一種聲功多級(jí)放大的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種聲功多級(jí)放大的行波熱聲發(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)部獲得合適聲場(chǎng)，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(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。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，是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)研宄和發(fā)展的重要方向。
[0003]圖1為Swift等人提出的帶駐波諧振管的環(huán)形管行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該發(fā)動(dòng)機(jī)主要由行波環(huán)路、諧振管9和負(fù)載10組成，行波環(huán)路由主冷卻器2、回?zé)崞?、加熱器4、熱緩沖管6、次冷卻器8組成。從聲場(chǎng)性質(zhì)來看，這是一臺(tái)行/駐波混合型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)駐波諧振管末端引進(jìn)了局部行波回路，在性能上較之前的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的提高。但是，該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分聲功在駐波諧振管中完全耗散掉，輸出的聲功較少；并且，諧振管尺寸很大，系統(tǒng)功率密度較低。這些問題都嚴(yán)重制約了該系統(tǒng)進(jìn)一步的應(yīng)用。
[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(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6組成。相比于圖1的系統(tǒng)，該系統(tǒng)大大減小了諧振管9的尺寸，同時(shí)回收了耗散在諧振管的聲功，大大提高了系統(tǒng)的功率密度和潛在熱效率；同時(shí)，該系統(tǒng)中每一回?zé)崞?均處于理想的行波相位，有利于更高效率的聲功轉(zhuǎn)換；熱緩沖管6兩端增加了高溫端層流化絲網(wǎng)5和低溫端層流化絲網(wǎng)7，很好的解決熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)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(直流抑制器I安裝在每一主冷卻器2入口和諧振管連接處，用于抑制環(huán)路直流)，消除了系統(tǒng)的直流；由于以上幾點(diǎn)的改變，該系統(tǒng)性能有明顯的提高；但是，這種系統(tǒng)主要適合接多個(gè)負(fù)載10的聲功輸出，輸出裝置復(fù)雜，每個(gè)單元輸出聲功較小，無法實(shí)現(xiàn)聲功多級(jí)放大和集中輸出，不適合驅(qū)動(dòng)單一大功率負(fù)載。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種聲功多級(jí)放大的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的回?zé)崞鞴ぷ髟谛胁ㄏ辔唬到y(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度高；既結(jié)合了聲學(xué)共振熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊、潛在效率高、回?zé)崞飨辔缓侠淼葍?yōu)點(diǎn)，又可以實(shí)現(xiàn)聲功多級(jí)放大和單一輸出，可很好地滿足大功率負(fù)載(大冷量脈管制冷機(jī)或大功率發(fā)電裝置)需求。特別地，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)聲功的幾何倍數(shù)的放大及單一輸出，輸出裝置簡(jiǎn)單，在驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載(大冷量脈管制冷機(jī)或大功率發(fā)電裝置)方面具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明提供的聲功多級(jí)放大的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其為由N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元通過諧振管首尾相連構(gòu)成的環(huán)路結(jié)構(gòu)和負(fù)載組成；
[0008]所述N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的長(zhǎng)度相等，橫截面積不等，且按照其橫截面面積由大到小或者由小到大形成環(huán)路，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元橫截面積越大，級(jí)數(shù)越高；所述諧振管長(zhǎng)度相等，橫截面積不等；連接第一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元與第N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的諧振管橫截面積最小，其余諧振管的橫截面積隨著連接的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的橫截面積的增大而增大；所述N = 3?6的正整數(shù)；
[0009]所述N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元均由依次串接的直流抑制器、主冷卻器、回?zé)崞?、加熱器、高溫端層流化元件、熱緩沖管、室溫端層流化元件和次冷卻器組成；所述每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的高溫端層流化元件安裝在每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的熱緩沖管的高溫側(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安裝在每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的熱緩沖管的室溫側(cè)；所述直流抑制器安裝在每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的主冷卻器入口和諧振管連接處，用于抑制環(huán)路直流；
[0010]所述負(fù)載旁接于第N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的次冷卻器出口與諧振管連接處；
[0011]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)單元中的加熱器與熱源相連，以吸收熱源熱量而形成相同溫度的高溫端；所述每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的主冷卻器和次冷卻器通過水冷器冷卻以維持在室溫；由此，每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞魃闲纬上嗤臏囟忍荻龋谠摐囟忍荻认?，每一?jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞鲀?nèi)部工作氣體與其內(nèi)的固體填料間產(chǎn)生熱聲效應(yīng)，將輸入到加熱器的熱量轉(zhuǎn)化成聲功，聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大；聲功經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)中的N級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的放大與傳遞的流程如下:聲功在第一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞髦蟹糯螅糯蠛蟮穆暪νㄟ^諧振管傳遞到下一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元，并在該下一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞髦羞M(jìn)一步放大并繼續(xù)傳遞到再下一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元，并在該再下一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞髦性龠M(jìn)一步放大并繼續(xù)傳遞；最后，經(jīng)過多級(jí)放大后的聲功大部分傳遞給負(fù)載，其余部分聲功通過諧振管返回到第一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元，如此循環(huán)，以使多級(jí)放大聲功的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；
[0012]所述的聲功多級(jí)放大的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)使用的工質(zhì)為氦氣、氫氣、氮?dú)饣蚱浣M合。
[0013]所述直流抑制器為彈性隔膜元件或者非對(duì)稱水力元件。相鄰兩級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的橫截面積比為其中一個(gè)回?zé)崞鲀啥藴囟缺鹊?.5?I倍。相鄰兩個(gè)諧振管的橫截面積比為其中一個(gè)回?zé)崞鲀啥藴囟缺鹊?.5?I倍。每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞髦新暪Ψ糯蟊稊?shù)為該級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞鲀啥藴囟缺鹊?.5-1倍。所述的負(fù)載為直線電機(jī)或脈管制冷機(jī)。
[0014]本發(fā)明的聲功多級(jí)放大的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于:能夠?qū)崿F(xiàn)聲功指數(shù)倍地放大和集中輸出，輸出裝置簡(jiǎn)單；環(huán)路中可按照負(fù)載的聲功需求任意調(diào)整熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元級(jí)數(shù)，方便靈活；每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞骶蓪?shí)現(xiàn)行波相位，并解決傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管尺寸過大的問題，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，潛在效率高，在驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載(大冷量脈管制冷機(jī)或大功率發(fā)電裝置)方面具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0015]圖1是Swift等人提出的帶諧振管的環(huán)形管行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
[0016]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；
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]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。本發(fā)明利用多級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元實(shí)現(xiàn)聲功的指數(shù)倍地放大，有利于驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載；環(huán)路中可以根據(jù)輸出需求調(diào)整熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的數(shù)量，方便靈活；同時(shí)，系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)體積較大的駐波諧振管，結(jié)構(gòu)緊湊，并回收了耗散在諧振管中的聲功，具有潛在高效率；并且，系統(tǒng)輸出裝置簡(jiǎn)單，集中輸出，有利于系統(tǒng)成本降低。
[0020]實(shí)施例1
[0021]圖3是本發(fā)明的一種聲功多級(jí)放大的行波熱聲發(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的多級(jí)聲功放大行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由3級(jí)(#1熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元、#2熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和#3熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元)長(zhǎng)度相等、橫截面積不等的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元組成及負(fù)載10組成；各級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元通過長(zhǎng)度相等、橫截面積不等的諧振管9首尾相連構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)；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1、主冷卻器2、回?zé)崞?、加熱器4、高溫端層流化元件5、熱緩沖管6、室溫端層流化元件7和次冷卻器8組成；直流抑制器I安裝在每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的主冷卻器2入口和諧振管連接處，用于抑制環(huán)路直流；
[0022]#1熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元、#2熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和#3熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的橫截面積依次增大，順時(shí)針分布呈環(huán)路結(jié)構(gòu)；其兩兩熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元之間的諧振管橫截面積也依次增大；負(fù)載(本實(shí)施例為脈管制冷機(jī))10接于#3熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的次冷卻器8出口與諧振管9連接處；
[0023]3級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元中的加熱器4與熱源相連，以吸收熱源熱量形成相同溫度的高溫端；每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的主冷卻器2和次冷卻器8通過水冷器冷卻以維持在室溫；由此，每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的回?zé)崞?上形成相同的溫度梯度，在該溫度梯度條件下，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)，將輸入到加熱器4的熱量轉(zhuǎn)化成聲功；聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大，放大后的聲功通過諧振管9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)崞髦羞M(jìn)一步放大并繼續(xù)傳遞到再下一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元，并在再下