CN1793644A - 行波热声发动机环路内的弹性调相装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种行波热声发动机环路内的弹性调相装置。弹性调相装置设置在行波热声发动机的主冷却器上面。所述的弹性调相装置具有依次连接的滑动块、弹簧部件和支撑部件。或者具有依次连接的弹性膜片、支撑薄片、弹簧部件和支撑部件。弹簧部件为普通弹簧或板簧。本发明在环路内外加一个弹性装置，通过改变该弹性部件的刚度和长度调节声容大小，从而很方便地对环路内声场的相位进行有效调节，并减小环路容积。同时，弹性部件通过弹性膜片或活塞间隙密封，可以有效阻止环路内的Gedeon直流，减小热损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种行波热声发动机环路内的弹性调相装置。适用于各种机械压缩机和热声发动机中的相位调节。
背景技术
热声效应是热与声之间相互转换的现象，即声场中的时均热力学效应。热声热机本质上是一种通过热声效应实现热能与声能之间相互转化或传输的装置。热声热机不需要外部的机械手段就可以使振荡流体的速度和压力之间建立起合理的相位关系，因此，不需要机械传动部件，大大简化了系统的结构。按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输。只要具备一定的条件，热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。
根据声场特性不同，热声发动机主要分为驻波型、行波型及驻波行波混合型三种型式。行波声场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差90°。由于驻波场中速度和压力之间的相位差为90°，当板叠处气体速度处于正向最大时，气体在板叠通道中高速向热端极限移动，掠过正向半个周期运动中的绝大部分位移(即掠过大部分的温度梯度)，因此，这一过程应该是加热最强烈的时间段。但此时也正是压力变化最大的时候，气体在这一时段被迅速压缩，压缩过程和加热过程同时发生，从热力学的角度看既不利于压缩也不利于加热，因此造成气体与固体之间传热的滞后，这一热滞后使得当气体运动变缓吸收热量时气体与固体介质之间已经有相当的温差，从而造成很大的不可逆损失。但是我们也应当看到，如果没有热滞后，驻波声场理论上不能产生声功，它是以降低热力学效率为代价来产生声功的；同理，当气体经历膨胀过程时，却同时经历气体高速向低温端运动的冷却过程，这样的过程既不利于膨胀也不利于放热。从上面的过程分析可以看到：为了在驻波场中实现热功转化就必须采用间距较大的板叠以形成热滞后，使一部分加热发生在压缩过程之后，一部分冷却发生在膨胀过程之后，然而气体同固体间的有限温差热传递造成的不可逆热力过程使整个装置的效率大大降低。
行波热声发动机中回热器填料的空隙尺寸远小于气体热渗透深度，实现了固体与气体间的理想热接触，加热和冷却近似为可逆等温过程。同时，行波声场中速度和压力同相位。在行波热声发动机回热器处，当气体被迅速压缩时，气体运动速度很小，跨过回热器上较小的温度增量，因此可以被高效地压缩，而在加热过程中，气体具有最大的正向速度，跨过最大的温度增长区间，而此时压力却变化很小，因此可以实现高效的吸热膨胀过程，从热力学角度来看这无疑是对热能到声功的转换非常有利；同理，当气体进入压力降低阶段后，气体运动速度较小，掠过热声回热器较小的温度区间，所以利于压力的降低，当气体压力降到一定程度时速度变大，温度变化迅速，气体对回热器放热，气体先经历膨胀再放热。从以上分析可以看出行波声场中的热声转换过程自然进行，没有不可逆过程的参与，并且很小的回热器水利半径能够保证气体与回热器的等温传热，因此，行波热声发动机理论上进行的是可逆热声转换过程，可以获得比驻波热声发动机更高的热力学效率。
从上面的分析可以看到，行波声场的一个本质特征就是速度波动与压力波动相位相同，此时如果发生热功转换效率最高。目前，在实际热声发动机中，这个相位是通过精确设计行波热声发动机环路内声学部件的结构尺寸获得的。通过声感和声容得声学传输作用，在行波热声发动机环路内进行速度和压力的相位调节，如果二者的结构尺寸合理，那么就会在行波热声发动机回热器处产生行波相位，即此处压力波动和速度波动相位相同。但是，这种相位调节方法要求声容和声感必须满足良好匹配，一旦不满足该条件，那么就必须更换部件，工作量和成本都较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种行波热声发动机环路内的弹性调相装置。
它是在行波热声发动机主冷却器上面设置弹性调相装置。所述的弹性调相装置具有依次连接的滑动块、弹簧部件和支撑部件。或者具有依次连接的弹性膜片、支撑薄片、弹簧部件和支撑部件。弹簧部件为普通弹簧或板
本发明在环路内加一个弹性装置，通过改变该弹性部件的刚度来调节声容的大小，从而可以很方便地对环路内相位进行有效调节，并减小环路容积。同时，弹性部件的端部通过弹性膜片或活塞间隙密封，可以有效阻止环路内的Gedeon直流，减小热损失。
附图说明
图1端部为滑动块密封的弹性调相装置；
图2端部为弹性膜片密封的弹性调相装置；
图3滑动块密封调相装置在行波热声发动机环路的安装示意图；
图4弹性膜片密封调相装置在行波热声发动机环路的安装示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种弹性调相装置包括依次连接的滑动块1、弹簧部件2、支撑部件3。弹簧部件2下端与主冷却器之间通过刚性支撑部件3接触连接，当然也可以直接与主冷却器接触固定。弹簧部件2与滑动块1的连接可以直接焊接，也可以通过合适的过渡连接实现。
如图2所示，另一种弹性调相装置包括依次连接的弹性膜片5、支撑薄片4、弹簧部件2、支撑部件3。弹簧部件2与主冷却器之间的支撑与前面所述采用滑动块密封时的相同。在连接弹簧部件2和弹性膜片5时，由于弹性膜片5本身是柔性部件，要实现与弹簧部件之间力的传递就必须在膜片的中部加一个刚性支撑片4，让它承受来自弹簧的力，并带动弹性膜片对气体压缩和膨胀。一般说来，由于回热器处气体的位移较小，弹簧力的传递易于实现。
当弹性调相装置制作完成后，就可以放入行波热声发动机的环路内。如图3所示，行波热声发动机环路包括依次连接的主冷却器6、回热器7、加热器8、热缓冲管9、次冷却器10和反馈回路11，用滑动块密封的弹性调相装置就放置在主冷却器的上面。对于采用滑动块密封的弹性调相装置，要求滑块和环路内与之接触管壁的相对运动壁面的光洁度一定要高，之间采用间隙密封，使两者之间可以自由地相对滑动，同时气体又不能穿过。弹性调相装置的下端放在主冷却器的上方，要求平稳放置。
采用弹性膜片密封的弹性调相装置的放置方法如图4所示，行波热声发动机环路包括依次连接的主冷却器6、回热器7、加热器8、热缓冲管9、次冷却器10和反馈回路11，弹性膜片密封的弹性调相装置放置在主冷却器的上面。把弹性膜片的周边夹在两相邻管壁或法兰之间，就可以实现密封，下端也是通过与主冷却器接触固定，要求平稳放置。
通过更换弹簧部件或改变弹簧部件的长度，可以对其调相能力进行调节。当对弹性调相装置的调相能力进行了优化后，就能保证行波热声发动机的回热器工作在行波相位下，此时的回热器热功转换效率较高。
Claims (4)
1.一种行波热声发动机环路内的弹性调相装置，其特征在于，在行波热声发动机主冷却器的上面设置弹性调相装置。
2.根据权利要求1所述的一种行波热声发动机环路内的弹性调相装置，其特征在于，所述的弹性调相装置具有依次连接的滑动块(1)、弹簧部件(2)和支撑部件(3)。
3.根据权利要求1所述的一种行波热声发动机环路内的弹性调相装置，其特征在于，所述的弹性调相装置具有依次连接的弹性膜片(5)、支撑薄片(4)、弹簧部件(2)和支撑部件(3)。
4.根据权利要求1所述的一种行波热声发动机环路内的弹性调相装置，其特征在于，所述的弹簧部件为弹簧或板弹簧。
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2006
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