出。磁流体发电机中的工作介质为导电流体，目前使用较为广泛的是等离子气体和液态金属。对于以等离子气体为工作介质的磁流体发电机，由于气体的电离需要很高的温度，因此磁流体发电机的工作温度往往在2000K以上，这对材料的耐热性能提出了很高的要求，同时其无法利用温度较低的热源。另一方面，由于电离气体的导电性比较差，需要在其中加入钾、铯等易电离物质作为“种子”以提高等离子体的电导率，这会造成传导式磁流体发电机中电极的腐蚀，同时“种子”的回收也是一大难题。而使用液态金属作为工作介质的磁流体发电机，由于液态金属没有高温电离的需求，因此发电机的工作温度可以比较低；由于液态金属的高电导率，也没有必要引入“种子”，因此也不存在由“种子”带来的种种困难。

把热声发动机和液态金属磁流体发电机相结合可以构成一种完全无机械运动部件的热电转换装置，该发电装置结合了热声发动机和液态金属磁流体发电机的优势，可以广泛应用于各种热发电场合，包括地面和空间核热发电。

专利CN102592693A公开了一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统，该系统使用磁流体循环泵驱动被加热的液态金属通过传导式磁流体发电机，以使液态金属切割垂直于流道的磁感应线而在流道两侧的极板上产生感应电动势。但液态金属磁流体的热能无法直接作用于传导式磁流体发电机，使液态金属作用于传导式磁流体发电机的实际上是磁流体循环泵提供的机械能，这从传导式磁流体发电机对液态金属的反作用就可以看出。所以实际上该系统的能量转化路径为：外部电能—>磁流体循环泵机械能—>液态金属机械能—>传导式磁流体发电机中的电能。所以，该系统最终产生的电能是由外部输入的电能转化而成的，而不是核能转化而成的，因此该方案是无法实现其核能发电目的的。同时，由于该系统使用的是传导式磁流体发电机，输出电流大、电压小，且输出电能为直流电，不利于实际应用。

专利US4599551(A)、CN101282074B、CN106533119A各公开了一种热声液态金属磁流体发电系统，它们使用的热声发动机各有不同。US4599551(A)中使用驻波热声发动机作为驱动源，且整个发电机中均使用液态金属作为工作物质。由于驻波热声发动机基于不可逆的热力学循环，其潜在效率较低；由于热声发动机使用液态金属作为工质，设计难度和制作成本较高；液体热声发动机工作频率很高，可达1kHz，与市电频率(50～60Hz)相差很大，不利于实际利用；由于液态金属的高导热率，使得热声发动机的轴向导热损失很大，这会在一定程度上降低其热电效率。

基于上述缺点，专利CN101282074B提出了改进方案。该方案使用行波热声发动机作为动力源，且热声发动机中的工作物质为气体，依靠重力或者弹性膜分隔热声发动机和液态金属磁流体发电机中的工作物质。但该系统中使用的热声发动机为传统的行波热声发动机，谐振管体积和重量大，损耗严重；同时由于该系统使用的是传导式磁流体发电机，输出电流大、电压小，不能很好地满足电力传输和负载使用的需求。

为此，专利CN106533119A提出了进一步的改进方案，该方案中使用单级回路行波热声发动机作为动力源，同时把传导式磁流体发电机中的工质流道分隔为多层环形流道，每层流道中分别布置电极，各层流道中的电极串联以增大输出电压。

但由于该系统仍然使用传导式磁流体发电机，故存在以下缺陷：第一，由于要把磁流体发电机中的工质流道分隔为多层流道，且分别布置电极，使得整个系统的结构变得复杂，加工装配难度较大；第二，由于其输出电压与流道层数呈正比，为了获得大的输出电压，就需要很多层流道，这会增大流动的黏性损失；第三，由于电极布置在流道内部，电极引线需要通过管道上的小孔连接到外部负载，这带来一定的装配和密封问题。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种克服现有液态金属磁流体核能发电系统中输出电能为直流电且电流大、电压小以致不利于实际应用和现有热声液态金属磁流体发电系统中磁流体发电机结构复杂、流动损失大、密封和装配困难的缺点的感应式热声液态金属磁流体发电系统。

为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

一种感应式热声液态金属磁流体发电系统，包括：换热子单元、单级回路行波热声发动机单元和感应式液态金属磁流体发电机单元；

所述换热子单元包括核反应堆、液态金属管路和电磁泵，所述核反应堆的一端通过所述液态金属管路连接所述电磁泵的一侧，所述电磁泵的一侧通过所述液态金属管路连接所述核反应堆的另一端，所述液态金属管路中的液态金属在所述核反应堆中吸收热量，所述电磁泵用于驱动所述液态金属管路中的液态金属循环流动；

所述单级回路行波热声发动机单元包括谐振管、容腔及依次连接的主室温换热器、回热器、加热器、热缓冲管、次室温换热器和变径管，所述谐振管为竖直放置的U型管，所述容腔设置于所述谐振管上，所述容腔可使所述回热器处于行波占主导的声场且提高所述谐振管中的行波成分；

所述感应式液态金属磁流体发电机单元包括永磁体、磁芯、磁性支架、轭铁、线圈和非磁性材料，所述磁性支架安装于所述磁芯的外围用于支撑所述磁芯及导磁，所述永磁体设置于所述磁芯的外围，所述线圈缠绕于所述永磁体的外围，所述非磁性材料设置于所述永磁体及所述线圈的两侧，所述轭铁与所述磁性支架对应设置，以形成磁回路；

所述核反应堆中的核反应产生热量，由所述电磁泵驱动所述液态金属管路中的液态金属把热量从所述核反应堆中带到所述加热器中，对所述单级回路行波热声发动机单元中的工质进行加热，所述主室温换热器对气体工质进行冷却，并由所述回热器中的气体工质建立起轴向温度梯度，当所述轴向温度梯度大于临界温度梯度时，所述单级回路行波热声发动机单元中产生自激振荡，将热能转化为往复振荡的机械能，所述机械能通过气液界面传递给所述液态金属，推动所述液态金属在所述谐振管中往复振荡；同时，所述永磁体、所述磁芯、所述磁性支架和所述轭铁在所述磁芯周围的环形流道中建立起沿径向的恒定磁场，且所述恒定磁场的磁感应线的流通路径为：由所述永磁体依次经所述环形流道中的液态金属、所述磁芯、所述磁性支架、所述轭铁及所述线圈返回至所述永磁体，在所述恒定磁场的作用下，所述磁芯周围的环形流道中产生交变的环形电流，所述环形电流绕所述磁芯的周向流动；交变的环形电流进一步在所述磁芯中产生交变磁场，所述交变磁场使得所述线圈中的磁通量周期性波动变化，所述线圈中即可产生感生电动势，通过外接负载输出电能。

在其中一些实施例中，所述气体为氦气或氮气，所述低熔点液态金属为钠或钠钾合金或镓铟锡合金。

在其中一些实施例中，所述电磁泵为感应式电磁泵或传导式电磁泵。

在其中一些实施例中，所述容腔为一段直径为所述谐振管的直径2-5倍的空管道，且所述容腔与所述回热器的距离为1/4声波波长，以使所述回热器处于行波占主导的声场，同时提高所述谐振管中的行波成分。

在其中一些实施例中，所述磁芯的两端部为能够起导流作用的光滑曲面结构。

在其中一些实施例中，所述磁性支架左右各3个对称布置在所述磁芯两侧，且每侧的3个磁性支架沿所述磁芯的轴线轴对称布置，起固定支撑所述磁芯和导磁的作用，所述磁性支架为流线型结构。

在其中一些实施例中，所述线圈的缠绕方向与所述环形电流方向一致且分别与管道轴向、所述恒定磁场方向垂直。

在其中一些实施例中，所述换热子单元还包括防辐射屏和辐射散热板，部分所述液态金属管路、所述电磁泵及所述加热器设置于所述防辐射屏内，所述辐射散热板连接所述主室温换热器。

在其中一些实施例中，所述辐射散热板为圆盘形，其平面与所述主室温换热器的轴线垂直。

在其中一些实施例中，在所述谐振管的两个气液交界面处各设置了两个变径管和安装于所述变径管之间的弹性膜，以将液态金属与所述谐振管中的气体工质分隔开。

在其中一些实施例中，所述换热子单元中的循环工质为高沸点液态金属，所述单级回路行波热声发动机单元中的工质为气体或液态金属，所述感应式液态金属磁流体发电机单元中的工质为低熔点液态金属。

另外，本发明还提供了一种感应式热声液态金属磁流体发电系统，包括：换热子单元、单级回路行波热声发动机单元和感应式液态金属磁流体发电机单元；

所述换热子单元包括核反应堆及连接所述核反应堆的热管，所述热管中充注有高热导率的碱金属，且所述碱金属的沸点低于所述热管的热端温度，并且高于所述热管的冷端温度，所述热管中还布置有毛细芯；

所述单级回路行波热声发动机单元包括谐振管、容腔及依次连接的主室温换热器、回热器、加热器、热缓冲管、次室温换热器和变径管，所述谐振管为竖直放置的U型管，所述容腔设置于所述谐振管上，所述容腔可使所述回热器处于行波占主导的声场且提高所述谐振管中的行波成分，所述热管的两端连接所述加热器；

所述感应式液态金属磁流体发电机单元包括永磁体、磁芯、磁性支架、轭铁、线圈和非磁性材料，所述磁性支架安装于所述磁芯的外围用于支撑所述磁芯及导磁，所述永磁体设置于所述磁芯的外围，所述线圈缠绕于所述永磁体的外围，所述非磁性材料设置于所述永磁体及所述线圈的两侧用于隔离所述永磁体和所述轭铁，所述轭铁与所述磁性支架对应设置，以形成磁回路；

所述核反应堆中的核反应产生热量，所述热管中的毛细芯中的液体工质在所述热管的高温端吸热气化，导致所述热管的高温端压力升高，驱动气化后的工质流向所述热管的低温端，由此过程把热量从所述核反应堆中带到所述加热器中，对所述单级回路行波热声发动机单元中的工质进行加热，所述主室温换热器对气体工质进行冷却，并由所述回热器中的气体工质建立起轴向温度梯度，当所述轴向温度梯度大于临界温度梯度时，所述单级回路行波热声发动机单元中产生自激振荡，将热能转化为往复振荡的机械能，所述机械能通过气液界面传递给所述液态金属，推动所述液态金属在所述谐振管中往复振荡；同时，所述永磁体、所述磁芯、所述磁性支架和所述轭铁在所述磁芯周围的环形流道中建立起沿径向的恒定磁场，且所述恒定磁场的磁感应线的流通路径为：由所述永磁体依次经所述环形流道中的液态金属、所述磁芯、所述磁性支架、所述轭铁及所述线圈返回至所述永磁体，在所述恒定磁场的作用下，所述磁芯周围的环形流道中产生交变的环形电流，所述环形电流绕所述磁芯的周向流动；交变的环形电流进一步在所述磁芯中产生交变磁场，所述交变磁场使得所述线圈中的磁通量周期性波动变化，所述线圈中即可产生感生电动势，通过外接负载输出电能。

在其中一些实施例中，还包括辐射散热板，与所述主室温换热器连接的所述热管部分嵌入所述辐射散热板中。

在其中一些实施例中，所述辐射散热板为轴对称结构，其轮廓呈圆台形，圆台轴线与主室温换热器的轴线重合。

在其中一些实施例中，所述辐射散热板上可布置多根所述热管，所述热管方向可沿所述圆台母线方向。

采用上述技术方案，本发明实现的技术效果如下：

本发明提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统，将感应式液态金属磁流体发电机耦合在热声发动机的谐振管内，通过热声效应将核反应堆提供的热能转化为热声发动机内工质往复振荡的声能(机械能)，推动感应式液态金属磁流体发电机中的液态金属往复运动，在外加恒定磁场的作用下，磁芯周围的环形流道中往复流动的液态金属中感应出交变的环形电流，进而产生沿流道轴向的交变磁场，进一步，交变磁场在缠绕于管道外侧的线圈中感应出电动势，通过外接负载，即可实现电能的输出，该系统由于使用了热声发动机和磁流体发电机相结合的发电技术，理论发电效率高且完全无机械运动部件，可靠性高，使用寿命长。

此外，本发明提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统，可以通过改变感应式液态金属磁流体发电机的线圈匝数方便地调节输出电压和电流的大小，使之满足电力传输和负载的使用需求；且该系统中的液态金属磁流体发电机由于未使用电极，装配简单且容易密封。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅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是本发明实施例1提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的感应式液态金属磁流体发电机单元的结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的感应式液态金属磁流体发电机单元的A-A向截面图；

图4是本发明实施例2提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统的结构示意图；

图5是本发明实施例2提供的换热子单元的结构示意图；

图6是本发明实施例2提供的辐射散热板的三维结构示意图；

图7是本发明实施例3提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统的结构示意图；

图8是本发明实施例4提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统的换热子单元的结构示意图。

附图标记：1、换热子单元；11、核反应堆；12、液态金属管路；13、电磁泵；14、防辐射屏；15、辐射散热板；16、热管；21、主室温换热器；22、回热器；23、加热器；24、热缓冲管；25、次室温换热器；26、变径管；27、谐振管；28、容腔；29、变径管；210、弹性模；3、感应式液态金属磁流体发电机；31、永磁体；32、磁芯；33、磁性支架；34、轭铁；35、线圈；36、非磁性材料。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

请参阅图1，为本发明实施例1提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统的结构示意图，包括：换热子单元、单级回路行波热声发动机单元2和感应式液态金属磁流体发电机单元3。以下详细说明各个单元的结构组成及其工作方式。

所述换热子单元包括核反应堆11、液态金属管路12和电磁泵13。所述核反应堆11的一端通过所述液态金属管路12连接所述电磁泵13的一侧，所述电磁泵13的一侧通过所述液态金属管路12连接所述核反应堆11的另一端，所述液态金属管路12中的液态金属在所述核反应堆11中吸收热量，所述电磁泵13用于驱动所述液态金属管路12中的液态金属循环流动。

在其中一些实施例中，所述电磁泵13为感应式电磁泵或传导式电磁泵。

所述单级回路行波热声发动机单元2包括谐振管27、容腔28及依次连接的主室温换热器21、回热器22、加热器23、热缓冲管24、次室温换热器25和变径管26。热声发动机为行波型热声发动机，或是驻波型热声发动机。

具体地，所述谐振管27为竖直放置的U型管，以使液态金属在重力的作用下与热声发动机单元中的气体工质形成气液界面。

进一步地，所述容腔28设置于所述谐振管27上，所述容腔28可使所述回热器22处于行波占主导的声场且提高所述谐振管27中的行波成分。

在其中一些实施例中，所述容腔28为一段直径为所述谐振管27的直径2-5倍的空管道，且所述容腔28与所述回热器22的距离为1/4声波波长，以使所述回热器22处于行波占主导的声场，同时提高所述谐振管27中的行波成分。

请参阅图2及图3，为本发明实施例1提供的所述感应式液态金属磁流体发电机单元的结构示意图，包括永磁体31、磁芯32、磁性支架33、轭铁34、线圈35和非磁性材料36。

在其中一些实施例中，所述磁芯32的两端部为能够起导流作用的光滑曲面结构，以减小磁芯32对液态金属流动的阻力和液态金属流动的湍流度。

具体地，所述磁性支架33安装于所述磁芯32的外围用于支撑所述磁芯32及导磁。

在其中一些实施例中，磁性支架33为左右各3个对称布置在所述磁芯32的两侧，且每侧的3个磁性支架33沿磁芯32的轴线轴对称布置，起固定支撑磁芯32和导磁的作用，以使液态金属仅被单向恒定磁场作用，从而在特定时刻仅产生单向的环形电流，以避免不同方向的环形电流所产生的磁场相互抵消；进一步地，磁性支架33为流线型结构，以减小其对液态金属流动的影响。

具体地，所述永磁体31设置于所述磁芯32的外围。所述线圈35缠绕于所述永磁体31的外围。

所述非磁性材料36设置于所述永磁体31及所述线圈35的两侧，从而起到固定线圈35和永磁体31的作用，所述轭铁34与所述磁性支架33对应设置，以形成磁回路。

上述感应式热声液态金属磁流体发电系统的工作方式如下：

所述核反应堆11中的核反应产生热量，由所述电磁泵13驱动所述液态金属管路12中的液态金属把热量从所述核反应堆11中带到所述加热器23中，对所述单级回路行波热声发动机单元2中的工质进行加热，所述主室温换热器21对气体工质进行冷却，并由所述回热器22中的气体工质建立起轴向温度梯度，当所述轴向温度梯度大于临界温度梯度时，所述单级回路行波热声发动机单元2中产生自激振荡，将热能转化为往复振荡的机械能，所述机械能通过气液界面传递给所述液态金属，推动所述液态金属在所述谐振管27中往复振荡；同时，所述永磁体31、所述磁芯32、所述磁性支架33和所述轭铁34在所述磁芯周围的环形流道中建立起沿径向的恒定磁场，且所述恒定磁场的磁感应线的流通路径为：由所述永磁体31依次经所述环形流道中的液态金属、所述磁芯32、所述磁性支架33、所述轭铁34及所述线圈35返回至所述永磁体31，在所述恒定磁场的作用下，所述磁芯32周围的环形流道中产生交变的环形电流，所述环形电流绕所述磁芯32的周向流动；交变的环形电流进一步在所述磁芯32中产生交变磁场，所述交变磁场使得所述线圈35中的磁通量周期性波动变化，所述线圈35中即可产生感生电动势，通过外接负载输出电能。

可以理解，所述环形流道为所述永磁体31和所述磁芯32之间的流道，所述环形电流沿所述磁芯32周向。

可以理解，所述非磁性材料36可用于隔离永磁体31和轭铁34，以增大二者之间的磁阻，进而增大环形流道中的径向恒定磁场。

在其中一些实施例中，所述线圈35的缠绕方向与所述环形电流方向一致且分别与管道轴向、所述恒定磁场方向垂直。

可以理解，液态金属中的环形电流、磁芯32和线圈35实际上构成了一个变压器，可以把液态金属中的低电压、大电流的电能转化为更符合实际使用需求的高电压、小电流的电能。

进一步地，可以通过改变感应式液态金属磁流体发电机的线圈匝数方便地调节输出电压和电流的大小，使之满足电力传输和负载的使用需求。

本发明实施例1提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统，将感应式液态金属磁流体发电机耦合在热声发动机的谐振管内，通过热声效应将核反应堆提供的热能转化为热声发动机内工质往复振荡的声能(机械能)，推动感应式液态金属磁流体发电机中的液态金属往复运动，在外加恒定磁场的作用下，磁芯周围的环形流道中往复流动的液态金属中感应出交变的环形电流，进而产生沿流道轴向的交变磁场，进一步，交变磁场在缠绕于管道外侧的线圈中感应出电动势，通过外接负载，即可实现电能的输出，该系统由于使用了热声发动机和磁流体发电机相结合的发电技术，理论发电效率高且完全无机械运动部件，可靠性高，使用寿命长。

此外，本发明提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统，液态金属磁流体发电机由于未使用电极，装配简单且容易密封。

实施例2

请参阅图4，为本发明实施例2提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统的结构示意图，以下仅说明与实施例1不同之处。

请参阅图5，是本发明实施例2提供的换热子单元的结构示意图，所述换热子单元1还包括防辐射屏14,，部分所述液态金属管路12、所述电磁泵13及所述加热器23设置于所述防辐射屏14内，可以理解，所述防辐射屏可以减小液态金属管路和热声发动机中加热器的散热。

进一步地，所述换热子单元还包括所述辐射散热板15，所述辐射散热板15连接所述主室温换热器21。

图6是本发明实施例2提供的辐射散热板的三维结构示意图，所述辐射散热板15为圆盘形，其平面与所述主室温换热器21的轴线垂直。

可以理解，系统运行时，液态金属在反应堆11中吸热后，在电磁泵13的驱动下沿液态金属管路12流入热声发动机的加热器23中，对热声发动机中的工质进行加热，之后再沿加热器23另一侧的液态金属管路12回到反应堆11中；防辐射屏14可减小液态金属管路12和加热器23的散热。用于冷却主室温换热器21的液态金属在电磁泵13驱动下，沿液态金属管路12进入辐射散射板15，散热降温后由主室温换热器21另一侧的液态金属管路12再回到主室温换热器21中。

可以理解，在实施例1中，热声发动机中的气体工质和磁流体发电机中的液态金属依靠重力形成气液界面，这在一定程度上限制了发电系统的适用范围，比如在重力加速度比较低甚至没有重力加速度的外太空，就不能使用实施例1中的方案。

为完善上述方案，在所述谐振管27的两个气液交界面处各设置了两个变径管29和安装于所述变径管29之间的弹性膜210，以将液态金属与所述谐振管27中的气体工质分隔开，使得整个发电系统不依赖于重力运行，可以满足空间发电的需求。

可以理解，变径管29可用于增大弹性模处的流道截面积，进而减小流体位移振幅，减小弹性模的受力，以延长其使用寿命。

本发明实施例2提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统，将感应式液态金属磁流体发电机耦合在热声发动机的谐振管内，通过热声效应将核反应堆提供的热能转化为热声发动机内工质往复振荡的声能(机械能)，推动感应式液态金属磁流体发电机中的液态金属往复运动，在外加恒定磁场的作用下，磁芯周围的环形流道中往复流动的液态金属中感应出交变的环形电流，进而产生沿流道轴向的交变磁场，进一步，交变磁场在缠绕于管道外侧的线圈中感应出电动势，通过外接负载，即可实现电能的输出，该系统由于使用了热声发动机和磁流体发电机相结合的发电技术，理论发电效率高且完全无机械运动部件，可靠性高，使用寿命长。

实施例3

请参阅图7，为本发明实施例3提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统的结构示意图，以下仅说明与实施例2不同之处。

本实施例3在实施例2的基础上，对热声发动机也使用液态金属作为工作介质，这样就无需使用弹性膜来控制气液界面，进一步提升了发电系统的可靠性和使用寿命，这对空间发电应用至关重要。

本发明实施例3提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统，将感应式液态金属磁流体发电机耦合在热声发动机的谐振管内，通过热声效应将核反应堆提供的热能转化为液态金属往复运动的机械能，在外加恒定磁场的作用下，磁芯周围的环形流道中往复流动的液态金属中感应出交变的环形电流，进而产生沿流道轴向的交变磁场，进一步，交变磁场在缠绕于管道外侧的线圈中感应出电动势，通过外接负载，即可实现电能的输出，该系统由于使用了热声发动机和磁流体发电机相结合的发电技术，理论发电效率高且完全无机械运动部件，可靠性高，使用寿命长。

实施例4

请参阅图8是本发明实施例4提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统的换热子单元的结构示意图，以下仅说明与实施例2或3的不同之处。

所述换热子单元包括核反应堆11及连接所述核反应堆11的热管16，所述热管16中充注有高热导率的碱金属，且所述碱金属的沸点低于所述热管16的热端温度，并且高于所述热管16的冷端温度，所述热管16中还布置有毛细芯。

可以理解，该毛细芯为吸附力强的多孔材料。系统工作时，毛细芯中的液体工质在热管16的高温端吸热气化，导致热管16的高温端压力升高，驱动气化后的工质流向热管低温端。气体工质在低温端放热后凝结成液体，导致热管低温端压力降低，由此在热管16中形成一个稳定的压力梯度，驱动气体工质不断从高温端向低温端运动。由于液体工质在热管16的高温端被气化，热管16的高温端中的毛细芯的饱和度降低，液体工质在毛细力的驱动下，从热管低温端流向热管高温端。又由于气体工质在热管低温端被液化，不断补充此处毛细芯的饱和度，因此可以在毛细芯中形成一个稳定的饱和度梯度，驱动液体工质不断从低温端流向高温端。可以看到，液体工质在热管高温端吸热气化变成气体工质，在压力梯度的驱动下，气体工质流向热管低温端，放热液化变成液体工质，在饱和度梯度的驱动下，液体工质流向热管高温端，由此完成一个循环，不断把热管高温端的热量输送到热管低温端。

本实施例提供的所述单级回路行波热声发动机单元及所述感应式液态金属磁流体发电机单元与实施例2或3相同这里不再赘述。

本实施例提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统的工作方式如下：

所述核反应堆中的核反应产生热量，所述热管中的毛细芯中的液体工质在所述热管的高温端吸热气化，导致所述热管的高温端压力升高，驱动气化后的工质流向所述热管的低温端，由此过程把热量从所述核反应堆中带到所述加热器中，对所述单级回路行波热声发动机单元中的工质进行加热，所述主室温换热器对气体工质进行冷却，并由所述回热器中的气体工质建立起轴向温度梯度，当所述轴向温度梯度大于临界温度梯度时，所述单级回路行波热声发动机单元中产生自激振荡，将热能转化为往复振荡的机械能，推动所述液态金属在所述谐振管中往复振荡；同时，所述永磁体、所述磁芯、所述磁性支架和所述轭铁在所述磁芯周围的环形流道中建立起沿径向的恒定磁场，且所述恒定磁场的磁感应线的流通路径为：由所述永磁体依次经所述环形流道中的液态金属、所述磁芯、所述磁性支架、所述轭铁及所述线圈返回至所述永磁体，在所述恒定磁场的作用下，所述磁芯周围的环形流道中产生交变的环形电流，所述环形电流绕所述磁芯的周向流动；交变的环形电流进一步在所述磁芯中产生交变磁场，所述交变磁场使得所述线圈中的磁通量周期性波动变化，所述线圈中即可产生感生电动势，通过外接负载输出电能。

进一步地，与主室温换热器21连接的热管16部分嵌入辐射散热板15中，以增大辐射散热面积。所述辐射散热板15为轴对称结构，其轮廓呈圆台形，圆台轴线与主室温换热器21的轴线重合。所述辐射散热板15上可布置多根热管，热管方向可沿所述圆台母线方向。次室温换热器25也可采用与主室温换热器21同样的散热方式。

本发明实施例4提供的感应式热声液态金属磁流体发电系统，将感应式液态金属磁流体发电机耦合在热声发动机的谐振管内，通过热声效应将核反应堆提供的热能转化为热声发动机内工质往复振荡的声能(机械能)，推动感应式液态金属磁流体发电机中的液态金属往复运动，在外加恒定磁场的作用下，磁芯周围的环形流道中往复流动的液态金属中感应出交变的环形电流，进而产生沿流道轴向的交变磁场，进一步，交变磁场在缠绕于管道外侧的线圈中感应出电动势，通过外接负载，即可实现电能的输出，该系统由于使用了热声发动机和磁流体发电机相结合的发电技术，理论发电效率高且完全无机械运动部件，可靠性高，使用寿命长。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，包括：换热子单元、单级回路行波热声发动机单元和感应式液态金属磁流体发电机单元；

所述换热子单元包括核反应堆、液态金属管路和电磁泵，所述核反应堆的一端通过所述液态金属管路连接所述电磁泵的一侧，所述电磁泵的一侧通过所述液态金属管路连接所述核反应堆的另一端，所述液态金属管路中的液态金属在所述核反应堆中吸收热量，所述电磁泵用于驱动所述液态金属管路中的液态金属循环流动；

所述单级回路行波热声发动机单元包括谐振管、容腔及依次连接的主室温换热器、回热器、加热器、热缓冲管、次室温换热器和变径管，所述谐振管为竖直放置的U型管，所述容腔设置于所述谐振管上，所述容腔可使所述回热器处于行波占主导的声场且提高所述谐振管中的行波成分；

所述感应式液态金属磁流体发电机单元包括永磁体、磁芯、磁性支架、轭铁、线圈和非磁性材料，所述磁性支架安装于所述磁芯的外围用于支撑所述磁芯及导磁，所述永磁体设置于所述磁芯的外围，所述线圈缠绕于所述永磁体的外围，所述非磁性材料设置于所述永磁体及所述线圈的两侧用于隔离所述永磁体和所述轭铁，所述轭铁与所述磁性支架对应设置，以形成磁回路；

所述核反应堆中的核反应产生热量，由所述电磁泵驱动所述液态金属管路中的液态金属把热量从所述核反应堆中带到所述加热器中，对所述单级回路行波热声发动机单元中的工质进行加热，所述主室温换热器对气体工质进行冷却，并由所述回热器中的气体工质建立起轴向温度梯度，当所述轴向温度梯度大于临界温度梯度时，所述单级回路行波热声发动机单元中产生自激振荡，将热能转化为往复振荡的机械能，所述机械能通过气液界面传递给所述液态金属，推动所述液态金属在所述谐振管中往复振荡；同时，所述永磁体、所述磁芯、所述磁性支架和所述轭铁在所述磁芯周围的环形流道中建立起沿径向的恒定磁场，且所述恒定磁场的磁感应线的流通路径为：由所述永磁体依次经所述环形流道中的液态金属、所述磁芯、所述磁性支架、所述轭铁及所述线圈返回至所述永磁体，在所述恒定磁场的作用下，所述磁芯周围的环形流道中产生交变的环形电流，所述环形电流绕所述磁芯的周向流动；交变的环形电流进一步在所述磁芯中产生交变磁场，所述交变磁场使得所述线圈中的磁通量周期性波动变化，所述线圈中即可产生感生电动势，通过外接负载输出电能。

2.如权利要求1所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述气体为氦气或氮气，所述低熔点液态金属为钠或钠钾合金或镓铟锡合金。

3.如权利要求1所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述电磁泵为感应式电磁泵或传导式电磁泵。

4.如权利要求1所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述容腔为一段直径为所述谐振管的直径2-5倍的空管道，且所述容腔与所述回热器的距离为1/4声波波长，以使所述回热器处于行波占主导的声场，同时提高所述谐振管中的行波成分。

5.如权利要求1所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述磁芯的两端部为能够起导流作用的光滑曲面结构。

6.如权利要求1所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述磁性支架左右各3个对称布置在所述磁芯两侧，且每侧的3个磁性支架沿所述磁芯的轴线轴对称布置，起固定支撑所述磁芯和导磁的作用，所述磁性支架为流线型结构。

7.如权利要求1所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述线圈的缠绕方向与所述环形电流方向一致且分别与管道轴向、所述恒定磁场方向垂直。

8.如权利要求1所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述换热子单元还包括防辐射屏和辐射散热板，部分所述液态金属管路、所述电磁泵及所述加热器设置于所述防辐射屏内，所述辐射散热板连接所述主室温换热器。

9.如权利要求8所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述辐射散热板为圆盘形，其平面与所述主室温换热器的轴线垂直。

10.如权利要求8所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，在所述谐振管的两个气液交界面处各设置了两个变径管和安装于所述变径管之间的弹性膜，以将液态金属与所述谐振管中的气体工质分隔开。

11.如权利要求8所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述换热子单元中的循环工质为高沸点液态金属，所述单级回路行波热声发动机单元中的工质为气体或液态金属，所述感应式液态金属磁流体发电机单元中的工质为低熔点液态金属。

12.一种感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，包括：换热子单元、单级回路行波热声发动机单元和感应式液态金属磁流体发电机单元；

所述换热子单元包括核反应堆及连接所述核反应堆的热管，所述热管中充注有高热导率的碱金属，且所述碱金属的沸点低于所述热管的热端温度，并且高于所述热管的冷端温度，所述热管中还布置有毛细芯；

所述单级回路行波热声发动机单元包括谐振管、容腔及依次连接的主室温换热器、回热器、加热器、热缓冲管、次室温换热器和变径管，所述谐振管为竖直放置的U型管，，所述容腔设置于所述谐振管上，所述容腔可使所述回热器处于行波占主导的声场且提高所述谐振管中的行波成分，所述热管的两端连接所述加热器；

所述感应式液态金属磁流体发电机单元包括永磁体、磁芯、磁性支架、轭铁、线圈和非磁性材料，所述磁性支架安装于所述磁芯的外围用于支撑所述磁芯及导磁，所述永磁体设置于所述磁芯的外围，所述线圈缠绕于所述永磁体的外围，所述非磁性材料设置于所述永磁体及所述线圈的两侧用于隔离所述永磁体和所述轭铁，所述轭铁与所述磁性支架对应设置，以形成磁回路；

所述核反应堆中的核反应产生热量，所述热管中的毛细芯中的液体工质在所述热管的高温端吸热气化，导致所述热管的高温端压力升高，驱动气化后的工质流向所述热管的低温端，由此过程把热量从所述核反应堆中带到所述加热器中，对所述单级回路行波热声发动机单元中的工质进行加热，所述主室温换热器对气体工质进行冷却，并由所述回热器中的气体工质建立起轴向温度梯度，当所述轴向温度梯度大于临界温度梯度时，所述单级回路行波热声发动机单元中产生自激振荡，将热能转化为往复振荡的机械能，所述机械能通过气液界面传递给所述液态金属，推动所述液态金属在所述谐振管中往复振荡；同时，所述永磁体、所述磁芯、所述磁性支架和所述轭铁在所述磁芯周围的环形流道中建立起沿径向的恒定磁场，且所述恒定磁场的磁感应线的流通路径为：由所述永磁体依次经所述环形流道中的液态金属、所述磁芯、所述磁性支架、所述轭铁及所述线圈返回至所述永磁体，在所述恒定磁场的作用下，所述磁芯周围的环形流道中产生交变的环形电流，所述环形电流绕所述磁芯的周向流动；交变的环形电流进一步在所述磁芯中产生交变磁场，所述交变磁场使得所述线圈中的磁通量周期性波动变化，所述线圈中即可产生感生电动势，通过外接负载输出电能。

13.如权利要求12所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，还包括辐射散热板，与所述主室温换热器连接的所述热管部分嵌入所述辐射散热板中。

14.如权利要求13所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述辐射散热板为轴对称结构，其轮廓呈圆台形，圆台轴线与主室温换热器的轴线重合。

15.如权利要求14所述的感应式热声液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述辐射散热板上可布置多根所述热管，所述热管方向可沿所述圆台母线方向。

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