一種單一輸出的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動機領(lǐng)域，尤其涉及一種單一輸出的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱聲發(fā)動機是一種利用管件和換熱器在其內(nèi)部獲得合適的聲場，并通過工作介質(zhì)和回?zé)崞髦g的相互作用將熱能轉(zhuǎn)化為聲能的裝置，具有無機械運動部件、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注。根據(jù)熱聲轉(zhuǎn)換的聲場特性，熱聲發(fā)動機分為行波熱聲發(fā)動機和駐波熱聲發(fā)動機。行波熱聲發(fā)動機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)動機而言具有潛在的高效率；在行波熱聲發(fā)動機中，環(huán)路多級行波熱聲發(fā)動機由于避免了體積過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，成為行波熱聲發(fā)動機研宄的一個重要方向。
[0003]圖1為De Block等人的W02010107308A1公布的一種多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)。該多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)由多個相同的行波熱聲發(fā)動機組成，每個行波熱聲發(fā)動機通過諧振管相連構(gòu)成一個環(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)動機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)主要由至少三臺聲學(xué)共振型行波熱聲發(fā)動機、直線電機和諧振管組成。相比于圖1的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)在熱聲發(fā)動機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)動機系統(tǒng)中冷熱損失的問題；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)適合接入多個負(fù)載，在需要實現(xiàn)單一輸出的場合不適用。
[0005]本發(fā)明正是基于以上存在的問題，提出了一種新型的流程，即解決了前人提出的多級行波熱聲發(fā)動機帶來的中冷熱損失、環(huán)路直流等問題，又解決了聲功難于單一輸出的問題。本發(fā)明輸出裝置簡單，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行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件，系統(tǒng)中各熱聲發(fā)動機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現(xiàn)聲功的集中輸出，輸出裝置簡單，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行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng):其由N級熱聲發(fā)動機單元、N個環(huán)路諧振管2和N-1個旁路諧振管組成，所述N = 3?10的正整數(shù)；所述N級熱聲發(fā)動機單元中的每一級熱聲發(fā)動機單元通過環(huán)路諧振管2首尾相連構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)，所述每一級熱聲發(fā)動機單元在所述環(huán)路結(jié)構(gòu)中處于行波相位；
[0009]所述每一級熱聲發(fā)動機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；所述每一級熱聲發(fā)動機單元的高溫端層流化元件7安裝在該級熱聲發(fā)動機單元中熱緩沖管8的高溫側(cè)，所述每一級熱聲發(fā)動機單元的室溫端層流化元件9安裝在該級熱聲發(fā)動機單元的熱緩沖管8的室溫側(cè)，用于抑制射流；所述N-1個旁路諧振管中的每一旁路諧振管均與負(fù)載11相連；
[0010]所述每一級熱聲發(fā)動機單元中的加熱器6與熱源相連，以吸收熱源熱量形成高溫端；所述每一級熱聲發(fā)動機單元的主冷卻器4和次冷卻器10通過水冷器冷卻以維持在室溫范圍；每一級熱聲發(fā)動機單元的回?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，單一輸出的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)起振；每一級熱聲發(fā)動機單元的回?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；第一級熱聲發(fā)動機單元放大后的聲功一部分通過第一旁路諧振管101輸出給負(fù)載11，其余部分通過環(huán)路諧振管2傳遞到下一級熱聲發(fā)動機單元，并在下一級熱聲發(fā)動機單元的回?zé)崞髦斜贿M(jìn)一步放大，放大后的聲功一部分通過第二旁路諧振管102輸出給負(fù)載11，其余部分繼續(xù)通過環(huán)路諧振管2傳遞到再下一級熱聲發(fā)動機單元；依次類推，第N級熱聲發(fā)動機單元放大后的聲功一部分通過第N-1旁路諧振管輸出給負(fù)載11，其余部分通過環(huán)路諧振管2傳遞到第一級熱聲發(fā)動機單元放大；如此循環(huán)，使得單一輸出的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
[0011]所述直流抑制器3安裝在每一級熱聲發(fā)動機單元中的主冷卻器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稱水力元件。
[0012]所述N個環(huán)路諧振管2的各環(huán)路諧振管長度相等，所述N-1個旁路諧振管中每一旁路諧振管與環(huán)路諧振管的長度比按照從大到小依次為Ν-1、Ν-2、Ν-3……I。
[0013]所述N-1個旁路諧振管I中每一旁路諧振管與N個環(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)載的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)中使用的工質(zhì)為氦氣、氫氣、氮氣或其組合。
[0015]所述負(fù)載11接于第N級熱聲發(fā)動機單元的次冷卻器10和環(huán)路諧振管2的連接處。所述負(fù)載11為直線電機或脈管制冷機。
[0016]本發(fā)明的單一負(fù)載的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)，其優(yōu)點在于:系統(tǒng)環(huán)路中各個熱聲發(fā)動機單元都可實現(xiàn)行波相位，結(jié)構(gòu)緊湊；相比De Block提出的多級行波熱聲發(fā)動機而言，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)明輸出裝置簡單，輸出功率集中，有利于系統(tǒng)成本的降低，在需要驅(qū)動大型單一負(fù)載的場合具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1是De Block等人提出的多級行波熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是羅二倉等人提出的聲學(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)載的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)(實施例1)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明的單一負(fù)載的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)(實施例2)結(jié)構(gòu)示意圖；
【具體實施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及實施例中對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，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)動大型單一負(fù)載；取消了傳統(tǒng)熱聲發(fā)動機體積較大的駐波諧振管，對諧振管消耗的聲功進(jìn)行了回收，具有潛在高效率；系統(tǒng)無運動部件，結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度高；輸出裝置簡單，有利于系統(tǒng)成本降低。
[0023]實施例1
[0024]圖3是本發(fā)明的一種單一輸出的多級行波熱聲發(fā)動機驅(qū)動脈管制冷機系統(tǒng)(實施例I)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本實施例1的單一輸出的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)由3級熱聲發(fā)動機單元組成；各級熱聲發(fā)動機單元通過3個環(huán)路諧振管2首尾相連而成構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)，各級熱聲發(fā)動機單元在所述環(huán)路結(jié)構(gòu)中均處于行波相位；每一級熱聲發(fā)動機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]單一輸出的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)的脈管制冷機(負(fù)載11)接于#3第三級熱聲發(fā)動機單元中的次冷卻器10的出口與環(huán)路諧振管2的連接處，脈管制冷機(負(fù)載11)同時與第一旁路諧振管101和第二旁路諧振管102相連；由于在行波熱聲發(fā)動機中，聲波傳遞為一個波長，在環(huán)路中，每一環(huán)路諧振管2的長度相等，第一旁路諧振管101和第二旁路諧振管102的長度與環(huán)路諧振管2的長度之比分別為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級熱聲發(fā)動機單元內(nèi)回?zé)崞?的溫度梯度有關(guān)；假設(shè)3級熱聲發(fā)動機單元內(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τ為2，當(dāng)然τ也可為2.5);
[0026]每一級熱聲發(fā)動機單