[发明专利]气－液两相工质耦合振动式热声发动机

说明书

技术领域

本发明涉及热声发动机，尤其涉及一种气-液两相工质耦合振动式热声发动机。

背景技术

近年来，仅由换热器和管段组成的热声热机作为完全无运动部件的新型热力系统，因其交变流动的工作特性以及潜在的稳定性、可靠性、长寿命、可采用热能驱动等优点而倍受学术界和工业界的关注，并取得了突破性进展。在单纯采用气体工质的热声发动机方面，高效率、大压比(1.4)的行波型热声斯特林发动机成功研制；新型驻波-行波级联型热声发动机问世；采用热声斯特林发动机驱动室温温区行波热声制冷系统在-22℃和0℃分别获得了250W和435W制冷量，COP显著提高；而热声驱动单级和两级脉管制冷系统分别达到了34.1K和18.1K的低温，弹性膜分隔双工质技术实现的较低工作频率以及结合声压放大器提升压比是制冷温度获得突破的关键。上述热声系统的工作频率均在20Hz-100Hz范围，轴向结构尺寸约为4m-10m。为了实现热声系统的小型化，根据声学谐振理论，通常需要采用高频运行工况，高频小型热声系统是目前热声领域的研究热点之一。轴向长度1m量级的热声发动机谐振频率为数百赫兹，厘米量级的热声发动机，其谐振频率高达数千赫兹。然而，在高频运行工况下，热声回热器及其冷、热端换热器的设计和加工面临巨大挑战，实现大压比、大声功率输出相当困难。并且，低频运行工况对于诸如热声驱动脉管制冷等实际应用来讲更受青睐。在以液体作为热声热机工质方面，研发工作主要集中在采用液态金属钠作为工质的热声驱动磁流体发电系统的理论和实验研究，但由于液态金属钠过小的可压缩性以及过大的热导率导致系统需要在10MPa-20MPa的高压工况下运行，谐振频率高(系统轴向长度1.22m的样机，工作频率约为910Hz)，热电转换效率较低，且液态金属钠自身的危险性也令人堪忧。

为在相对较小系统结构尺寸下，实现较低的谐振频率，中国发明专利(02104157.1)基于传统采用气体工质热声系统中谐振管的长度是导致系统结构尺寸偏大的关键因素，提出在气体工质热声系统中引入由弹簧支撑的固体活塞，形成气-固两相工质耦合振动系统，利用固体高密度的质量惯性作为声感代替传统气体工质谐振管，进而可实现在显著缩减谐振管尺寸的同时保证相对较低的谐振频率。虽然，固体活塞能够在有效缩减谐振管长度的同时仍然保持较低的谐振频率，但活塞与汽缸之间的滑动密封以及柔性轴承支撑系统对结构设计、机械加工以及装配等都具有颇高的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种气-液两相工质耦合振动式热声发动机。

一种气-液两相工质耦合振动式热声发动机包括依次连接的环路行波热声核、U形谐振管、液体活塞、谐振腔，在U形谐振管的底部经液相平衡阀与声阻抗调节器相连接，环路行波热声核包括依次相连接的反馈管、声感管、声容管、第一水冷器、回热器、加热器、热缓冲管和第二水冷器。

所述的液体活塞的工质为室温离子液体。

液体活塞的工质为：三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑、三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑。

所述的声阻抗调节器具有气液平衡罐，在气液平衡罐内设有液位计，气液平衡罐顶部设有排气阀和充气阀，排气阀与大气相通，充气阀与钢瓶相连接，气液平衡罐上部两侧设有第一气相平衡阀和第二气相平衡阀，并分别与U形谐振管的两个竖直管段相连接。

谐振腔为环路行波热声核，环路行波热声核包括依次相连接的反馈管、声感管、声容管、第一水冷器、回热器、加热器、热缓冲管和第二水冷器。

另一种气-液两相工质耦合振动式热声发动机声，其特征在于它包括依次连接的驻波热声核、U形谐振管、液体活塞、谐振腔，在U形谐振管的底部经液相平衡阀与声阻抗调节器相连接，驻波热声核包括依次相连接的高温声容腔、加热器、回热器和水冷器。

所述的液体活塞的工质为室温离子液体。液体活塞的工质为：三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑、三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑。

所述的声阻抗调节器具有气液平衡罐，在气液平衡罐内设有液位计，气液平衡罐顶部设有排气阀和充气阀，排气阀与大气相通，充气阀与钢瓶相连接，气液平衡罐上部两侧设有第一气相平衡阀和第二气相平衡阀，并分别与U形谐振管的两个竖直管段相连接。

谐振腔为驻波热声核，驻波热声核包括依次相连接的高温声容腔、加热器、回热器和水冷器。