CN114688759B - 一种气液热声转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热声技术领域，公开了一种高可靠性的气液热声转换系统，包括热声单元和气液谐振器，热声单元包括热声发动机，气液谐振器包括U型管和设于U型管内部的液体振子，液体振子的两侧分别设有传递声波的弹性膜及由挡板形成的弹性膜保护腔体；此外，系统中还有气体压力平衡的平衡阀。本发明提供的一种高可靠性的气液热声转换系统，采用气体和液体作为谐振器的振子，强化了声振荡并降低了系统的工作频率，有利于提高效率且减小系统整机尺寸；且设置弹性膜保护腔体限制弹性膜运动最大位移，防止弹性膜因位移过大出现破损，提高了系统的可靠性；且平衡阀可用于平衡发动机压缩腔和膨胀腔的压力差异，有利于提高系统效率。

Description

一种气液热声转换系统

技术领域

本发明涉及热声技术领域，尤其涉及一种气液热声转换系统。

背景技术

热声效应是指可压缩流体往复振荡过程中和固体介质之间由于热的相互作用而产生的时均能量效应。根据能量转换的方向，热声效应可分为利用热能产生声能的热致声效应和利用声能逆温度梯度泵送热量的声致冷效应。热声技术是通过热声效应实现热能和声能之间相互转换，是一项极具发展应用前景的新型能量转换技术。目前，热声发动机驱动的脉管制冷机最低温度已经突破液氢温区，室温温区的热声制冷机效率亦逐渐接近蒸汽压缩制冷循环的水平，以太阳能或者其他热源驱动的热声发电系统也获得了一系列突破。此外，热声技术在气体分离、除湿、医疗器械等领域也具有较好的应用前景。

热声热机包括热声发动机和热声制冷机。热声发动机基于热致声效应，利用外部热能产生声波。热声制冷机基于声致冷效应，利用外部的压力波动将热量从低温端泵送到高温端，获得制冷或泵热效应。热声热机是一种外燃式热机，可以由外部低品位热能驱动，采用氦气、氩气、氮气等惰性气体作为工质，对环境友好无污染。此外，热声热机一般由换热器、热声核心转换单元(板叠/回热器)和空管段(热缓冲管、谐振管)组成，无任何机械运动部件，因此具有加工成本低、可靠性高、低振动、寿命长等优点。

目前，现有热声系统大多压比较低，效率难以达到需求；且谐振管长度较长，导致整机系统庞大。由于传统的热声系统效率较低、构型较大限制了其应用发展空间。因此，提升系统的效率和可靠性对热声系统具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种气液热声转换系统，用以解决现有热声系统效率较低、整机系统庞大的问题。

本发明提供一种气液热声转换系统，包括热声单元和气液谐振器，所述热声单元包括热声发动机，所述气液谐振器串联连接于所述热声发动机的谐振管，所述气液谐振器包括U型管和设于所述U型管内部的液体振子，所述液体振子的两侧分别设有弹性膜。

根据本发明提供的一种气液热声转换系统，所述弹性膜的两侧分别设有挡板，所述挡板用于限制所述弹性膜的位移幅值，所述挡板上分布有多个通孔。

根据本发明提供的一种气液热声转换系统，所述挡板呈半球状，所述弹性膜两侧的挡板相连，所述弹性膜夹设在两侧的挡板之间。

根据本发明提供的一种气液热声转换系统，所述弹性膜两侧的挡板之间设有密封圈。

根据本发明提供的一种气液热声转换系统，所述密封圈与所述弹性膜为一体结构。

根据本发明提供的一种气液热声转换系统，所述液体振子两侧的空间之间连接有平衡阀。

根据本发明提供的一种气液热声转换系统，所述热声单元还包括热声制冷机，所述热声制冷机旁接于所述谐振管或者所述热声制冷机串联于所述谐振管。

根据本发明提供的一种气液热声转换系统，多个所述热声单元依次串联形成环路，相邻两个所述热声单元之间设有所述气液谐振器。

根据本发明提供的一种气液热声转换系统，多个所述热声单元的谐振管之间连接有所述平衡阀。

根据本发明提供的一种气液热声转换系统，所述热声发动机包括依次相连的发动机室温换热器、发动机回热器和发动机高温换热器；所述热声制冷机串联于所述谐振管时，所述热声制冷机包括依次相连的制冷机室温换热器、制冷机回热器、制冷机冷端换热器和制冷机脉冲管，其中所述制冷机室温换热器通过热缓冲管与所述发动机高温换热器相连。

本发明提供的一种气液热声转换系统，采用U型气液谐振器代替传统的气体谐振管，提出了一种新型气液耦合的热声系统结构，采用气体和液体作为谐振器的振子，从而有效利用液体谐振器的高质量惯性声感和气体谐振器的高可压缩性声容形成气液耦合振动热声系统，强化了声振荡并降低了系统的工作频率，有利于提高效率且减小系统整机尺寸。

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是本发明提供的气液热声转换系统的应用实例示意图；

图2是本发明提供的气液谐振器中弹性膜和挡板的结构示意图；

图3是本发明提供的沿图2中AA面的截面示意图；

图4是本发明提供的气液热声转换系统的另一应用实例示意图；

图5是本发明提供的气液谐振器的结构示意图。

附图标记：

1、发动机热腔；2、发动机室温换热器；3、发动机回热器；4、发动机高温换热器；5、变径管；6、制冷机主室温换热器；7、制冷机回热器；8、制冷机冷端换热器；9、制冷机次室温换热器；10、惯性气库；11、液体振子；12、弹性膜；13、压缩腔；14、气体振子；15、上方挡板；16、平衡阀；17、下方挡板；18、通孔；19、液体振子；20、O圈一体化弹性膜；21、上方挡板；22、下方挡板；23、气体振子；24、发动机室温换热器；25、发动机回热器；26、发动机高温换热器；27、热缓冲管；28、制冷机室温换热器；29、制冷机回热器；30、制冷机冷端换热器；31、制冷机脉冲管；32、连接管；33三相平衡阀；34、气液谐振器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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1-图5描述本发明的气液热声转换系统。

参考图1，本实施例提供一种气液热声转换系统，该气液热声转换系统包括热声单元和气液谐振器。热声单元包括热声发动机，气液谐振器串联连接于热声发动机的谐振管。气液谐振器包括U型管和设于U型管内部的液体振子11，液体振子11的两侧分别设有弹性膜12。两侧弹性膜12将液体振子11限定在两侧弹性膜12之间，用于抑制声直流现象及防止液体溅出影响系统性能。

本实施例提供的一种气液热声转换系统，采用U型的气液谐振器代替传统的气体谐振管，提出了一种新型气液耦合的热声系统结构，采用气体和液体作为谐振器的振子，从而有效利用液体谐振器的高质量惯性声感和气体谐振器的高可压缩性声容形成气液耦合振动热声系统，强化了声振荡并降低了系统的工作频率，有利于提高效率且减小系统整机尺寸。且由于液体振子的高声学惰性，还可降低系统的运行频率和起振温度，并提高压比。

进一步地，液体振子和弹性膜接触。即液体振子和弹性膜之间没有气体间隙。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1和图2，弹性膜12的两侧分别设有挡板，挡板用于限制弹性膜12的位移幅值，挡板上分布有多个通孔。具体的，参考图1，在气液谐振器的膨胀腔和压缩腔13分别设置了具有保护作用的多孔挡板。在强化声振荡，降低工作频率的同时固定了弹性膜12的最大位移，防止运行中因系统压力幅值较大使弹性膜12位移过大带来的不稳定性，进而使系统具有更高的可靠性和运行的稳定性。挡板上的通孔18用于保证挡板两侧空间的连通。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2和图3，挡板呈半球状，弹性膜12两侧的挡板相连，弹性膜12夹设在两侧的挡板之间。具体的，弹性膜12的上方设有上方挡板15，弹性膜12的下方设有下方挡板17。上方挡板15和下方挡板17分别呈半球状，上方挡板15和下方挡板17相对设置且相连形成球状。弹性膜12横置在上方挡板15和下方挡板17之间，且弹性膜12的边缘部位通过上方挡板15和下方挡板17夹设固定。上方挡板15和下方挡板17上可分别连接法兰盘，二者可通过螺栓相连固定。

设置挡板呈半球状，可更好的限定弹性膜的位移范围，有利于在弹性膜保证正常运行性能的基础上更好的限定弹性膜的位移幅值。挡板上分布有多个通孔，应保证挡板两侧的顺利连通。

在上述实施例的基础上，进一步地，弹性膜两侧的挡板之间设有密封圈。

在上述实施例的基础上，进一步地，密封圈与弹性膜为一体结构。参考图2，密封圈可一体形成于弹性膜的边缘部位。上方挡板15和下方挡板17将密封圈夹设在二者之间，使得上方挡板15和下方挡板17之间密封连接。因为弹性橡胶膜与密封圈是一体化成型，所以密封圈夹设在上下挡板间时，弹性膜也得以固定。

图2所示为气液谐振器压缩腔13的剖面图，图3为多孔挡板的俯视图。该结构由液体振子11、弹性膜12、气体振子14、多孔挡板组成。系统运行中，液体振子11推动弹性膜12进行往复运动。为避免系统压力较高时，液体振子的高惯性致使弹性膜出现损伤，系统特别增设多孔挡板，目的在于降低其位移幅值以便延长使用寿命，同时弹性膜12可以有效抑制环路中的声直流，保持发动机中的空管段长度不变，使得发动机的压力波动较为稳定，提高系统的安全性和运行可靠性。

在上述实施例的基础上，进一步地，液体振子两侧的空间之间连接有平衡阀。平衡阀连接压缩腔和膨胀腔，避免气液谐振器压缩腔13和膨胀腔出现压力不均现象，避免因膨胀腔和压缩腔的压力差异导致系统效率较低的问题，提高了系统的整机效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，热声单元还包括热声制冷机，热声制冷机旁接于谐振管或者热声制冷机串联于谐振管。进一步地，热声单元还可包括发电机，用于实现热声发电。发电机可旁接于谐振管。

图1所示为新型气液耦合驻波型热声制冷系统。系统主要由热声发动机、热声制冷机和U型的气液谐振器组成；其中热声制冷机旁接于谐振管。热声发动机由发动机热腔1、发动机室温换热器2、发动机回热器3、发动机高温换热器4组成。发动机高温换热器4端连接有变径管5。变径管5的大端连接发动机高温换热器4，小端通过连接管连接制冷机和气液谐振器。热声制冷机由制冷机主室温换热器6、制冷机回热器7、制冷机冷端换热器8、制冷机次室温换热器9、惯性气库10组成。气液谐振器由液体振子11、弹性膜12、气体振子14、多孔挡板组成。其中，弹性膜12与O圈一体化成形，采用弹性橡胶膜目的为抑制声直流现象及防止液体溅出影响机器性能。此外，为避免气液谐振器压缩腔和膨胀腔出现压力不均现象，U型管两端由平衡阀16连接。

具体解释为，系统运行过程中，气液谐振器的膨胀腔温度高于压缩腔13，致使膨胀腔的气体密度相对于压缩腔13较低，谐振器两端质量流率一定，由质量守恒定律：ρ₁V₁＝ρ₂V₂，可得膨胀腔体积V₁大于压缩腔体积V₂。因此，为防止气液谐振器两端压力不均，弹性膜始终处于拉伸状态，采用平衡阀16进行压力调节。

系统工作原理为：系统运行时，热声发动机的发动机高温换热器4采用外部热源加热，发动机室温换热器2采用室温冷却水冷却，从而发动机回热器3中存在一个温度差，发动机回热器3中可压缩气体工质形成的声振荡与固体填充材料之间由于热相互作用而产生时均能量效应，当轴向温度梯度超过临界值时，自激热声振荡开始，热声发动机产生的声功传递到热声制冷机中产生制冷应，剩余声功通过气液谐振器进行调相。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图4，多个热声单元依次串联形成环路，相邻两个热声单元之间设有气液谐振器。该系统可以降低声功在谐振管内的损失，提升系统效率，且环路结构更为紧凑，系统构型较小。

在上述实施例的基础上，进一步地，多个热声单元的谐振管之间连接有平衡阀。实现每个气液谐振器中液体振子两侧空间的连通；即实现每个气液谐振器中液体振子两侧膨胀腔和压缩腔的连通。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图4，热声发动机包括依次相连的发动机室温换热器24、发动机回热器25和发动机高温换热器26；热声制冷机串联于谐振管时，热声制冷机包括依次相连的制冷机室温换热器28、制冷机回热器29、制冷机冷端换热器30和制冷机脉冲管31，其中制冷机室温换热器28通过热缓冲管27与发动机高温换热器26相连。

图4所示为新型气液耦合环路型热声制冷系统，图5为U型的气液谐振器的正视图。系统包括三个基本单元，每个基本单元依次包括热声发动机、热声制冷机和气液谐振器34。热声发动机由发动机室温换热器24、发动机回热器25、发动机高温换热器26组成。热声制冷机由制冷机室温换热器28、制冷机回热器29、制冷机冷端换热器30、制冷机脉冲管31和三相平衡阀33组成。其中热声发动机、热声制冷机直接通过热缓冲管27相连。环路中通过连接管32相连形成环路。气液谐振器34由液体振子19、O圈一体化弹性膜20、上方挡板21、下方挡板22和气体振子23组成。其中，采用弹性橡胶膜目的为抑制声直流现象及防止液体溅出影响机器性能。采用三相平衡阀33目的在于改善系统压缩腔与膨胀腔的压力不均现象。

具体解释为：系统运行过程中，系统膨胀腔的温度高于压缩腔，致使膨胀腔的气体密度相对于压缩腔较低，系统质量流率一定，由质量守恒定律：ρ₁V₁＝ρ₂V₂，可得膨胀腔体积V₁大于压缩腔体积V₂。因此，为防止气液谐振器两端压力不均，橡胶膜始终处于拉伸状态，采用三相平衡阀33进行压力调节。此外，系统特别增设多孔挡板，目的为限制弹性膜最大位移，降低其位移幅值，避免系统压力较高时液体振子的高惯性致使弹性橡胶膜出现损伤，延长使用寿命。同时，弹性膜可以有效抑制环路中的直流，保持发动机中的空管段长度不变，使得发动机的压力波动较为稳定，提高系统的安全性和运行可靠性。

系统工作原理为：热声发动机的发动机高温换热器26采用外部热源加热，发动机室温换热器24采用室温冷却水冷却，从而发动机回热器25中存在一个温度差，发动机回热器25中可压缩气体工质形成的声振荡与固体填充材料之间由于热相互作用而产生时均能量效应，当轴向温度梯度超过临界值时，自激热声振荡开始，热声发动机产生的声功传递到热声制冷机中产生制冷应，剩余声功通过气液谐振器34传递给下一基本单元，形成循环。特别地，本实施例设计的新型气液耦合环路型热声制冷系统中，热声发动机与热声制冷机直接相连，中间的谐振管被省去，结构上更加紧凑。热声发动机直接产生声功直接驱动热声制冷机，然后通过谐振机构反馈给下一个单元，可以降低声功在谐振管内的损失，提升系统热制冷系数。

在上述实施例的基础上，进一步地，研究成果表明热声系统在加热、冷却以及发电等领域具有广阔的应用前景。但是，现有热声系统大多采用质量密度较小的气体谐振器，系统的压比较低，效率难以达到需求，其低惯性声感导致系统具有较低的压比和较高的运行频率。此外，采用气体谐振器的谐振管长度较长，导致整机系统庞大。而近年提出的气液耦合型热声系统运行过程中由于液体振子的高惯性导致系统运行不稳定，安全性和可靠性较低，系统的输出功率较低，限制了其进一步的发展。

提高系统的可靠性和运行的稳定性对于气液耦合型热声系统具有重要意义。针对以上不足，本实施例采用U型的气液谐振器代替传统的气体谐振管，特别地，系统增设了平衡阀及在膨胀腔和压缩腔设计了具有保护作用的多孔挡板，有效利用液体谐振器的高质量惯性声感和气体谐振器的高可压缩性声容，强化了声振荡并降低了系统的工作频率。此外，平衡阀连接压缩腔和膨胀腔，避免因膨胀腔和压缩腔的压力差异导致系统效率较低的问题，提高了系统的整机效率。多孔挡板限制弹性膜的最大位移，起到保护作用，提升了系统的安全性和运行稳定性。

本实施例将原有气体谐振机构改为U型的气液谐振器，在U型管的压缩腔和膨胀腔增设多孔挡板，可显著提高系统可靠性和运行稳定性，同时提升压比，降低运行频率和起振温度，并使系统结构更为紧凑。增设气压平衡机构，避免系统运行中出现压缩腔和膨胀腔因温度不同造成压力差异而致使弹性膜始终处于拉伸状态，系统效率降低的情况。

本实施例将密封O圈与弹性橡胶膜一体化成形，增强了弹性橡胶膜的使用寿命，提高了系统运行的可靠性与安全性。气液谐振器内气体可采用氦气、氮气、氩气等多种惰性气体，环保无污染。系统可采用图1、图4结构形式，但不仅限于以上结构，可应用于行波、驻波、行驻波混合的热声制冷系统，其中环路型系统环路级数为N级，由N个结构相同的热声单元通过气液谐振器首尾相连组成环路结构，N＝1-10范围内的正整数。

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 (4)

1.一种气液热声转换系统，其特征在于，包括：热声单元和U型的气液谐振器，热声单元包括热声发动机和热声制冷机，所述气液谐振器串联连接于所述热声发动机的谐振管；其中，热声制冷机旁接或串联于谐振管，热声发动机由发动机热腔、发动机室温换热器、发动机回热器、发动机高温换热器组成，发动机高温换热器连接有变径管，变径管的大端连接发动机高温换热器，小端通过连接管连接制冷机和气液谐振器，热声制冷机由制冷机主室温换热器、制冷机回热器、制冷机冷端换热器、制冷机次室温换热器以及惯性气库组成，气液谐振器由液体振子、弹性膜、气体振子以及多孔挡板组成，所述液体振子两侧的空间之间连接有平衡阀，气液谐振器包括U型管和设于U型管内部的液体振子，液体振子的两侧分别设有弹性膜，液体振子和弹性膜接触，弹性膜的两侧分别设有挡板，挡板用于限制弹性膜的位移幅值，挡板上分布有多个通孔。

2.根据权利要求1所述的气液热声转换系统，其特征在于，所述挡板呈半球状，所述弹性膜两侧的挡板相连，所述弹性膜夹设在两侧的挡板之间。

3.根据权利要求2所述的气液热声转换系统，其特征在于，所述弹性膜两侧的挡板之间设有密封圈。

4.根据权利要求3所述的气液热声转换系统，其特征在于，所述密封圈与所述弹性膜为一体结构。