一種單一輸出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種單一輸出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是一種利用管件和換熱器在其內(nèi)部獲得合適的聲場(chǎng)，并通過(guò)工作介質(zhì)和回?zé)崞髦g的相互作用將熱能轉(zhuǎn)化為聲能的裝置，具有無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。根據(jù)熱聲轉(zhuǎn)換的聲場(chǎng)特性，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)分為行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)基于可逆的熱聲斯特林循環(huán)，相較于基于不可逆循環(huán)的駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)而言具有潛在的高效率；在行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中，環(huán)路多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)由于避免了體積過(guò)大的諧振管且能夠有效地回收耗散在諧振管的聲功，具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度高、潛在效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)研宄的一個(gè)重要方向。
[0003]圖1為De Block等人的W02010107308A1公布的一種多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。該多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)相同的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)組成，每個(gè)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)諧振管相連構(gòu)成一個(gè)環(huán)路。該系統(tǒng)能夠有效地回收耗散在諧振管中的聲功，結(jié)構(gòu)緊湊，潛在效果高，能夠單一輸出聲功。但是，在該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中未加入熱緩沖管等結(jié)構(gòu)，造成冷熱氣體混合損失，導(dǎo)致熱量大量損耗在諧振管中，同時(shí)在環(huán)路系統(tǒng)中未安裝直流抑制器，所以這種結(jié)構(gòu)也未能取得較好的效果。
[0004]圖2為羅二倉(cāng)等人的CN103758657A提出的聲學(xué)共振型行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)主要由至少三臺(tái)聲學(xué)共振型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)和諧振管組成。相比于圖1的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中增加了熱緩沖管和次冷卻器，并且在熱緩沖管兩端增加了高溫端層流化絲網(wǎng)和低溫端層流化絲網(wǎng)，很好的解決了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中冷熱損失的問(wèn)題；并且，該系統(tǒng)安裝了環(huán)路直流抑制器，消除了系統(tǒng)的直流；由于以上兩點(diǎn)的改變，該系統(tǒng)性能有明顯的提高。但是，這種系統(tǒng)適合接入多個(gè)負(fù)載，在需要實(shí)現(xiàn)單一輸出的場(chǎng)合不適用。
[0005]本發(fā)明正是基于以上存在的問(wèn)題，提出了一種新型的流程，即解決了前人提出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的中冷熱損失、環(huán)路直流等問(wèn)題，又解決了聲功難于單一輸出的問(wèn)題。本發(fā)明輸出裝置簡(jiǎn)單，集中輸出，有利于系統(tǒng)成本的降低，有著良好的應(yīng)用前景

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種單一輸出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)中各熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元工作在行波相位，結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度高；采用旁通諧振管有效實(shí)現(xiàn)聲功的集中輸出，輸出裝置簡(jiǎn)單，具有廣闊的發(fā)展前景。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]如圖4所示，本發(fā)明提供的單一輸出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng):其由N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元、N個(gè)環(huán)路諧振管2和N-1個(gè)旁路諧振管組成，所述N = 3?10的正整數(shù)；所述N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元通過(guò)環(huán)路諧振管2首尾相連構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)，所述每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元在所述環(huán)路結(jié)構(gòu)中處于行波相位；
[0009]所述每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元由依次串接的直流抑制器3、主冷卻器4、回?zé)崞?、加熱器6、高溫端層流化元件7、熱緩沖管8、室溫端層流化元件9和次冷卻器10組成；所述每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的高溫端層流化元件7安裝在該級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中熱緩沖管8的高溫側(cè)，所述每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的室溫端層流化元件9安裝在該級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的熱緩沖管8的室溫側(cè)，用于抑制射流；所述N-1個(gè)旁路諧振管中的每一旁路諧振管均與負(fù)載11相連；
[0010]所述每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的加熱器6與熱源相連，以吸收熱源熱量形成高溫端；所述每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的主冷卻器4和次冷卻器10通過(guò)水冷器冷卻以維持在室溫范圍；每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞?上高溫端和室溫端形成溫度梯度τ，其中τ =2?3 ;在溫度梯度下，單一輸出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)起振；每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞?內(nèi)部工作氣體與其內(nèi)的固體填料間產(chǎn)生熱聲效應(yīng)，將熱量輸入到加熱器6并轉(zhuǎn)化成聲功，聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大；第一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元放大后的聲功一部分通過(guò)第一旁路諧振管101輸出給負(fù)載11，其余部分通過(guò)環(huán)路諧振管2傳遞到下一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元，并在下一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞髦斜贿M(jìn)一步放大，放大后的聲功一部分通過(guò)第二旁路諧振管102輸出給負(fù)載11，其余部分繼續(xù)通過(guò)環(huán)路諧振管2傳遞到再下一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元；依次類(lèi)推，第N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元放大后的聲功一部分通過(guò)第N-1旁路諧振管輸出給負(fù)載11，其余部分通過(guò)環(huán)路諧振管2傳遞到第一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元放大；如此循環(huán)，使得單一輸出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
[0011]所述直流抑制器3安裝在每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的主冷卻器4入口和環(huán)路諧振管2的連接處，用于抑制環(huán)路結(jié)構(gòu)的直流；所述直流抑制器3為彈性隔膜元件或者非對(duì)稱水力元件。
[0012]所述N個(gè)環(huán)路諧振管2的各環(huán)路諧振管長(zhǎng)度相等，所述N-1個(gè)旁路諧振管中每一旁路諧振管與環(huán)路諧振管的長(zhǎng)度比按照從大到小依次為Ν-1、Ν-2、Ν-3……I。
[0013]所述N-1個(gè)旁路諧振管I中每一旁路諧振管與N個(gè)環(huán)路諧振管中每一環(huán)路諧振管的管徑之比等于τ-l，其中τ =2?3。
[0014]所述的單一負(fù)載的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中使用的工質(zhì)為氦氣、氫氣、氮?dú)饣蚱浣M合。
[0015]所述負(fù)載11接于第N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的次冷卻器10和環(huán)路諧振管2的連接處。所述負(fù)載11為直線電機(jī)或脈管制冷機(jī)。
[0016]本發(fā)明的單一負(fù)載的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于:系統(tǒng)環(huán)路中各個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元都可實(shí)現(xiàn)行波相位，結(jié)構(gòu)緊湊；相比De Block提出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)而言，本發(fā)明增加了熱緩沖管和次換熱器，減少了熱能的損失，同時(shí)安裝了直流抑制器抑制了環(huán)路中的直流；并且，本發(fā)明輸出裝置簡(jiǎn)單，輸出功率集中，有利于系統(tǒng)成本的降低，在需要驅(qū)動(dòng)大型單一負(fù)載的場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是De Block等人提出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是羅二倉(cāng)等人提出的聲學(xué)共振型行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是本發(fā)明的單一負(fù)載的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(實(shí)施例1)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明的單一負(fù)載的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(實(shí)施例2)結(jié)構(gòu)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例中對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022]本發(fā)明能夠集中輸出功率，適用于驅(qū)動(dòng)大型單一負(fù)載；取消了傳統(tǒng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)體積較大的駐波諧振管，對(duì)諧振管消耗的聲功進(jìn)行了回收，具有潛在高效率；系統(tǒng)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度高；輸出裝置簡(jiǎn)單，有利于系統(tǒng)成本降低。
[0023]實(shí)施例1
[0024]圖3是本發(fā)明的一種單一輸出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)系統(tǒng)(實(shí)施例I)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本實(shí)施例1的單一輸出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由3級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元組成；各級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元通過(guò)3個(gè)環(huán)路諧振管2首尾相連而成構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)，各級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元在所述環(huán)路結(jié)構(gòu)中均處于行波相位；每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元均由依次相連的直流抑制器3、主冷卻器4、回?zé)崞?、加熱器6、高溫端層流化元件7、熱緩沖管8、室溫端層流化元件9和次冷卻器10組成；
[0025]單一輸出的多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的脈管制冷機(jī)(負(fù)載11)接于#3第三級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的次冷卻器10的出口與環(huán)路諧振管2的連接處，脈管制冷機(jī)(負(fù)載11)同時(shí)與第一旁路諧振管101和第二旁路諧振管102相連；由于在行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中，聲波傳遞為一個(gè)波長(zhǎng)，在環(huán)路中，每一環(huán)路諧振管2的長(zhǎng)度相等，第一旁路諧振管101和第二旁路諧振管102的長(zhǎng)度與環(huán)路諧振管2的長(zhǎng)度之比分別為2、1，第一旁路諧振管101、第二旁路諧振管102的橫截面積與環(huán)路諧振管2的橫截面積之比與3級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元內(nèi)回?zé)崞?的溫度梯度有關(guān)；假設(shè)3級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元內(nèi)回?zé)崞?內(nèi)高溫端和室溫端溫度之比τ均為2(實(shí)際上也可τ均為2.5)，則第一旁路諧振管101、第二旁路諧振管102的橫截面積與環(huán)路諧振管2的橫截面積之比均為I (此時(shí)τ為2，當(dāng)然τ也可為2.5);
[0026]每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單