CN1276859A - 热声学系统 - Google Patents

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Abstract

蓄热式热声能量转换器包含共振器(4)和夹持在两个热交换器(6,7)之间的蓄热器(5)。共振器带有一个跨接在蓄热器上的无损耗分路或支路(10),用以在蓄热器中产生一个近乎实际的阻抗,该阻抗具有这样的绝对值,即流动阻力的影响较小,从而获得高效率。由于延迟回路几乎不会增加整个系统的任何墙面面积而且事实上是不耗散的,因此效率不受影响,这与采用开口时相反。

Description

热声学系统
本发明的技术背景
本发明涉及一种蓄热式热声能量转换器(TAEC)，其包含一个声学或机械—声学共振回路和一个夹持在两个热交换器之间的蓄热器。
通常，TAEC是一个封闭系统，其中一个热力循环过程用以使热量与声能即气压振荡之间彼此相互转换。TAEC具有多种性能，从而使得它们非常适合于用作热泵，例如用于制冷或加热，或用作发动机以驱动泵或产生电源。基于TAEC的系统中的移动部件的数量是受到限制的并且基本上不需要润滑。结构应简单并能提供大自由度的实施方式，以使制造和维护成本低。TAEC对环境无害：可以采用空气或惰性气体作为传热介质，而非毒性或臭氧层破坏物质。操作温度的范围较大，因而可以用于多种用途。由于系统是封闭的，因此产生的外部噪音低；此外，频谱受到限制，因此，如需要，可以采取适宜的措施以使噪声和振动最小化。
一个蓄热式TAEC包含一个容纳着气体的声学或机械—声学共振回路以及两个分别位于“蓄热器”两侧的热交换器，蓄热器由具有良好热交换性能的多孔材料制成。假定具有一定温度的气体处于振荡状态下，则热量会在声波的作用下从一个热交换器，即入口热交换器，传输到另一个热交换器，即出口热交换器。
TAEC可以用作热泵或发动机。在前面一种情况下，要加入机械能，以使气体被诸如薄膜、膜盒或自由活塞结构等装置而引起振荡；通过振荡气体，热能被从一个热交换器“抽吸”到另一个。在后面一种情况下，即作为发动机时，热量被供应到一个热交换器，而且热量被从另一个排出，从而使气体柱的振荡保持下去；气体的运动可以作为有用能量而通过薄膜输出。上述热泵还可以被上述发动机直接驱动，而不必加入薄膜和E/M转换器，从而利用输出的热量驱动热泵系统，而不需要有任何移动部件。在后面所参考的专利中，TAEC被称作“脉冲管”，其特征在于，一个所谓的热声叠堆带有一个受限的热交换器，而热交换器的长度大于或等于气体的局部扩展幅值。为了使制冷功率增大，根据上述专利，脉冲管带有一个或多个“开口”，即小直径排出口或支路，它们连接着一个缓冲器。这种可控“泄漏”的结果是，叠堆位置处的气压与速度之间的相位移减小而且阻抗降低了，从而提高了热泵效率。事实上，存在一个RC网络问题。尽管通过这个RC网络可以提高功率，但由于网络中的阻力部件(开口)中的能量耗散，因此网络效率将受到负面影响。
在后面所参考的专利中，TAEC还被称作“移动波热力机”，其特征在于，一个蓄热器包含在一个移动波共振器中。在移动波共振器的蓄热器位置处的阻抗值相对较低，从而导致蓄热器中的流动阻力影响显著。因此，效率受到负面影响。
本发明的目的是以这样的方式提高TAEC的功率，即上述示例性实施例中出现的效率损耗不会或几乎不出现，而网络效率远高于现有TAEC。本发明概述
本发明提供了一种TAEC，其包含一个声学或机械一声学共振回路，该回路中装有一个带有热交换器的蓄热器，其中蓄热器带有一个支路，其由一个(无损耗)延迟线或声感应(惯性)装置构成。在后面参考的各文件中的一个文件(Ceperly)中可以看到，为了最佳操作蓄热器，需要使其中主要呈现出一个实阻抗，即气压(p)与气体速度(v)彼此之间具有很大的相位差。此外，蓄热器中的阻抗值应比薄膜的特征阻抗高，以便限制流动阻力的影响。可以理解，在一个蓄热器中，气压(p)与气体速度(v)之间的相位差为90度左右。
通过在支路与蓄热器的组合结构两侧向上述支路施加一个压差(dp)，可以获得一个超前时间或感应(惯性)，其与支路或蓄热器中的初始气体速度(v)之间的相位差分别为大约90度。蓄热器中的气体速度与上述组合结构两侧的压差(dp)成正比。由于通过这种方式发生了两次90左右的相位移，因此蓄热器中的网络气体速度几乎与共振器中的气压(p)反相，从而可以实现近乎实阻抗的要求。
在一个支路中，由于超前时间或感应而导致出现相位移φ，这可以这样理解：如果将支路进口处的压力以p1＝p.ej·ω·t表示，则支路出口处的压力为p2＝p.ej·(j·ω·t-φ)。在整个支路中的基于时间的平均压差为： Δp = p 1 ‾ - p ‾ 2 = p ‾ · ( 1 - e - j · φ ) = p ‾ · ( 1 - cos φ - j · sin φ )
从这个公式可以看出，对于较小的φ值，该压差与支路和共振器中的气体速度(v)之间的相位差为大约90度。由于蓄热器中的网络气体速度(v)与该压差成正比，因此蓄热器中的气体速度也与共振器中的气体速度具有大约90度的相位差，并因此与共振器中的气压同相。
可以看出，对于蓄热器位置的较小的φ值，可以产生近乎实阻抗，从原理上讲，阻抗的绝对值只取决于相位移(φ)的值。通过支路中的超前时间或感应可以改变这个相位移，因而蓄热器中的阻抗的绝对值可以在大范围内改变并以这样的方式设置，从而使得流动阻力的影响不再起主要作用，并且能够同时获得高功率和高效率。
由于由于延迟线几乎不会增加整个系统的墙面面积而且事实上不会耗散，因而几乎不会引入任何附加损耗。然而，在实际中，总会出现一种寄生流动阻力。为使寄生流动阻力的影响最小化，粘滞边界层的厚度(dv)相对于支路直径应当极小。该边界层(处于大气压下)的厚度可以由一个经验公式求出：
Figure A9881036600061
(单位mm)。总体而言，该公式适合于支路中的声相位移小于45度的情况。为使耗散最小化，第二个要求是保持支路中的气体速度低。在实际应用中，这意味着支路的总横截面为蓄热器横截面的5％或以上。总体而言，这样也可以重放满足第一个要求。从原理上讲，支路的横截面没有上限。
支路的长度取决于所需相位移(φ)，并且从原理上讲可以根据具体实施而采用任何值。为使损耗最小化，支路应保持尽可能短。
支路的横截面不需要在整个长度上保持恒定。从声学上讲，这意味着支路可以由下列无损耗声学元件组合构成，例如传输线(超前时间)、自感应(惯性)和功率(柔顺性)元件。
与后面给出的参考文献所示的现有观念不同，可以将热交换器的长度选择得远小于气体的扩展幅值。这样，结合前面所示的措施，可以进一步降低流动损耗并获得高效率。此外，根据所述本发明的第一个TAEC可以连接到第二个TAEC上而不带薄膜或膜盒结构和E/M转换器，这样可以使一个由热量驱动的热泵系统中完全没有移动部件。最后，根据所述本发明的第一个TAEC可以被气动装置(例如风琴管)驱动，这样也可以使热泵系统中没有移动部件。
下面将通过参考以下示例性实施例而更详细地解释本发明。参考文献
Wheatly，J.等，“了解热声学等中的某些简单现象”(Understanding some simple phenomena in thermoacoustics etc.)，Am.J.Phys.53(2)Febr.’85，147-162.
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US 5481878
US 5522223
EP 0678715示例性实施例
图1、2、和3中显示了一个根据本发明的TAEC 1的示例性实施例，其包含一个E/M转换器2，即一个线性电动机和发电机或气动马达。TAEC 1和转换器2之间的连接由一个薄膜或膜盒结构3构成，该结构除了提供气体密封之外，还用作必需的质量一弹簧系统。TAEC 1还包含一个共振腔或共振器4，其内部安置着一个蓄热器5。后者由两个热交换器6和7构成，二者之间安置着一个由透气性材料，如钢棉或泡沫金属制成的蓄热体8。热交换器6和7可以分别通过接头6a和6b以及7a和7b连接外界气体或液体回路，从而将热量供应到或排出热交换器。
如果TAEC 1被用作热泵，则E/M转换器2是一个线性电动或气动(振荡)发动机，其用于使共振器4中的气体通过薄膜3而振荡；热交换器6是冷端，而热交换器7是热端：因此热量可以从热交换器6开始通过蓄热体8而传输到热交换器7。TAEC因此可以用于制冷或加热。在这两种情况下，热量通过一个与“低温”热交换器6相连的凝结器而从一种第一介质中排出，而该热量通过热交换器6、蓄热体8、“高温”热交换器7及其相连的一个散热器而供给一种第二介质；因此可以从第一介质向第二介质实现传热。
如果TAEC 1被用作一个发动机，则热交换器6连接到一个受热介质回路，而热交换器7连接到一个制冷介质回路。存在于共振器4中的气体将共振(振荡)，这种共振通过向热交换器6供应热量和由热交换器7排出热量而保持下去。通过气体振荡，薄膜3也开始振荡，而这种振荡会传递到现在用作发电机的E/M转换器，并被转换成电源。
应当指出，TAEC中的共振器除了可以采用直立波动共振器以外，也可以采用亥姆霍兹共振器。在根据本发明的TAEC 1中，共振腔4带有一个跨接蓄热器上的支路10。图1、2和3中显示了支路10的不同实施例。在图1中，支路(分路)通过多个外部连接通道而构成“直线式”，这些通道将共振腔4的一部分与另一部分连通；所述连接通道的长度确定了超前时间。在图2中，支路10由一个内部连接管12构成，该管穿过了一个位于热交换器6和7以及蓄热体8中的孔；连接管的长度确定了超前时间。在图3所示的实施例中，支路10具有环形形状并由共振腔4的外罩和一个间隔圈11的外壁构成，该间隔圈环绕着热交换器6和7以及蓄热体8。通过该图示形状，可以产生一个“延迟线”，该延迟线的超前时间是如此之大，从而使得支路和蓄热器的组合结构两侧的压差与共振器中的气体速度之间的相位相差大约90度，这一点也同样适应于图1和2中所示实施例。通过这种措施，可以使TAEC在蓄热器的位置获得一个实阻抗，而阻抗的值取决于延迟线的超前时间，从而提高功率。由于延迟线几乎不会增加整个系统的墙面面积而且不会耗散，因而不会引入任何附加损耗，因此效率不会降低。为使寄生流动阻力的影响最小化，粘滞边界层的厚度(dv)相对于支路直径应当极小。为使耗散最小化，支路中的气体速度应保持较低。在实际应用中，这意味着支路的总横截面为蓄热器横截面的5％或以上。支路的长度取决于间隔圈11的形状，并优选为波长的5％以下。支路的横截面不需要在整个长度上保持恒定。从声学上讲，这意味着支路可以由下列声学元件组合构成，例如传输线(超前时间)、自感应(惯性)和功率(柔顺性)元件。在图3所示的实施例中，支路的横截面可以通过间隔圈的轴向移位而容易地设置。
最后，图4中显示了两个相同TAEC的组合结构，其中一个TAEC用作发动机而另一个用作热泵。两个TAEC中的共振器可以通过一个构成亥姆霍兹共振器的窄管相连而不需要使用薄膜，或者，也可以如图4所示那样通过一个公共薄膜(用于提供质量惯性)而相连。图中左侧的TAEC 1用作一个发动机。为此，热交换器6连接着一个受热介质回路，而热交换器7连接着一个制冷回路。存在于共振器4中的气体将共振(振荡)，这种共振通过向热交换器6供应热量和由热交换器7排出热量而保持下去。通过气体振荡，薄膜3开始振荡，而这种振荡会传递到右侧TAEC1中的共振器4中。TAEC 1用作热泵，其中存在于共振器4中的气体通过薄膜3而振荡；热交换器6是热泵的冷端，而热交换器7是热端：因此热量可以从热交换器6开始通过蓄热体8而传输到热交换器7。通过这种方式，TAEC 2可以被TAEC 1驱动着用于制冷或加热。

Claims (6)

1.一种热声能量转换器(TAEC)，其包含一个声共振器(4)以及一个包括热交换器(6，7)和一个蓄热体(8)的蓄热器，其特征在于，一个无损耗支路(10)跨接蓄热器上，该支路具有这样的横截面，即能够使得支路中的流动阻力低于共振器中的流动阻力。
2.根据权利要求1所述的热声能量转换器，其特征在于，支路中的声相位移小于45度。
3.根据权利要求1所述的热声能量转换器，其特征在于，支路的总横截面至少为蓄热器横截面的5％。
4.根据权利要求1所述的热声能量转换器，其特征在于，所述热交换器的长度小于气体的局部扩展幅值。
5.根据权利要求1所述的热声能量转换器，其特征在于，它的共振器(4)连接到一个相同第二热声能量转换器(1’)的共振器(4’)上，其中一个能量转换器(1’)用作发动机，即向一个热交换器(6’)供应热量并从另一个热交换器(7’)排出能量，而另一个能量转换器(1)则被上述能量转换器(1’)驱动着而用作热泵，其中源于一个热交换器(6)的热量被抽吸到另一个热交换器(7)中。
6.根据权利要求1所述的热声能量转换器，其特征在于，共振器(4’)被一个线性电动或气动马达(2’)驱动，或被一个非线性气动驱动机构，如一个风琴管驱动。
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