CN1766314A - 行波热声驱动的发电系统 - Google Patents

Abstract

本行波热声驱动的发电系统，包括依次相连并成回路的冷端换热器，回热器，加热器，热缓冲管，热端换热器、环形连接管道及位于管道中的直线发电机；发电机有一气缸，其内的套管一端套在管道上，另一端装有直线滑动轴承；气缸与套管之间的腔体内固定一带有圆环形腔道的双环形导磁软铁，其外环磁壁中嵌有永磁体；桶壁上绕线圈的线圈支架固定在气缸内壁上，线圈部分插入圆环形腔道内；热端管道内装有弹性/质量组件，其质量元件装在热端管道内并随弹性元件的位移滑动；室温管道内安装有调相弹性/质量组件，其质量元件装在管道内并随调相弹性元件的位移滑动。可通过对压力波动与体积流波动间相位差的调节，增大声功，利于微型化，反馈声功实现高效斯特林循环，可抑制回路的环流，减小热损失，提高整机性能。

Description

行波热声驱动的发电系统

技术领域

本发明涉及一种热声发电装置，特别是涉及行波热声驱动的发电系统。

背景技术

行波热声斯特林发动机具有效率高、能源适应性好、无运动部件等优点。利用行波型热声斯特林发动机可高效地将各种热源(包括废热)转换成机械功，再加上直线发电机，可实现机械能到电功的转换。

对于直线发电机，输入发电机的声功由以下方程来表明：

$W=\frac{1}{2}\mathrm{Re}[\tilde{p}\widetilde{U^{*}}]=\frac{1}{2}|\tilde{p}\tilde{U}|\cos {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pu}}=\frac{\mathrm{V\ω}}{4}|\tilde{p}|\·\cos {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pu}}---\left(1\right)$

(1)式中，Re[]表示对方括号中的复数取实部，*表示复数共轭，||表示对该符号中的复数取幅值，

及

分别表示压力及体积流波动，Φ_pu表示压力波动和体积速度波动之间的相位夹角，V表示直线发电机活塞的扫气容积，ω表示行波热声斯特林发动机的工作角频率。(1)式中，输入系统的声功不仅决定于压力幅值与扫气容积、角频率的乘积，而且两者间的相位差更是起着决定性的作用。然而，在实际运行时由于压力波动与体积流波动间的相位差接近90°，所以输入发电机的声功很小，热声发动机的能力并没有得到较好的利用。举例来说，cos80°＝0.1736，而cos60°＝0.5，可见在相位上的20°的提高获得了声功输入上接近2倍的增长，故对于相同频率下吸收等量的声功可以采用扫气容积较小的直线发电机。由此可见，在行波型热声斯特林发动机中调节压力波与体积流波动有着重要的意义。

现有行波型热声斯特林发动机主要有整体式斯特林发动机、分置式斯特林发动机和行波热声发动机(该发动机主要应用于行波热声制冷系统中)。在整体式斯特林发动机中的调相是通过曲柄连杆等机械结构完成的。其结构如图4所示，其中，1为冷端换热器，2为回热器，3为加热器，6和18为连接管道，7为发电机活塞，17为调相活塞，21为曲柄连杆机构。曲柄连杆机构21控制着热端活塞与冷端活塞间的运动相位差，直线发电机可与两活塞之一连接，也可与曲柄机械连接。整体式斯特林发动机的缺点是：一方面，曲柄连杆机构21的引入加剧了压缩活塞(发电机活塞7)及排出器活塞(调相活塞17)与壁面的磨损，而且排出器与压缩活塞的相位差针对不同的工况不具可调节性；此外，整体式斯特林发动机的排除器工作在高温下，降低了使用寿命。在分置式斯特林发动机中，采用排出器及做功活塞来控制两者相位。分置式斯特林发动机的结构如图5所示，其中1为冷端换热器，2为回热器，3为加热器，6和18为连接管道，22为排出器，23为功输出活塞。其缺点是：一方面引入运动部件提高了系统的复杂度，另一方面排出器在会在高温与低温端间运动，这对于排出器的工作是不利的。在传统的行波热声发动机驱动发电系统的驱动回路(如图6所示)中，系统采用气体活塞来代替排出器进行调相，它虽然解决了运动部件问题，但是其发电机活塞腔体内压力波和速度波的相位以驻波分量为主，需要较大的活塞容积才能实行有限的功输出；此外，过大的活塞容积也需要更大、更重的电路和磁路材料，使声电转换体积和重量增加，并降低了效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效的无运动部件斯特林发动机驱动直线发电机的装置。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的行波热声驱动的发电系统，包括依次相连并形成回路的冷端换热器1，回热器2，加热器3，热缓冲管4，热端换热器5和环形连接管道，其特征在于，还包括一安装在环形连接管道中的直线发电机；

所述直线发电机包括：一圆筒型气缸23，该圆筒型气缸23一端连通与冷端换热器1相连的冷端管道18，另一端开口，其开口端安装一套管24，所述套管24一端套装在与热端换热器5相连的室温管道6的外壁上并紧密配合，另一端设有圆形中心小孔；在圆筒型气缸23与套管24之间的腔体内固定安装一带有圆环形腔道111的双环形导磁软铁11，所述双环形导磁软铁11的外环磁铁壁中镶嵌一段等厚度的圆环形永磁体10；一桶壁上绕有线圈12的线圈支架14固定在所述圆筒型气缸23的内壁上，其绕有线圈12的部分插入双环形导磁软铁11的圆环形腔道111内；所述线圈支架14的中心处固定一穿过套管24上的圆形中心小孔的轴30；圆形中心小孔内的轴30上安装有直线滑动轴承9；所述室温管道6内安装一发电机弹性/质量组件，该发电机弹性/质量组件由彼此相连的发电机弹性元件8和质量元件7组成，发电机弹性元件8与直线滑动轴承9端面相连，质量元件7安装在管道6内并随发电机弹性元件8的弹性位移而在室温管道6内滑动；所述冷端管道18内安装一调相弹性/质量组件，该调相弹性/质量组件由彼此相连的调相弹性元件17和质量元件16组成，所述的调相弹性元件17与线圈支架14端面相连，所述质量元件16安装在冷端管道18内并随调相弹性元件17的弹性位移而在冷端管道18内滑动。

所述冷端管道18与圆筒型气缸23之间连通一连通管26，连通管26上安装一用于充放气时平衡直线发电机内外压力的通气阀门19。

所述发电机弹性-质量组件可为弹簧-活塞组件，其弹簧为弹性元件，活塞为质量元件；所述弹簧可为金属材料盘旋而成的普通螺旋弹簧，或压缩/拉伸时不产生旋转运动的在一段金属管上切割而成的压缩/拉伸弹簧。所述发电机弹性-质量组件还可为波纹管-质量块组件，其波纹管为弹性元件，质量块为质量元件；所述波纹管为几层叠放焊接在一起的刚性成型波纹管，或为薄不锈钢片在边缘焊接在一起柔性波纹管。

所述调相弹性-质量组件可为弹簧-活塞组件，其弹簧为弹性元件，活塞为质量元件；所述弹簧为金属材料盘旋而成的普通螺旋弹簧，或压缩/拉伸时不产生旋转运动的在一段金属管上切割而成的压缩/拉伸弹簧；所述调相弹性-质量组件还可为波纹管-质量块组件，其波纹管为弹性元件，质量块为质量元件；所述波纹管-质量块组件中的波纹管为几层叠放焊接在一起的刚性成型波纹管，或为薄不锈钢片在边缘焊接在一起柔性波纹管。

本发明提供的行波热声驱动发电系统与现有行波型热声斯特林发动机相比有如下优点：

(1)将直线发电机置于行波型热声斯特林发动机回路中，减小了系统总的尺寸；

(2)通过对压力波与体积流波动间相位差的调节，一方面使得输入直线发电机的声功增大，减小了系统总的尺寸，有利于微型化；另一方面反馈声功实现了高效的斯特林循环，

(3)将直线发电机置于行波回路，彻底地抑制了回路的环流，提高了行波型热声斯特林发动机的性能；

(4)摒弃了传统整体式斯特林发动机的曲柄连杆结构，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的新型行波热声驱动发电系统实施例1的结构示意图；

图2为本发明提供的新型行波热声驱动发电系统实施例2的结构示意图；

图3为本发明提供的新型行波热声驱动发电系统实施例2的结构示意图；

图4为整体式斯特林发动机结构示意图；

图5为分置式斯特林发动机结构示意图；

图6为传统行波型热声斯特林发动机系统示意图；

图7为两自由度弹簧-阻尼器-质量原理图；

图8为(在金属管壁上切割出径向间隙，间隙间相互绕轴旋转错开一定角度的)新型机械弹簧。

图面说明：

冷端换热器1              回热器2              加热器3

热缓冲管4                室温换热器5          连接管路6

发电机活塞7              支撑弹簧8            直线轴承9

永磁体10                 导磁电工纯铁11       线圈12

支撑弹簧13               动子14               密封电接头15

连接弹簧16               调相活塞17           连接管路18

通气阀门19               波纹管20             曲柄连杆机构21

排出器22                 功输出活塞23         惯性管24

弹簧刚度系数k1，k2，k3   阻尼系数c1，c2，c3   作用力F1，F2

具体实施方式

在叙述具体实施方式前，首先对本发明的调相原理说明如下：

图6是二自由度弹簧、阻尼器质量系统原理图，如图所示，其中k1，k2，k3分别为弹簧的刚度系数，c1，c2，c3分别为线性阻尼器的阻尼系数，则两自由度系统对简谐激励的稳态响应表达式，由系统运动微分方程得：

$m_1{\stackrel{\·\·}{x}}_1=F_1\left(t\right)-c_1{\stackrel{\·}{x}}_1+c_2({\stackrel{\·}{x}}_2-{\stackrel{\·}{x}}_1)-k_1{x}_1+k_2(x_2-x_1)$

$m_2{\stackrel{\·\·}{x}}_2=F_2\left(t\right)-c_3{\stackrel{\·}{x}}_2-c_2({\stackrel{\·}{x}}_2-{\stackrel{\·}{x}}_1)-k_3{x}_2-k_2(x_2-x_1)$

(2)

设：F₁(t)＝F₁e^iωt，F₂(t)＝F₂e^iωt，则可解得适合本发明的稳态响应为：

$x_1\left(t\right)=\frac{F_1{Z}_{22}\left(\mathrm{\ω}\right)-F_2{Z}_{12}\left(\mathrm{\ω}\right)}{Z_{11}\left(\mathrm{\ω}\right)Z_{22}\left(\mathrm{\ω}\right)-Z_{12}^2\left(\mathrm{\ω}\right)}\·e^{\mathrm{i\Ωt}}$

$x_2\left(t\right)=\frac{-F_1{Z}_{21}\left(\mathrm{\ω}\right)+F_2{Z}_{11}\left(\mathrm{\ω}\right)}{Z_{11}\left(\mathrm{\ω}\right)Z_{22}\left(\mathrm{\ω}\right)-Z_{12}^2\left(\mathrm{\ω}\right)}\·e^{\mathrm{i\ωt}}$

(3)

其中：c₁+c₂＝c₁₁，-c₂＝c₁₂＝c₂₁，c₂+c₃＝c₂₁

k₁+k₂＝k₁₁，-k₂＝k₁₂＝k₂₁，k₂+k₃＝k₂₂

Z₁₁(ω)＝k₁₁+iωc₃₁-m₁ω²

Z₁₂(ω)＝k₁₂+iωc₁₂

Z₂₁(ω)＝k₂₁+iωc₂₁

Z₂₂(ω)＝k₂₂+iωc₂₂-m₂ω²

上述式子中，x1与x2表示两质量块的位移，F1与F2分别为作用在1、2两个质量块上的外力，ω为外力的角频率，c为阻尼系数，k为系统中弹簧的等效刚度，m为质量块的质量大小。

(3)式中，可以认为F₁(t)为作用在副活塞上的力，F₂(t)为线圈在磁场中所受的电磁力，x1与x2的幅值中包含了相位关系。若激励为余弦，则取x1与x2的实部；本发明中，若激励为正弦，则取x1与x2的虚部。稳态响应x1与x2存在相位差，改变两运动质量的大小及弹簧的刚度可改变x1与x2之间的相位差大小，这使得新型行波热声发电机的调相成为可能。

下面结合具体实施方式和附图对本发明做进一步的描述：

实施例1：

实施例1的结构如图1所示，包括依次相连并形成回路的冷端换热器1，回热器2，加热器3，热缓冲管4，热端换热器5和环形连接管道，还包括一安装在环形连接管道中的直线发电机。本实施例中，直线发电机一端接由室温换热器5导出的“U”形连接管道，将该连接管道称为室温管道6；直线发电机另一端接由冷端换热器1导出的“U”形连接管道，将该连接管道称为冷端管道18。当热量由加热器3进入系统，回热器2两端出现温度差，在回热器2轴向建立起温度梯度。当温度梯度大于临界温度梯度时，行波型热声斯特林发动机产生自激振荡，将热能转化为机械能，再由直线发电机将机械能转化为电能。

所述直线发电机包括：一圆筒型气缸23，该圆筒型气缸23一端连通与冷端换热器1相连的冷端管道18，另一端开口，其开口端安装一套管24，所述套管24一端套装在与热端换热器5相连的室温管道6的外壁上并紧密配合，另一端设有圆形中心小孔；在圆筒型气缸23与套管24之间的腔体内固定安装一带有圆环形腔道111的双环形导磁软铁11，所述双环形导磁软铁11的外环磁铁壁中镶嵌一段等厚度的圆环形永磁体10；一桶壁上绕有线圈12的线圈支架14固定在所述圆筒型气缸23的内壁上，其绕有线圈12的部分插入双环形导磁软铁11的圆环形腔道111内；所述线圈支架14的中心处固定一穿过套管24上的圆形中心小孔的轴30；圆形中心小孔内的轴30上安装有直线滑动轴承9；所述室温管道6内安装一发电机弹性/质量组件，该发电机弹性/质量组件由彼此相连的发电机弹性元件8和质量元件7组成，发电机弹性元件8与直线滑动轴承9端面相连，质量元件7安装在管道6内并随发电机弹性元件8的弹性位移而在室温管道6内滑动；所述冷端管道18内安装一调相弹性/质量组件，该调相弹性/质量组件由彼此相连的调相弹性元件17和质量元件16组成，所述的调相弹性元件17与线圈支架14端面相连，所述质量元件16安装在冷端管道18内并随调相弹性元件17的弹性位移而在冷端管道18内滑动。

所述冷端管道18与圆筒型气缸23之间连通一连通管26，连通管26上安装一用于充放气时平衡直线发电机内外压力的通气阀门19。

在本实施例的直线发动机中，线圈支架14与质量元件7(发电机活塞)通过轴30相互固连，组成直线发动机的动子，其径向通过直线滑动轴承9定位。工作时，直线发电机活塞吸收声功后自身产生振荡，从而也带动线圈12经发电机弹性元件8(压缩弹簧)和弹性元件13(压缩弹簧)的作用下、在由永磁体10与导磁软铁11聚集成的强磁场中产生切割磁力线的运动，实现机械能向电能的转换。两个压缩弹簧一端固定不动，另一端分别与动子及直线发电机活塞相连。动子带动活塞-弹簧调相机构运动，将部分经调相以后的声功反馈回回热器。所用线圈12可由黄铜及铝导线等金属漆包线绕制胶合固化而成，所产生的交流电经密封电接头接出线圈，可接各种电负载。由于弹性元件传递运动存在相位差，可以完成两运动质量的调相。在冷端管道18与直线发电机之间有一旁通管路(即带有通气阀门19的连通管26)，用以充放气时平衡压力波发生器内外的平均压力。两个活塞均采用活塞环形式密封。制作本实施例中的压缩弹簧可采用普通的碳钢、50铬矾等材料螺旋成型，也可采用特殊弹簧(如图8所示)作为弹簧，其制做方式是在金属管壁上切割出径向间隙，间隙间相互绕轴旋转错开一定角度，其优点在于提供与传统螺旋弹簧相同的作用的同时，在拉伸压缩时不会产生扭转运动。本实施例中通过改变活塞的质量大小、横截面积以及弹簧的刚度可以实现不同程度的调相。

在传统行波型热声斯特林发动机回路(包括1个加热器1个冷端换热器，一段不锈钢或黄铜丝网填充的回热器，1个室温换热器，一些连接管路)的惯性管位置放入直线发电机及活塞-弹簧调相组件。当热量出加热器3进入系统，回热器两端出现温度差，在回热器轴向建立起温度梯度。当温度梯度大于临界温度梯度时，行波型热声斯特林发动机产生自激振荡，将热能转化为机械能。直线发电机活塞7吸收声功自身产生振荡，从而也带动线圈10经机械支撑弹簧6、11的作用下、在由永磁体8与导磁软铁聚集成的强磁场中产生切割磁力线的运动，实现机械能向电能的转换。两个支撑弹簧一端固定不动，另一端分别与动子14及直线发电机活塞5相连接。动子带动活塞-弹簧调相机构运动，将部分经调相以后的声功反馈回回热器。所用线圈12可由黄铜及铝导线等金属漆包线绕制胶合固化而成，所产生的交流电经密封电接头13接出线圈，可接各种电负载。由于弹性元件传递运动存在相位差，可以完成两运动质量的调相。在连接管路18与直线发电机之间有一带通气阀门19的旁通管路，用以充放气时平衡直线发电机内外的平均压力。两个活塞均采用活塞环形式密封。

本实施例中的直线发电机采用的是动圈式结构，容易理解，直线发电机也可以采用动磁式结构。不同点是：动圈式体积较大但磁场利用较充分，动磁式体积小但磁场利用较差。

本实施例中动子采用直线轴承9径向支撑，容易理解动子也可以采用板簧径向支撑的方式。

实施例2：

如图2所示，本实施例在实施例1的基础上，采用金属波纹管20代替实施例1中的机械弹簧17、采用一质量块29代替实施例1的调相活塞16；同时，采用了直线滑动轴承或者板簧来支撑该质量块29；在线圈支架14的端面上增加了气体通道，使得副波纹管在振动时内部气体振动时不会产生太大的压力波动而损害波纹管。本实施例的金属波纹管可采用普通的不锈钢304或铍青铜材料。制作方式通常是液压成型或者焊接而成。通常，液压成型的波纹管比较焊接波纹管在刚度上要更大，所以稳定性比较好。

工作时，金属波纹管20起到实施例1中机械弹簧17的作用，质量块29起到实施例1中调相活塞16的作用，其它部件所起的作用及工作过程均与实施例1相同，因此不再复述。在本实施例中，出于采用波纹管20和质量块29，调相部件不必进行活塞环密封，从而减小了摩擦。

实施例3：

本实施例的结构如图3所示，它是在实施例2的基础上改造而成。本实施例以波纹管-质量块组件代替了实施例2中的弹簧-活塞组件作为发电机弹性-质量组件，其余零部件的材料和制作工艺及其连接方式均与实施例2相同。该波纹管-质量块组件由金属波纹管28与质量块27组成，直线滑动轴承9与质量块27固连，起到支撑作用。

Claims (8)

1.一种行波热声驱动的发电系统，包括依次相连并形成回路的冷端换热器(1)，回热器(2)，加热器(3)，热缓冲管(4)，热端换热器(5)和环形连接管道，其特征在于，还包括一安装在环形连接管道中的直线发电机；

所述直线发电机包括：一圆筒型气缸(23)，该圆筒型气缸(23)一端连通与冷端换热器(1)相连的冷端管道(18)，另一端开口，其开口端安装一套管(24)，所述套管(24)一端套装在与热端换热器(5)相连的室温管道(6)的外壁上并紧密配合，另一端设有圆形中心小孔；在圆筒型气缸(23)与套管(24)之间的腔体内固定安装一带有圆环形腔道(111)的双环形导磁软铁(11)，所述双环形导磁软铁(11)的外环磁铁壁中镶嵌一段等厚度的圆环形永磁体(10)；一桶壁上绕有线圈(12)的线圈支架(14)固定在所述圆筒型气缸(23)的内壁上，其绕有线圈(12)的部分插入双环形导磁软铁(11)的圆环形腔道(111)内；所述线圈支架(14)的中心处固定一穿过套管(24)上的圆形中心小孔的轴(30)；圆形中心小孔内的轴(30)上安装有直线滑动轴承(9)；所述室温管道(6)内安装一发电机弹性/质量组件，该发电机弹性/质量组件由彼此相连的发电机弹性元件(8)和质量元件(7)组成，发电机弹性元件(8)与直线滑动轴承(9)端面相连，质量元件(7)安装在管道(6)内并随发电机弹性元件(8)的弹性位移而在室温管道(6)内滑动；所述冷端管道(18)内安装一调相弹性/质量组件，该调相弹性/质量组件由彼此相连的调相弹性元件(17)和质量元件(16)组成，所述的调相弹性元件(17)与线圈支架(14)端面相连，所述质量元件(16)安装在冷端管道(18)内并随调相弹性元件(17)的弹性位移而在冷端管道(18)内滑动。

2、按权利要求1所述的行波热声驱动的发电系统，其特征在于，所述冷端管道(18)与圆筒型气缸(23)之间连通一连通管(26)，连通管(26)上安装一用于充放气时平衡直线发电机内外压力的通气阀门(19)。

3、按权利要求1所述的行波热声驱动的发电系统，其特征在于，所述发电机弹性-质量组件为弹簧-活塞组件，其弹簧为弹性元件，活塞为质量元件。

4、按权利要求1所述的行波热声驱动的发电系统，其特征在于，所述发电机弹性-质量组件为波纹管-质量块组件，其波纹管为弹性元件，质量块为质量元件。

5、按权利要求1所述的行波热声驱动的发电系统，其特征在于，所述调相弹性-质量组件为弹簧-活塞组件，其弹簧为弹性元件，活塞为质量元件。

6、按权利要求1所述的行波热声驱动的发电系统，其特征在于，所述调相弹性-质量组件为波纹管-质量块组件，其波纹管为弹性元件，质量块为质量元件。

7、按权利要求3或5所述的新型行波热声驱动发电系统，其特征是：所述弹簧-活塞组件中的弹簧为金属材料盘旋而成的普通螺旋弹簧，或压缩/拉伸时不产生旋转运动的在一段金属管上切割而成的压缩/拉伸弹簧或板弹簧。

8、按权利要求4或6所述的新型行波热声驱动发电系统，其特征是：所述波纹管-质量块组件中的波纹管为几层叠放焊接在一起的刚性成型波纹管，或为薄不锈钢片在边缘焊接在一起柔性波纹管。

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