CN1746494A - 同轴型热声驱动发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的同轴型热声发电系统，包括安装于同一外壳中的热声斯特林发动机和发电机；热声斯特林发动机为同轴结构，包括一热缓冲腔及依次同轴套装在其腔壁上或者同轴安装在其腔内的加热器、回热器、室温换热器、容性腔及调相部件和位于热缓冲腔内的另一室温换热器，该另一室温换热器与热缓冲腔腔壁紧密配合，并将腔体隔成两段；调相部件为惯性管或调相弹性膜片；惯性管一端接容性腔，另一端接热缓冲腔，调相弹性膜片为一安装在容性腔端部的弹性膜片，其质量为5～2000克，其张力为10^－1～2×10⁴N/m²。其优点为：同轴结构的热声斯特林发动机与线性发电机相结合，将输入的热能直接转换成电能，而且结构紧凑，占用空间大大减小。

Description

同轴型热声驱动发电系统

发明领域

本发明涉及一种将热能转换为电能的装置，特别涉及到同轴型热声斯特林发动机与直线发电机相结合，使得热声斯特林发动机输出的声功能够在发电机内直接转换为电能的装置。

背景技术

斯特林发动机是一种热效率非常高的能量转换装置，理论上，斯特林循环可以达到卡诺循环相同的热力效率。传统的斯特林发动机结构如图1所示，图中C为活塞，1为系统外壳，2为加热器，3为回热器，4为室温换热器，12为排出器，14为密封环。斯特林发动机通过调节活塞C和排出器12的往复运动的相位，控制内部气体的流动，这需要有非常复杂的调相装置，很高的加工精度，因此，斯特林发动机的可靠性不高。图2为一种称之为“自由活塞”的斯特林发动机，图中C为活塞，1为系统外壳，2为加热器，3为回热器，4为室温换热器，8为发电机线圈，9为磁体，11为气体弹簧，12为排出器。它以电能的形式输出转换的功。虽然它的调相装置有了很大的简化，但由于这种斯特林发动机需要有一个连接高温和室温的排出器12，而且排出器与汽缸之间必须有很好的密封性能，存在材料性能和加工工艺高、制造成本昂贵等问题。由于上述原因，目前斯特林发动机主要应用于航空航天、军事等领域，在民用领域尚未得到大规模应用。

热声斯特林发动机的概念首先由美国Geoge Mason大学的Ceperley首先提出。他首先意识到斯特林发动机回热器中的压力波和速度波的相位同行波的相位是一致的，提出用声波来控制气体的运动和气体的压力。目前通常研究的热声斯特林发动机结构如图3所示，图中2为加热器，3为回热器，4为室温换热器，5为惯性管，6为容性腔，7为谐振管，13为谐振器。可以看到热声斯特林发动机已经没有了任何的运动部件。通过加热器向系统输入热量，并在室温换热器进行冷却，在回热器处的温度梯度达到一定值时，系统内的气体就会发生自激振荡，将热能转换为机械能。热声斯特林发动机实际上也是一种斯特林发动机，只是它用气体活塞替代了机械活塞。热声斯特林发动机发动机具有非常突出的优点：无运动部件，运行稳定可靠，使用寿命长；使用热作为能源，可以利用太阳能、废热等作为驱动源，这对于电力缺乏的场合非常有意义；另外它以惰性气体作为工质，有利于环保，所以具有非常广阔的发展前景。但目前热声斯特林发动机的研究还不大成熟，离进入实用化阶段还有两个很大的困难需要克服：第一、热声斯特林发动机发动机系统结构非常庞大，谐振管长达数米，行波环路也不够紧凑，需要占用很大的空间；第二、目前对于热声发动机转换出的声功利用非常少，基本上主要是直接利用振荡气流驱动热声制冷机和脉管制冷机。声功是一种非常不好利用的能量形式，要想广泛利用热声效应首先必须将声功转换为电这种可以广泛使用的能量形式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，将热声斯特林发动机设计成同轴型结构，将发电机的动子设计成直线运动结构，用发动机输出的声功推动发电机活塞运动，从而提供一种布局紧凑、可靠性高、易于推广的热声驱动发电系统。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的同轴型热声发电系统，包括一个热声斯特林发动机A和一个发电机(B)；其特征在于：所述的热声斯特林发动机A和发电机B安装于同一外壳1中；所述的热声斯特林发动机A为同轴结构的热声斯特林发动机，包括一热缓冲腔7及依次同轴套装在热缓冲腔7腔壁上或者同轴安装在热缓冲腔7腔内的加热器2、回热器3、室温换热器4、容性腔6及调相部件和位于热缓冲腔7内的一室温换热器4′，该室温换热器4′与热缓冲腔7的腔壁紧密配合，并将热缓冲腔7隔成两段；所述的调相部件为惯性管5或调相弹性膜片E；惯性管5一端接容性腔6，另一端接热缓冲腔7，调相弹性膜片E为一安装在容性腔6端部的弹性膜片，其质量为5～2000克，其张力为10^-1～2×10⁴N/m²；

所述的发电机B为将其运动部件设计成直线运动结构的直线发电机；发电机活塞C与外壳1间的密封为微间隙密封或焊接波纹管密封；所述的微间隙密封是指活塞C与外壳1内壁间的间隙为0.01-0.30毫米；所述的焊接波纹管密封是将一波纹管10一端固定在外壳1的内壁上，另一端固定在发电机活塞C靠近热声发动机A一侧的端面上；所述的发电机活塞C带有一延伸部分，其上安装该发电机的运动部件；所述热声斯特林发动机A的声功作用在发电机活塞C靠近热声发动机B一侧的端面上，以推动发电机活塞C及安装在发电机活塞C上的运动部件运动。

所述的发电机B为动磁式或动圈式发电机；所述动磁式发电机中安装在发电机活塞C上的运动部件包括磁体9和把磁体9与发电机活塞C连在一起的连接部件，发电机线圈8安装在外壳1上；所述动圈式发电机中安装在发电机活塞C上的运动部件包括线圈8和把线圈8与发电机活塞C连在一起的连接部件，发电机磁体9安装在外壳1上。

所述的发电机活塞C及安装在发电机活塞C上的运动部件的质量和为0.1～20Kg，发电机活塞C两侧的密封气体的压强均为1～10MPa。

在所述与惯性管5相连的容性腔6内加装一抑制直流弹性膜片D，其质量在5～500克之间，其张力在10^-1～10⁴N/m²之间。

本发明的优点在于，将采用同轴结构设计的热声斯特林发动机与线性发电机相结合，将输入的热能直接转换成了可以广泛使用的电能的形式，同时与现有的热声斯特林发动机相比，本发明提供的热声驱动发电系统结构紧凑，占用的空间大大减小。

附图说明

图1为传统的斯特林发动机结构示意图；

图2为自由活塞斯特林发动机结构示意图；

图3为传统的行波热声发动机驱动行波热声制冷机结构示意图；

图4为本发明提供的同轴式热声驱动发电系统实施例1示意图；

图5为本发明提供的同轴式热声驱动发电系统实施例2示意图；

图6为本发明提供的同轴式热声驱动发电系统实施例3示意图；

图7为本发明提供的同轴式热声驱动发电系统实施例4示意图；

图8为驻波管中间加一活塞的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供的同轴型热声发电系统，由一个设计成同轴结构的热声斯特林发动机A和一个直线发电机B组成。该热声斯特林发动机A和发电机安装于同一外壳1中。其中，同轴结构的热声斯特林发动机A，包括热缓冲腔7、安装在热缓冲腔7内部的室温换热器4′和依次同轴排列的加热器2、回热器3、室温换热器4、容性腔6、调相部件。在热声发动机内安装一与外壳同轴的隔离管15，加热器2、回热器3、室温换热器4、容性腔6和调相部件安装在隔离管15内或安装在隔离管15与外壳1之间。当上述部件安装于隔离管15内时，热缓冲腔7位于隔离管15与外壳1之间；当上述部件安装于隔离管15与外壳1之间时，热缓冲腔7位于隔离管15内。调相部件安装在靠近发动机活塞C的一端，加热器2安装在另一端并与系统外壳1底部留有一定的间隙。本发明中的电能转化装置采用直线发动机，即把发电机的运动部件设计成直线运动结构。热声斯特林发动机A输出的声功引出到发电机活塞C上，推动发电机动子作直线往复运动，输出电能。在本发明中，活塞C起到将热声发动机和发电机中的工作气体相互隔离的作用，同时它还具有调节系统频率的作用，通过改变发电机活塞和运动部件的质量以及活塞两侧气体的压力，可以改变系统的谐振频率。

下文中分别描述了本发明的四个优选实施例。

实施例1

如图4所示，实施例1中采用把热缓冲腔7置于隔离管15内的方式。安装于隔离管15与外壳之间的加热器2，回热器3、室温换热器4与隔离管15外壁和外壳1的侧面内壁紧密配合。安装于热缓冲腔7内的室温换热器4′与隔离管15内壁紧密配合。容性腔6处的外壳1较薄，因此容性腔6的体积较大，调相部件采用传统的惯性管，该处外壳1较厚，因此惯性管较为狭长，这样的惯性管与容性腔6相配合，可以更好的实现其调相功能，该调相功能是通过更换不同长度的惯性管来实现的。本实施例还在容性腔6中安装了抑流弹性膜片D，其作用是抑制热声直流，提高发动机的工作效率。该抑流弹性膜片D为一质量为10克，弹性系数为50N/m的弹性膜片，它能够在抑制热声直流的同时允许声波通过。本实施例的直线发电机B采用动圈式结构，即发动机线圈与活塞C固定在一起，磁体安装在系统外壳1内壁上。本实施例中活塞C与外壳的密封方式为微间隙密封，即活塞C与外壳1间仅留有1-10丝的微小间隙，当活塞做高频率往复运动时，可以将活塞两侧气体视为已经相互隔离。因为热声斯特林发动机A运行频率较传统的斯特林发动机高，所以间隙密封要求相对较低，加工较容易。其中动子的质量(即活塞与安装在活塞上的运动部件的质量和)为3kg，两侧的密封气体的压强为3MPa。

实施例2

如图5所示，实施例2中采用把热缓冲腔7置于隔离管15内的方式。安装于隔离管15与外壳之间的加热器2，回热器3、室温换热器4与隔离管15外壁和外壳1的侧面内壁紧密配合。安装于热缓冲腔7内的室温换热器4′与隔离管15内壁紧密配合。在容性腔6靠近活塞C的一端安装调相弹性膜片E，该膜片质量为20克，张力为200N/m²。更换不同质量与张力的弹性膜片作为调相弹性膜片，可以改变系统的相位。本实施例的直线发电机B采用动磁式结构，即发动机磁体与活塞C固定在一起，线圈安装在系统外壳1内壁上。本实施例中活塞C与外壳的密封方式为微间隙密封，即活塞C与外壳1间仅留有10丝的微小间隙，当活塞做高频率往复运动时，可以将活塞两侧气体视为已经相互隔离。因为热声斯特林发动机A运行频率较传统的斯特林发动机高，所以间隙密封要求相对较低，加工较容易。其中动子的质量(即活塞与安装在活塞上的运动部件的质量和)为5kg，两侧的密封气体的压力为10MPa。

实施例3

如图6所示，实施例3中采用把热缓冲腔7置于隔离管15与外壳之间的方式。安装于隔离管15内的加热器2、回热器3、室温换热器4与隔离管15内壁紧密配合。安装于热缓冲腔7内的室温换热器4′与隔离管15外壁和外壳侧面内壁紧密配合。容性腔6处的工作腔横截面较大，因此容性腔6的体积较大，调相部件采用传统的惯性管，惯性管处的，工作腔横截面较小，因此惯性管较为狭长，这样的惯性管与容性腔6相配合，可以更好的实现其调相功能，该调相功能是通过更换不同长度的惯性管来实现的。本实施例还在容性腔6中安装了抑制直流的弹性膜片D，其作用是抑制热声直流，提高发动机的工作效率。该抑流弹性膜片D为一质量很小的弹性膜片，该膜片质量为15克，张力为40N/m²，它能够在抑制热声直流的同时允许声波通过。本实施例的直线发电机B采用动圈式结构，即发动机线圈与活塞C固定连接在一起，磁体安装在系统外壳1的内壁上。本实施例中活塞C与外壳的密封方式为焊接波纹管密封。焊接波纹一端固定在外壳1上，另一端固定在发动机活塞C靠近热声发动机一侧的端面上，将发动机与发电机的工作气体严格隔离，工作时波纹管与活塞C一起做往复运动。其中动子的质量(即活塞与安装在活塞上的运动部件的质量和)为2kg，两侧的密封气体的压力为2.5MPa。

实施例4

如图7所示，实施例3中采用把热缓冲腔7置于隔离管15与外壳之间的方式。安装于隔离管15内的加热器2、回热器3、室温换热器4与隔离管15内壁紧密配合。安装于热缓冲腔7内的室温换热器4′与隔离管15外壁和外壳侧面内壁紧密配合。在容性腔6靠近活塞C的一端安装调相弹性膜片E，该膜片质量为40克，弹性系数为700N/m。更换不同质量与张力的弹性膜片作为调相弹性膜片，可以改变系统的相位。本实施例的直线发电机B采用动磁式结构，即发动机磁体安装在活塞C上，线圈安装在系统外壳1内壁上。本实施例中活塞C与外壳的密封方式为焊接波纹管密封。焊接波纹一端固定在外壳1上，另一端固定在发动机活塞C靠近热声发动机一侧的端面上，将发动机与发电机的工作气体严格隔离，工作时波纹管与活塞C一起做往复运动。其中动子的质量(即活塞与安装在活塞上的运动部件的质量和)为1kg，两侧的密封气体的压力为2MPa。

以上分别描述了本发明的四个优选实施例。这些实施例在结构上有所不同，但其工作原理是一致的。下面叙述本发明的工作过程及其原理。

工作时，首先在热声发动机和发电机中充入(气体)工作介质，在充入工作介质时，应保持发动机内弹性膜片(包括调相弹性膜片E和抑流弹性膜片D)两端的压力基本相等，以免使弹性膜片损坏。工作介质充入完毕后，在热声发动机加热器2处输入热量，在室温换热器4处进行冷却，使得回热器3两端形成温度梯度，当温度梯度达到一定值时，工作介质产生自激的热声振荡；自激的热声振荡即声波从回热器3传播出来，经过加热器2和热缓冲腔，到达室温换热器4，室温换热器4对工作介质进行冷却；声波从室温换热器4出来后分成两部分，一部分推动活塞C做功，另一部分经过惯性管(或者具有一定质量的弹性膜片)、容性腔6、室温换热器4反馈回回热器3。

发电机活塞两侧的气体由于处于密封状态，当活塞左右移动时，一侧的气体被拉伸，另一侧的气体被压缩，因此二者都会对活塞产生回复力，从而起到了弹簧的作用。动子质量和活塞两侧的密封气体的弹性决定系统的振荡频率，气体的压力在1～10MPa之间，动子的质量(即活塞与安装在活塞上的运动部件的质量和)在0.1～20Kg之间。发电机的工作原理与一般直线发电机一致，为本领域技术人员公知的技术。

本发明中的同轴结构热声斯特林发动机较传统的热声斯特林发动机(如图3)，其主要区别在于，传统的热声斯特林发动机通过谐振管长度来控制系统的振荡频率，本专利的主要通过发电机动子的质量和与之相连的弹簧(可以为气体弹簧)来控制系统的振荡频率。本发明中使用到了两种弹性膜片，分别是抑流弹性膜片D和调相弹性膜片E，其中抑流弹性膜片D主要用来消除热声直流，调相弹性膜片E替代惯性管，和容性腔6一起调节压力波相位。这两种弹性膜片的工作原理叙述如下：

假设膜片两侧的压力为P₁和P₂，弹性膜片的质量为m，弹性系数为K，弹性膜片的横截面积为S₁，系统的谐振角频率为ω，则有：

(P₁-P₂)S₁＝Kx+mx″                                     (1)其中：x为弹性膜片的位移量，x″为位移的二阶导数(1)式可以进一步写成如下形式：

(P₁-P₂)S₁＝(K-mω²)x                                   (2)

当膜片主要起消除热声直流的作用时，要求对声波传播的影响最小，所以当K＝mω²时最合适，此时弹性膜片两侧的压力相等，也就是说此时声波通过膜片不发生任何影响。在实际应用时很难做到K＝mω²，而且还要考虑一定的弹性可能对声波有衰减作用，所以在实际应用当中选择质量轻弹性系数小的膜片。

当膜片起替代惯性管的作用时，适当调节弹性系数K和质量m就可以获得不同的压力相位差。

巧妙利用发电机动子缩短谐振管也有理论上的依据。下面以图8所示的驻波管内加活塞为例来说明活塞质量对管内频率的影响。活塞将管道分为两端，将左边管道记为管道1，定义其左端为坐标原点，将右边管道记为管道2，定义其左端为另一坐标原点。

将声压记为：P(x)＝Le^ikx+He^-ikx                                    (3)

则质点速度为： $u\left(x\right)=-\frac{1}{{\mathrm{i\ω\ρ}}_0}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{{\mathrm{i\ω\ρ}}_0}({\mathrm{iLke}}^{\mathrm{ikx}}-{\mathrm{ikHe}}^{-\mathrm{ikx}})---\left(4\right)$

其中L、H为待定系数。

根据式(3)、(4)，

在管道1的左端有：L₁-H₁＝0                                         (5)

在管道2的右端有：L₂e^ikL-H₂e^-ikL＝0                                (6)

活塞左右两端速度相等，则有：L₁e^ikL-H₁e^-ikL＝L₂-H₂                 (7)活塞左右两端的压力差等于活塞的质量与加速度的乘机，则有：

$M\left(\mathrm{i\ω}\right)(-\frac{1}{{\mathrm{i\ω\ρ}}_0})(\mathrm{ik}{L}_2-{\mathrm{ikH}}_2)=-[(L_1{e}^{\mathrm{ikL}}+H_1{e}^{-\mathrm{ikL}})-(L_2+H_2)]S_2---\left(8\right)$

其中ω为角频率，ρ₀为气体平均密度，k为波数，S₂为活塞面积，M为活塞质量，L₁、L₂、H₁、H₂为待定系数、L为管道1(管道2)的长度。联立(5)(6)(7)(8)可得：

ωMsin(kL)-2ρ₀a₀S₂cos(kL)＝0                                 (9)其中a₀为气体声速。求解方程(9)可获得ω的最小正数解，进而算得管内的基频。

假设管内为一个大气压的空气，管总长0.5m，在未加弹性膜片时，管内气体振荡的频率应该为28.7Hz。如果在管中央加入一活塞，管道横截面积为0.1m²，表1计算出了不同质量时管内的振荡频率。

                           表1

质量/kg	0	0.5	1	1.5	2
						频率/Hz	344	35.276	25.91	21.418	18.679

从表1可以看出，增加活塞的质量可以降低系统频率，因此在设计中可以将谐振管做的很短，通改变活塞的质量仍然可以获得想要的谐振频率。

Claims (4)

1、一种同轴型热声发电系统，包括一个热声斯特林发动机(A)和一个发电机(B)；其特征在于：所述的热声斯特林发动机(A)和发电机(B)安装于同一外壳(1)中；所述的热声斯特林发动机(A)为同轴结构的热声斯特林发动机，包括一热缓冲腔(7)及依次同轴套装在热缓冲腔(7)腔壁上或者同轴安装在热缓冲腔(7)腔内的加热器(2)、回热器(3)、室温换热器(4)、容性腔(6)及调相部件和位于热缓冲腔(7)内的一室温换热器(4′)，该室温换热器(4′)与热缓冲腔(7)的腔壁紧密配台，并将热缓冲腔(7)隔成两段；所述的调相部件为惯性管(5)或调相弹性膜片(E)；惯性管(5)一端接容性腔(6)，另一端接热缓冲腔(7)，调相弹性膜片(E)为一安装在容性腔(6)端部的弹性膜片，其质量为5～2000克，其张力为10^-1～2×10¹N/m²；

所述的发电机(B)为将其运动部件设计成直线运动结构的直线发电机；发电机活塞(C)与外壳(1)间的密封为微间隙密封或焊接波纹管密封；所述的微间隙密封是指活塞(C)与外壳(1)内壁间的间隙为0.01-0.30毫米；所述的焊接波纹管密封是将一波纹管(10)一端固定在外壳(1)的内壁上，另一端固定在发电机活塞(C)靠近热声发动机(A)一侧的端面上；所述的发电机活塞(C)带有一延伸部分，其上安装该发电机的运动部件；所述热声斯特林发动机(A)的声功作用在发电机活塞(C)靠近热声发动机(B)一侧的端面上，以推动发电机活塞(C)及安装在发电机活塞(C)上的运动部件运动。

2、按权利要求1所述的同轴型热声发电系统，其特征在于，所述的发电机(B)为动磁式或动圈式发电机；

所述动磁式发电机中安装在发电机活塞(C)上的运动部件包括磁体(9)和把磁体(9)与发电机活塞(C)连在一起的连接部件，发电机线圈(8)安装在外壳(1)上；

所述动圈式发电机中安装在发电机活塞(C)上的运动部件包括线圈(8)和把线圈(8)与发电机活塞(C)连在一起的连接部件，发电机磁体(9)安装在外壳(1)上。

3、按权利要求1所述的同轴型热声发电系统，其特征在于，所述的发电机活塞(C)及安装在发电机活塞(C)上的运动部件的质量和为0.1～20Kg，发电机活塞(C)两侧的密封气体的压强均为1～10MPa。

4、按权利要求1所述的同轴型热声发电系统，其特征在于，在所述与惯性管(5)相连的容性腔(6)内加装一抑制直流弹性膜片(D)，其质量在5～500克之间，其张力在10^-1～10⁴N/m²之间。

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