[发明专利]热声行波发动机及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于热声转换的行波热声系统，具体是涉及一种新型的热声行波发动机及驱动新型的热声行波制冷机和直线电机的装置。

背景技术

热声系统是实现热能与声能或其他形式能量相互转换的装置。通常，热声系统是指包含热声发动机或热声制冷机的系统。热声发动机是热声系统的核心部件，它产生的压力波可以用来驱动热声制冷机或者直线电机等负载以获得低温或者电能等。

热声发动机是通过振荡的可压缩流体与固体工作介质的热相互作用从而实现热能向声能转换的装置。热声发动机无任何机械运动部件，不需要润滑，因而易于维护，使用寿命较长。采用氦气、氮气等对环境友好的不活泼气体作为工作介质，不会产生温室效应。此外，热声发动机能有效利用汽车尾气、工业废气和太阳能等低品位能源，能有效提高能源的综合利用效率，特别在缺少电能的场合具有实际意义。

而热声制冷机则是通过可压缩流体与固体工作介质的热相互作用从而实现声能向热能转换的装置。它同样具有运行稳定可靠，使用寿命长，使用惰性气体为工作介质等特点。用热声发动机产生的声能来驱动热声制冷机就能获得完全无任何机械运动部件的制冷系统，具有非常广阔的应用前景。

根据热声系统内部工作声场的不同，热声系统可分为热声驻波系统和热声行波系统。由于热声驻波系统中的工作气体与固体介质的不可逆换热，热声驻波系统的热效率较低，如热声驻波发动机，它的热效率一般在0.20以下。而热声行波系统的回热器中气体经历可逆的斯特林循环，因而其热效率在理论上要高于热声驻波系统，具有很大的应用前景，成为研究的热点。

传统的热声行波系统的结构如图1所示。它包括一热声行波发动机和一热声行波制冷机。热声行波发动机由一行波环路和谐振管所构成。行波环路依次包括一惯性管1，一容性管2，一主室温端换热器3，一回热器4，一高温端换热器5，一热缓冲管6和一次室温端换热器7，这些部件按次序布置构成环路。而热声行波制冷机由一行波环路构成。行波环路依次包括一惯性管9，一容性管10，一主室温端换热器11，一回热器12，一冷端换热器13，一热缓冲管14和一次室温端换热器15，这些部件按次序布置构成环路。可以看到，为了构成行波环路，热声行波发动机的惯性管和容性管中都包含弧形管结构，同时，为了使环路与谐振管相连接，还采用了三通管的结构。同样，为了构成行波环路，热声行波制冷机中也包含弧形管和三通的结构。这种行波环路结构的存在占据了大量的空间，结构不紧凑，不利于实际应用。弧形管及三通的存在会造成流动的复杂性，引起不必要的流动和换热损失。此外，对于热声行波发动机，这种环路结构无法克服高温端换热器处的高温引起的热应力，造成结构的不稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热声行波发动机，它克服了已有技术的不足之处，使发动机结构简单化，并提高了运行稳定性和可靠性及系统效率。

为此，本发明提供一种热声行波发动机，包括以下部件：用于调节相位的惯性管；与惯性管相邻的容性管；主室温端换热器；回热器；高温端换热器；热缓冲管和次室温端换热器；其中回热器位于主室温端换热器和高温端换热器之间，热缓冲管位于高温端换热器和次室温端换热器之间，其特征在于：所述发动机的上述各部件呈同轴布置并位于一外壳内，惯性管位于该同轴结构的内部。

本发明的再一目的是想提供一种热声行波制冷系统，它采用了上述这种新颖的发动机，提高了运行稳定性和系统效率。

本发明的又一目的是想提供一种直线发电系统，它采用了上述这种新颖的发动机，提高了运行稳定性和系统效率。

本发明提供的新型同轴型热声行波发动机的各部件呈同轴布置，即惯性管、容性管、主室温端换热器、回热器、高温端换热器、热缓冲管和次室温端换热器被置于同一外壳内，且其安装次序保持与典型热声行波发动机的结构相同。惯性管和容性管仍为圆管结构，主室温端换热器、回热器、高温端换热器、热缓冲管和次室温端换热器则被置于外壳与惯性管之间的环形流道中。热声行波发动机的惯性管为采用热导率低且耐高温材料的空管子，有效减少高温端换热器、回热器和热缓冲管内的高温对惯性管的漏热损失以及该漏热引起的惯性管内气体的流动和换热损失。热声行波发动机的惯性管与容性管的连接处置有一个弹性膜，它是一种具有较高弹性的有机材料或金属材料，由于弹性膜的存在，声直流能被完全抑制，同时由于该弹性膜处的流动截面积较大使得流速较低，确保弹性膜的使用寿命。