一种串级热声发电装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及热声发电技术领域，具体涉及一种串级热声发电装置。该串级热声发电装置包括发电机、驻波发动机和行波发动机，所述行波发动机与所述发电机相连，所述驻波发动机与所述行波发动机之间连接有调相谐振子，所述调相谐振子包括调相气缸、设置在所述调相气缸中且与所述调相气缸相适配的调相活塞以及与所述调相活塞连接的弹性复位件。本发明提供的串级热声发电装置，采用调相谐振子和发电机取代现有技术的串级热声发动机中的谐振管，通过调相谐振子匹配驻波发动机与行波发动机之间的阻抗，通过发电机调节行波发动机内的相位并输出电功，使整个串级热声发电装置的结构更加紧凑，发电效率更高。
【专利说明】
一种串级热声发电装置
技术领域
[0001]本发明涉及热声发电技术领域，尤其涉及一种串级热声发电装置。
【背景技术】
[0002]热声发动机是一种利用热声效应将热能转换为声能的能量转换装置，主要分为驻波发动机、行波发动机和串级热声发动机，其中串级热声发动机是一种新型的热声发动机结构。
[0003]现有的串级热声发动机主要由第一谐振管、驻波发动机、行波发动机和第二谐振管组成。其中驻波发动机和行波发动机分别位于第一谐振管和第二谐振管内，行波发动机内为了降低流动损失，其直径通常要比驻波发动机和谐振管的直径大。往驻波加热器和行波加热器内加入热量时，在驻波发动机的板叠和行波发动机的回热器内将建立温度梯度，系统内就会产生声波振荡。声功最先从驻波发动机输出，一部分进入第一谐振管，另一部分进入行波发动机内，声功被放大，再进入第二谐振管，在第一谐振管和第二谐振管上可以连接不同的负载，例如发电机、制冷机等。
[0004]现有的串级热声发动机结合了驻波发动机和行波发动机的特点，整体是直线结构，机械设计简单，效率介于驻波发动机与行波发动机之间。但是对于动力系统，效率是非常重要的考量因素，而现有的串级热声发动机需要使用长长的谐振管(谐振管的长度在1m左右)。因此，现有的串级热声发动机不仅不便于实际应用，而且谐振管耗散了相当一部分的声功，严重降低了热声发电装置的效率。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本发明要解决的技术问题是现有的串级热声发动机体积大，结构不紧凑，谐振管造成的能量损失大，效率低的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种串级热声发电装置，包括发电机、驻波发动机和行波发动机，所述行波发动机与所述发电机相连，所述驻波发动机与所述行波发动机之间连接有调相谐振子，所述调相谐振子包括调相气缸、设置在所述调相气缸中且与所述调相气缸相适配的调相活塞，以及与所述调相活塞连接的弹性复位件。
[0009]进一步地，所述弹性复位件为复位弹簧，所述调相活塞的一端与至少一个所述复位弹簧相连，或所述调相活塞的两端分别与至少一个所述复位弹簧相连。
[0010]进一步地，所述弹性复位件为复位板簧，在所述调相活塞的两端分别设有一个所述复位板簧，各所述复位板簧分别通过活塞杆与所述调相活塞相连。
[0011]进一步地，所述弹性复位件为复位板簧，所述调相活塞包括第一调相活塞和第二调相活塞，所述调相气缸包括第一气缸和第二气缸;在所述第一气缸和所述第二气缸中对应设有所述第一调相活塞和所述第二调相活塞，在所述第一调相活塞和所述第二调相活塞之间设有两个所述复位板簧，所述第一调相活塞和所述第二调相活塞之间通过活塞杆相连，所述活塞杆分别与所述的两个复位板簧相连;其中所述第一气缸的内腔横截面积大于所述第二气缸的内腔横截面积。
[0012]进一步地，所述弹性复位件为复位板簧，所述复位板簧包括第一复位板簧和第二复位板簧，所述调相活塞包括第一调相活塞和第二调相活塞，所述调相气缸包括第一气缸和第二气缸;在所述第一气缸中设有所述第一调相活塞和所述第一复位板簧，在所述第二气缸中设有所述第二调相活塞和所述第二复位板簧，所述第一调相活塞和所述第一复位板簧之间通过第一活塞杆相连，所述第二调相活塞和所述第二复位板簧之间通过第二活塞杆相连;其中所述第一气缸的内腔横截面积大于所述第二气缸的内腔横截面积。
[0013]具体地，所述驻波发动机包括从左到右依次相连的热腔、驻波加热器、板叠和驻波水冷器，其中所述驻波水冷器与所述调相气缸相连。
[0014]具体地，所述行波发动机包括从左到右依次相连的行波主水冷器、回热器、行波加热器、热缓冲管和行波次水冷器，其中所述行波主水冷器与所述调相气缸相连，所述行波次水冷器与所述发电机相连。
[0015]进一步地，所述发电机为往复式直线发电机。
[0016](三)有益效果
[0017]本发明的上述技术方案具有如下优点:
[0018]本发明提供的串级热声发电装置，通过在驻波发动机和行波发动机之间连接调相谐振子，取代了现有技术的串级热声发动机中的谐振管，用调相谐振子匹配驻波发动机机与行波发动机之间的阻抗，从而消除谐振管，减小了串级热声发电装置的体积，使整个串级热声发电装置的结构更加紧凑，效率大幅提高。
[0019]本发明提供的串级热声发电装置，在行波发动机的行波次水冷器上连接发电机，发电机除了起到发电的作用外，通过调节发电机的机械阻抗、电阻抗等参数，同时也起到了调节行波发动机内相位的作用。
【附图说明】
[0020]图1是本发明实施例一中串级热声发电装置的结构示意图；
[0021]图2是本发明实施例二中串级热声发电装置的结构示意图；
[0022]图3是本发明实施例三中串级热声发电装置的结构示意图；
[0023]图4是本发明实施例四中串级热声发电装置的结构示意图。
[0024]图中:1:热腔;2:驻波加热器;3:板叠;4:驻波水冷器;5:行波主水冷器;6:回热器；7:行波加热器;8:热缓冲管;9:行波次水冷器;10:发电机;11:调相气缸；12:调相活塞；131:复位弹簧；132:复位板簧；101:发电机气缸；102:发电机活塞；103:发电机板簧；104:气体轴承；IIA:第一气缸；IIB:第二气缸；12A:第一调相活塞；12B:第二调相活塞；13A:第一复位板簧;13B:第二复位板簧。
【具体实施方式】
[0025]本发明提供了一种串级热声发电装置，包括发电机、驻波发动机和行波发动机，所述行波发动机与所述发电机相连，所述驻波发动机与所述行波发动机之间连接有调相谐振子，所述调相谐振子包括调相气缸、设置在所述调相气缸中与所述调相气缸相适配的调相活塞以及与所述调相活塞连接的弹性复位件，其中所述弹性复位件可以为复位弹簧或复位板簧。
[0026]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]实施例一
[0028]如图1所示，本实施例提供的串级热声发电装置，包括驻波发动机和行波发动机，所述驻波发动机和所述行波发动机之间连接有调相谐振子，所述行波发动机上连接有发电机10 ο
[0029]其中，所述调相谐振子包括调相气缸11、设置在所述调相气缸11中的调相活塞12以及与所述调相活塞12连接的复位弹簧131。所述驻波发动机包括从左到右依次相连的热腔1、驻波加热器2、板叠3和驻波水冷器4，其中所述驻波水冷器4与所述调相气缸11的左端相连。所述行波发动机包括从左到右依次相连的行波主水冷器5、回热器6、行波加热器7、热缓冲管8和行波次水冷器9，其中所述行波主水冷器5与所述调相气缸11的右端相连，所述行波次水冷器9与所述发电机10相连。
[0030]具体来说，所述调相气缸11中设置一个调相活塞12，所述调相活塞12的一端可以与一个或多个复位弹簧相连，在本实施例中，所述活塞12与一个复位弹簧131相连。
[0031]此外，还可以在所述调相活塞12的两端分别连接一个或多个复位弹簧。
[0032]本实施例中的串级热声发电装置的工作过程是:
[0033]往所述驻波加热器和所述行波加热器内加入热量时，在所述板叠3和所述回热器6内将建立温度梯度(即两端形成温差)，则装置内就会产生声波振荡，将热能转换为声波形式的机械能。声功最先从所述驻波发动机输出，经过所述调相活塞12后带动调相活塞进行往复运动，之后进入所述行波发动机内，将发动机内的高温热量转化为声波形式的机械能，声功被放大，然后声波再推动所述发电机10内的活塞进行往复运动，将机械能转换为电能。其中所述调相谐振子通过调整调相活塞12的质量和复位弹簧131的刚度，起到替代传统串级热声发动机中谐振管的作用，通过所述调相谐振子调节装置的工作频率，同时匹配驻波发动机与行波发动机之间的阻抗。而所述发电机10除了起到发电的作用外，还能够通过调节其机械阻抗、电阻抗等参数，起到调节行波发动机内相位的作用。
[0034]实施例二
[0035]如图2所示，本实施例提供的串级热声发电装置，包括驻波发动机和行波发动机，所述驻波发动机和所述行波发动机之间连接有调相谐振子，所述行波发动机上连接有发电机。其中所述驻波发动机和所述行波发动机的结构与实施例一的结构相同，仅是调相谐振子和发电机的结构不同。
[0036]具体来说，所述调相谐振子的调相气缸11中设有一个调相活塞12，在所述调相活塞12的两端分别设置一个复位板簧132，所述调相活塞12的两端分别通过活塞杆与所述复位板簧132相连。由于所述调相谐振子采用复位板簧132来支撑调相活塞12，所述调相活塞12只能在轴向方向运动，而不能在径向方向运动，因此调相活塞12和调相气缸11之间可以保持微小的间隙而不产生任何摩擦，使用寿命长，可靠性高，阻尼损失小，进一步提高了串级热声发电装置的工作效率。
[0037]此外，所述发电机采用往复式直线发电机。所述往复式直线发电机至少包括发电机气缸101，所述发电机气缸101中设有发电机活塞102，所述发电机气缸101的内壁上固定连接有发电机板簧103，所述发电机活塞102与所述发电机板簧103通过杆轴相连。由于所述往复式直线发电机的发电机活塞102采用发电机板簧103来支撑，使得发电机活塞102和发电机气缸1I之间不接触，保持微小的间隙，这样发电机活塞102进行往复运动的过程中始终不跟发电机气缸101产生任何摩擦，因此不需要润滑油，大大延长了发电机的使用寿命。
[0038]实施例三
[0039]如图3所示，本实施例提供的串级热声发电装置，包括驻波发动机和行波发动机，所述驻波发动机和所述行波发动机之间连接有调相谐振子，所述行波发动机上连接有发电机。其中所述驻波发动机、所述行波发动机以及所述发电机的结构与实施例二的结构相同，仅是调相谐振子的结构不同。
[0040]具体来说，所述调相气缸包括第一气缸IIA和第二气缸IlB，所述调相活塞包括第一调相活塞12A和第二调相活塞12B。在所述第一气缸IIA和所述第二气缸IIB中对应设置所述第一调相活塞12A和所述第二调相活塞12B，在所述第一调相活塞12A和所述第二调相活塞12B之间设有两个复位板簧132，所述第一调相活塞12A和所述第二调相活塞12B之间通过活塞杆相连，所述活塞杆分别与两个复位板簧132相连。所述第一气缸IlA与所述驻波发动机的驻波水冷器4相连，所述第二气缸IlB与所述行波发动机的行波主水冷器5相连。
[0041]其中所述第一气缸IlA的内腔横截面大于所述第二气缸IlB的内腔横截面，则所述第一调相活塞12A的横截面积大于所述第二调相活塞12B的横截面积。
[0042]在本实施例中，所述调相谐振子的两个调相活塞12A和12B采用了不等面积的活塞截面，其中与所述驻波发动机相邻的第一调相活塞12A的活塞横截面积较大，与所述行波发动机相邻的第二调相活塞12B的活塞横截面积较小，从而使驻波发动机和行波发动机之间获得更好的阻抗匹配。
[0043]当然，也可以将第一气缸与所述行波发动机的行波主水冷器相连，所述第二气缸与所述驻波发动机的驻波水冷器相连，则与所述驻波发动机相邻的调相活塞的活塞横截面积小于与所述行波发动机相邻的调相活塞的活塞横截面积。
[0044]实施例四
[0045]如图4所示，本实施例供了一种串级热声发电装置，本实施例提供的串级热声发电装置，包括驻波发动机和行波发动机，所述驻波发动机和所述行波发动机之间连接有调相谐振子，所述行波发动机上连接有发电机。其中所述驻波发动机和所述行波发动机的结构与实施例三的结构相同，仅是调相谐振子和发电机的结构不同。
[0046]具体来说，所述气缸包括第一气缸IIA和第二气缸IIB，所述调相活塞包括第一调相活塞12A和第二调相活塞12B，所述复位板簧包括第一复位板簧13A和第二复位板簧13B。在所述第一气缸IlA中设置所述第一活塞调相12A和所述第一复位板簧13A，在所述第二气缸部IlB中设置所述第二调相活塞12B和所述第二复位板簧13B，所述第一调相活塞12A和所述第一复位板簧13A之间通过第一活塞杆相连，所述第二调相活塞12B和所述第二复位板簧13B之间通过第二活塞杆相连。所述第一气缸IlA与所述驻波发动机的驻波水冷器4相连，所述第二气缸IlB与所述行波发动机的行波主水冷器5相连。
[0047]其中所述第一气缸IlA的内腔横截面大于所述第二气缸IlB的内腔横截面，则所述第一调相活塞12A的横截面积大于所述第二调相活塞12B的横截面积。
[0048]所述发电机采用往复式直线发电机。所述往复式直线发电机至少包括发电机气缸101，所述发电机气缸1I中设有发电机活塞102，所述发电机气缸1I的内壁上固定连接有气体轴承104，所述发电机活塞102通过所述气体轴承104支撑，使得发电机活塞102和发电机气缸101之间保持微小的间隙，发电机活塞102在进行往复运动的过程中始终不跟发电机气缸101产生任何摩擦，因此不需要润滑油，进而延长了发电机的使用寿命。
[0049]综上所述，本实施例提供一种串级热声发电装置，在驻波发动机和行波发动机之间连接调相谐振子，在行波发动机上连接发电机，通过调相谐振子和发电机取代了现有技术的串级热声发动机的谐振管，通过调相谐振子匹配驻波发动机与行波发动机之间的阻抗，通过发电机调节行波发动机内的相位并输出电功，使得整个串级热声发电装置的结构更加紧凑、合理，发电效率更高。
[0050]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上;术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0051]在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0052]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种串级热声发电装置，包括发电机、驻波发动机和行波发动机，所述行波发动机与所述发电机相连，其特征在于:所述驻波发动机与所述行波发动机之间连接有调相谐振子，所述调相谐振子包括调相气缸、设置在所述调相气缸中且与所述调相气缸相适配的调相活塞，以及与所述调相活塞连接的弹性复位件。2.根据权利要求1所述的串级热声发电装置，其特征在于:所述弹性复位件为复位弹簧，所述调相活塞的一端与至少一个所述复位弹簧相连，或所述调相活塞的两端分别与至少一个所述复位弹簧相连。3.根据权利要求1所述的串级热声发电装置，其特征在于:所述弹性复位件为复位板簧，在所述调相活塞的两端分别设有一个所述复位板簧，各所述复位板簧分别通过活塞杆与所述调相活塞相连。4.根据权利要求1所述的串级热声发电装置，其特征在于:所述弹性复位件为复位板簧，所述调相活塞包括第一调相活塞和第二调相活塞，所述调相气缸包括第一气缸和第二气缸;在所述第一气缸和所述第二气缸中对应设有所述第一调相活塞和所述第二调相活塞，在所述第一调相活塞和所述第二调相活塞之间设有两个所述复位板簧，所述第一调相活塞和所述第二调相活塞之间通过活塞杆相连，所述活塞杆分别与所述的两个复位板簧相连;其中所述第一气缸的内腔横截面积大于所述第二气缸的内腔横截面积。5.根据权利要求1所述的串级热声发电装置，其特征在于:所述弹性复位件为复位板簧，所述复位板簧包括第一复位板簧和第二复位板簧，所述调相活塞包括第一调相活塞和第二调相活塞，所述调相气缸包括第一气缸和第二气缸;在所述第一气缸中设有所述第一调相活塞和所述第一复位板簧，在所述第二气缸中设有所述第二调相活塞和所述第二复位板簧，所述第一调相活塞和所述第一复位板簧之间通过第一活塞杆相连，所述第二调相活塞和所述第二复位板簧之间通过第二活塞杆相连;其中所述第一气缸的内腔横截面积大于所述第二气缸的内腔横截面积。6.根据权利要求1所述的串级热声发电装置，其特征在于:所述驻波发动机包括从左到右依次相连的热腔、驻波加热器、板叠和驻波水冷器，其中所述驻波水冷器与所述调相气缸相连。7.根据权利要求1所述的串级热声发电装置，其特征在于:所述行波发动机包括从左到右依次相连的行波主水冷器、回热器、行波加热器、热缓冲管和行波次水冷器，其中所述行波主水冷器与所述调相气缸相连，所述行波次水冷器与所述发电机相连。8.根据权利要求1所述的串级热声发电装置，其特征在于:所述发电机为往复式直线发电机。
【文档编号】F03G7/00GK105909485SQ201610252468
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】胡剑英, 张丽敏, 罗二仓, 吴张华, 戴巍
【申请人】中国科学院理化技术研究所