[发明专利]一种双作用多级行波热声系统

说明书

技术领域

本发明实施例涉及能源动力以及制冷低温技术，尤其是涉及一种双作用多级行波热声系统。

背景技术

声波在气体中传播时，会使传播介质气体产生压力、位移和温度的波动。当该气体与固定边界相作用时，会引发声波能量与热能之间的转换，这就是热声效应。

热声系统就是利用热声效应原理设计的一种能量转换系统，可以将热能转化为声波能量，或者将声波能量转换成热能，热声系统包括热声发动机和热声制冷机，其中，热声发动机包括行波热声发动机和斯特林发动机，热声制冷机包括行波热声制冷机、脉冲管制冷机和斯特林制冷机。

在上述热声系统中，行波热声发动机和制冷机以氦气或氮气等惰性气体作为工作介质，具有高效、安全、使用寿命长的优点，因此获得了人们的广泛关注。目前采用行波热声发动机发电，以及采用行波热声制冷机实现低温制冷已经取得成功。

参考图1，图1为现有的行波热声系统的结构示意图。

如图1所示，该行波热声系统包括三个基本单元，每个基本单元包括直线电机1a和热声转换装置2a。

直线电机1a包括气缸11a、活塞12a、活塞杆13a、电机外壳14a、静子15a、动子16a和板簧17a。

静子15a与电机外壳14a的内壁固定连接，动子16a与静子15a间隙配合，活塞杆13a与动子16a固定连接，活塞杆13a与板簧17a固定连接，直线电机1a工作时，动子16a通过活塞杆13a带动活塞12a在气缸11a内作直线往复运动。

热声转换装置2a包括依次连通的主换热器21a、回热器22a和非常温换热器23a。主换热器21a与一个直线电机1a的气缸内腔，即压缩腔18a连通，非常温换热器23a与另一个直线电机1a的气缸内腔，即膨胀腔19a连通，这样，该热声系统就组成了一个工质流动的环路。

该行波热声系统作为制冷机工作时，接通直线电机1a的电源，动子16a带动活塞12a在气缸11a内往复运动，压缩腔18a内的气体工质体积改变，产生声波能量进入主换热器21a，通过回热器22a，在回热器内声波能量被消耗掉大部分，产生制冷效应，使非常温换热器降温，剩余声波能量再从非常温换热器23a出来，反馈给另一个直线电机1a的膨胀腔19a，再传递给第二台直线电机1a的活塞12a。

该行波热声系统作为发动机工作时，声波在回热器22a和非常温换热器23a内吸收热能转换为声波能量，声波能量被放大再从非常温换热器23a出来，进入直线电机1a的膨胀腔19a，推动活塞12a运动，声波能量活塞12a处被分成两部分，一部分进入压缩腔18a，反馈进入另一个回热器22a，剩余部分通过直线电机1a转换为输出电功。

在进行本发明的研究过程中，发明人发现如下技术缺陷：在实际应用过程中，非常温换热器23a只能在一个很小的温度范围内实施换热，因此，在该行波热声系统作为发动机工作时，给非常温换热器23a供热的热源只有一个很小的温度段的热量，能够被非常温换热器23a利用。例如，非常温换热器23a的工作温度是650℃到700℃的区间，热源与非常温换热器23a换热时只有温度在650℃到700℃之间的热量被吸收，当热源温度低于650℃时，热量不能被吸收，因而会造成热能的浪费，降低了热声能量的转化效率。

另外，该行波热声系统作为制冷机使用时，该行波热声系统只能在一个温度下提供制冷量，不能获得很低的制冷温度，因而限制了行波热声系统的制冷性能。

发明内容

本发明实施例提供一种双作用多级行波热声系统，用以解决现有技术中的缺陷，能够提高热声能量的转换效率，提高双作用多级行波热声系统的工作性能。本发明提供了一种双作用多级行波热声系统，一种双作用多级行波热声系统，具有至少三个基本单元，每个所述基本单元包括直线电机和热声转换装置，所述直线电机包括活塞和气缸，所述气缸具有气缸内腔，所述活塞能够在所述气缸内作直线往复运动，其特征在于，每个所述热声转换装置包括依次连通的主换热器和回热器，所述回热器为阶梯结构，所述回热器的每级阶梯层处均依次连接有一套非常温换热器、热缓冲管和次换热器；每个热声转换装置的主换热器和次换热器，分别与不同直线电机的气缸内腔连通，形成工质流动的环路结构。

本发明提供的双作用多级行波热声系统中的热声转换装置，包括依次连通的主换热器和回热器，所述回热器为阶梯结构，所述回热器的每级阶梯层处分别依次连接有非常温换热器、热缓冲管和次换热器。