专利名称：一种双作用多级行波热声系统的制作方法
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I为现有的行波热声系统的结构示意图。如图I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Ia和热声转换装置2a。直线电机Ia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Ia工作时，动子16a通过活塞杆13a带动活塞12a在气缸Ila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Ia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Ia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Ia的电源，动子16a带动活塞12a在气缸Ila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Ia的膨胀腔19a，再传递给第二台直线电机Ia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Ia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Ia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°C到700°C的区间，热源与非常温换热器23a换热时只有温度在650°C到700°C之间的热量被吸收，当热源温度低于650°C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。由于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，因此，本发明提供的双作用多级行波热声系统，能够在不同的温度段充分利用热能或者提供制冷量，提高了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。
图I为现有的行波热声系统的结构示意图；图2为本发明第一实施例提供的双作用多级行波热声系统的结构示意图；图3为本发明第二实施例提供的双作用多级行波热声系统的结构示意图；图4为本发明第三实施例提供的双作用多级行波热声系统的结构示意图。附图标记I-直线电机11-气缸12-活塞13-活塞杆14-电机外壳15-静子16-动子17-板簧18-压缩腔191-第一膨胀腔192-第二膨胀腔 193-第三膨胀腔2-热声转换装置21-主换热器22-回热器231-第一非常温换热器232-第二非常温换热器233-第三非常温换热器241-第一热缓冲管 242-第二热缓冲管 243-第三热缓冲管
251-第一次换热器 252-第二次换热器 253-第三次换热器31-第一直流抑制器32-第二直流抑制器
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。本发明实施例提供了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，其中，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。由于回热器的每级阶梯层处分别依次连接有一套非常温换热器、热缓冲管和次换热器，因此，本发明实施例提供的双作用多级行波热声系统，能够在不同的温度段充分利用热能或者提供制冷量。所以该双作用多级行波热声系统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。直线电机气缸内腔的设计形式按照相对位置的不同可以有多种，热声转换装置中回热器的设计，以及非常温换热器、热缓冲管和次换热器与直线电机气缸内腔的连接方式多样，能够形成路径不同的多种环路结构。例如活塞的数量可以为一个，气缸和活塞的形状为相互匹配的阶梯结构，活塞阶梯侧的各阶梯层处分别形成多个气缸内腔。或者，活塞的数量为一个，气缸和活塞的形状为相互匹配的阶梯结构，活塞阶梯侧的各阶梯层处以及活塞的平面侧分别形成多个气缸内腔。即在活塞平面侧形成一个气缸内腔，活塞阶梯侧形成其余的气缸内腔。活塞的阶梯结构优选为二级阶梯结构、三级阶梯结构或四级阶梯结构，但并不限于此数量，可根据非常温换热器、热缓冲管和次换热器的套数而定。气缸内腔与换热器的连接方式所形成的不同环路结构与气体工质的工作相位相关，环路结构配合适当的基本单元的数量，可以提高工作效率。例如，可设计各气缸内腔中活塞的工作表面平行且有一个工作表面与其他的工作表面反向，形成反向工作表面的汽缸内腔与主换热器相连通，基本单元的数量为三个或四个。或者，各气缸内腔中活塞的工作表面平行且同向，基本单元的数量为四个、五个或六个。在上述技术方案的基础上还可以在连接管路上安装直流抑制器，优选是在主换热器与气缸内腔的连接管路上，和/或次换热器与气缸内腔的连接管路上安装有直流抑制器。通过该直流抑制器可以避免环路结构中气体工质产生直流损失，能够提高该双作用多级行波热声系统的高热声能量的转换效率，提高工作性能。直流抑制器可以选用喷射泵或弹性膜盒。气缸内腔的数量和位置、环路结构以及基本单元的数量等各种设计因素的结合可以获得不同的具体实施方式
。为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。参照图2，图2为本发明第一实施例提供的双作用多级行波热声系统的结构示意图。在本发明的第一实施例中，双作用多级行波热声系统包行三个基本单元，图2中只标示出了图中最右端的基本单元中的各个部件的标号，由于其他两个基本单元的部件与该基本单元完全相同，为了简化附图，在图2中没有标示出其他相同的部件。 每个基本单元包括直线电机I和热声转换装置2。每个基本单元中，一种优选直线电机I的结构是包括气缸11、活塞12、活塞杆13、电机外壳14、静子15、动子16和板簧17。活塞12与气缸11之间微小间隙配合，配合间隙可以为0. 01-0. Imm,活塞12能够在气缸11内作直线往复运动，静子15固定安装在电机外壳14的内壁，动子16与活塞杆13固定连接，动子16与静子15配合，动子16与静子15之间具有适当的间隙，活塞杆13与电机外壳14的缩颈处为微小间隙配合，动子16可以带动活塞12在气缸11内作直线往复运动。在本实施例中，热声转换装置2包括主换热器21、回热器22、第一非常温换热器231、第二非常温换热器232、第一热缓冲管241、第二热缓冲缓242、第一次换热器251和第二次换热器252。回热器22为二级阶梯结构，回热器22的第一阶梯层处与第一非常温换热器231连通，回热器22的第二阶梯层处与第二非常温换热器232连通。气缸11和活塞12的数量为一个，活塞12的工作表面相互平行，这里所述的活塞12的工作表面是指活塞12在运动时，能够与气缸11内的气体工质直接发生作用的表面。气缸11和活塞12的形状为相互匹配的二级阶梯结构，气缸11的内腔包括压缩腔18、第一膨胀腔191和第二膨胀腔192。压缩腔18为活塞12的平面侧与所述气缸11形成的密封腔，一个基本单元中的气缸11的压缩腔18与另一个基本单元中热声转换装置2的主换热器21连通。第一膨胀腔191为气缸11和活塞12的阶梯侧的第一阶梯层处形成的密封腔，在每个基本单元中，第一膨胀腔191与同一基本单元中热声转换装置2的第二次换热器252连通，形成气体工质流动的环路结构。第二膨胀腔192为气缸11和活塞12的第二阶梯侧形成的密封腔，在每个基本单元中，第二膨胀腔192与同一基本单元中热声转换装置2的第一次换热器251连通，形成气体工质流动的环路结构。本实施例中的三个直线电机I采用三角形接法接入三相交流电，三个直线电机I的电流相位差是120度，因此，与每个热声转换装置2的主换热器21、第二次换热器252和与第一次换热器251相连通的压缩腔18和第一膨胀腔191、第二膨胀腔192内的气体工质体积流相位差也是120度。下面分别说明本实施例提供的热声转换装置分别作为热声发动机和热声制冷机的工作过程首先需要说明的是，当热声转换装置2两端的体积流相位差在90度到150度的范围内时，热声转换装置2的热声转换效率较高。当热声转换装置2作为热声发动机使用时，主换热器21、第一次换热251和第二次换热 器252处于室温状态，此时，通过加热的方式使第一非常温换热器231和第二非常温换热器232处于高温状态。当第一非常温换热器231和第二非常温换热器232的温度达到临界值后，气体工质的声功由压缩腔18进入热声转换装置2。首先进入主换热器21，然后进入回热器22、第一非常温换热器231和第二非常温换热器232，在回热器22、第一非常温换热器231和第二非常温换热器232内，声波吸收的热量转换为声功(声波能量)，因此声功被放大，从第一非常温换热器231出来的声功通过第一热缓冲管241和第一次换热器251进入另一个直线电机I的第二膨胀腔192，从第二非常温换热器232出来的声功通过第二热缓冲管242和第二次换热器252进入另一个直线电机I的第一膨胀腔191。活塞12吸收第一膨胀腔191和第二膨胀腔192的声功后，将声功分成两部分，一部分声功反馈给压缩腔18，进入另一个热声转换装置2中，其余部分通过直线电机I转化为输出电功。本实施例中的三个直线电机I输出的电流相位差为120度，通过适当的变压后即可以接入三相交流电网，整个发电过程非常简便。当热声转换装置2为热声制冷机时，主换热器21、第一次换热器251和第二次换热器252处于室温状态。三相电源向三个直线电机I输入电功，驱动活塞12做往复运动将电功转换为声功，声功自气缸11的压缩腔18进入热声转换装置2，绝大部分声波能量在回热器22内被消耗掉，同时产生制冷效应,使第一非常温换热器231和第二非常温换热器232的温度降低，剩余一部分声功通过第一热缓冲管241和第一次换热器251进入另一个直线电机I的第二膨胀腔192，同时剩余的一部分声功通过第二热缓冲管242和第二次换热器252进入另一个直线电机I的第一膨胀腔191，同时反馈给活塞12。使用三相交流电作为输入电源，直接可以使活塞12之间获得理想的相位差，非常便于实际应用。通过上述表述可以看出，在本实施例中，由于回热器22为二级阶梯结构，回热器22的第一级阶梯层处依次连接有第一非常温换热器231、第一热缓冲管241和第一次换热器251，回热器22的第二阶梯层处依次连接有第二非常温换热器232、第二热缓冲管242和第二次换热器252。并且，气缸11具有压缩腔18、第一膨胀腔191和第二膨胀腔192，每个基本单元内具有两个完整的反馈回路，因此，本发明提供的双作用多级行波热声系统，能够在两个不同的温度段充分利用热能或者提供制冷量，并且可以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。需要说明的是，当基本单元的数量均为三个时，优选方式是，保证活塞12的一个工作表面与其他的工作表面反向。在本实施例中，压缩腔18内的工作表面与第一膨胀腔191和第二膨胀腔192的工作表面反向。也就是说，每台直线电机I中，优选的方式是，保证压缩腔18处于被压缩状态时，第一膨胀腔191和第二膨胀腔192处于膨胀状态。如果压缩腔18处于被压缩状态时，第一膨胀腔191和/或第二膨胀腔192也处于被压缩状态，那么热声转换装置2两端的体积流相位差为会小于90度，进而会导致热声装换装置2的热声转换效率降低。另外，本实施例中的基本单元的数量也可以为四个，采用上述的环路结构，同样具有很好的热声能量的转换效率。参考图3，图3为本发明第二实施例提供的双作用多级行波热声系统的结构示意图。在第二实施例中，本发明提供的双作用多级行波热声系统与第一实施例提供的双作用多级行波热声系统结构基本相同，区别点在于，在本实施例中，双作用多级行波热声系统具有四个基本单元，气缸11和活塞12的形状为相互匹配的三级阶梯结构，气缸11的内腔包括压缩腔18、第一膨胀腔191和第二膨胀腔192。压缩腔18为气缸11和活塞12的第一阶梯层处形成的密封腔，一个基本单元中直 线电机I的压缩腔18与另一个基本单元中热声转换装置2的主换热器21连通。第一膨胀腔191为气缸11和活塞12的第二阶梯层处形成的密封腔，每个基本单元中，第一膨胀腔191与同一基本单元中热声转换装置2的第二次换热器252连通，形成气体工质流动的环路结构。第二膨胀腔192为气缸11和活塞12的第三阶梯层处形成的密封腔，在每个基本单元中，第二膨胀腔192与同一基本单元中热声转换装置2的第一次换热器251连通，形成气体工质流动的环路结构。显然，本实施例中的双作用多级行波热声系统也具有上述第一种实施例中的双作用多级行波热声系统基本相同的技术效果，在此不再赘述。另外，在本实施例中，在每个第一次换热器251与第二膨胀腔192的连接管路上各安装有一个第一直流抑制器31，该第一直流抑制器31可以防止第一非常温换热器231、第一热缓冲管241和第一次换热器251与第二非常温换热器232、第二热缓冲管242和第二次换热器252之间的小环路内产生直流损失。其中一个第二次换热器252与第一膨胀腔191之间安装有一个第二直流抑制器32，第二直流抑制器可以防止主换热器21的大环路产生直流损失，进而提高双作用多级行波热声系统的工作性能。上述直流抑制器的布设方式为优选布局，即可以在主换热器与气缸内腔的连接管路上安装有一个直流抑制器；并且至少一个次换热器与气缸内腔的连接管路上安装有直流抑制器。该布局方式也可适用于本发明其他实施例的技术方案。需要说明的是，为了配合气体工质相位关系以达到最高工作效率，当基本单元的数量为四个时，活塞12的工作表面的方向可以相同也可以相反，也就是说，直线电机I中压缩腔18被压缩时，第一膨胀腔191和第二膨胀腔192可以同时被压缩或被膨胀。理由是，如果压缩腔18被压缩时，第一膨胀腔191和第二膨胀腔192也被压缩，热声转换装置2两端的相位差是90度。如果压缩强18被压缩时，第一膨胀腔191和第二膨胀腔192也被压缩，热声转换装置2两端的体积流相位差也是90度，也就是说无论如何布置压缩腔18、第一膨胀腔191和第二膨胀腔192，热声转换装置2两端的体积流相位差都是90度，双作用多级行波热声系统的工作性能相同。当热声转换装置为热声制冷机时，四个直线电机的电流相位差是90度，因此驱动电流不能再直接使用三相交流电，电流必须通过调相装置将相位差调整为90度时，才能再驱动直线电机。当热声转换装置2为热声发动机机时，四个直线电机I输出的电流相位差是90度，因此必须经过一定的调相装置调相后，才能接入电网。参考图4，图4为本发明第三实施例提供的双作用多级行波热声系统的结构示意图。在第三实施例中，双作用多级行波热声系统具有五个基本单元，非常温换热器包括第一非常温换热器231、第二非常温换热器232和第三非常温换热器233，次换热器包括第一次换热器251、第二次换热器252和第三次换热器253。回热器22为三级阶梯结构，回热器22的第一阶梯层处与第一非常温换热器231连通，回热器的第二阶梯层处与第二非常温换热器232连通，回热器的第三阶梯层处与第三非常温换热器233连通。气缸11和活塞12的形状为相互匹配的四级阶梯结构，气缸11的内腔包括压缩腔18、第一膨胀腔191、第二膨胀腔192和第三膨胀腔193 ;压缩腔18为气缸11和活塞12的 第一阶梯层处形成的密封腔，每个直线电机I的压缩腔18与另一个基本单元中热声转换装置2的主换热器21连通。第一膨胀腔191为气缸11和活塞12的第二阶梯层处形成的密封腔，每个基本单元中，第一膨胀腔191与同一基本单元中热声转换装置2的第三次换热器253连通，形成气体工质流动的环路结构。第二膨胀腔192为气缸11和活塞12的第三阶梯层处形成的密封腔，每个基本单元中，第二膨胀腔192与同一基本单元中热声转换装置2的第二次换热器252连通，形成气体工质流动的环路结构。第三膨胀腔193为气缸11和活塞12的第四阶梯层形成的密封腔，每个基本单元中，第三膨胀腔193与同一基本单元中热声转换装置2的第一次换热器251连通，形成气体工质流动的环路结构。在本实施例中，热声转换装置2两端的体积流相位为108度，有利于其获得较高的热声能量的转换效率。需要说明的是，当基本单元的数量大于或等于5时，也就是说，优选的方式是，保证活塞12的工作表面方向相同，压缩腔18、第一膨胀腔191、第二膨胀腔192和第三膨胀腔193同时被压缩或同时被膨胀，如果一个被压缩另一个被膨胀，就会降低热声转换装置2的热声能量的转换效率。当热声转换装置2作为热声制冷机时，五个直线电机I的电流相位差是72度，主换热器21和第一次换热器251、第二次换热器252、第三次换热器253之间的体积流相位为108度，热声转换装置2可以在三个制冷温度上提供制冷量。当热声转换装置2为热声发动机机时，五个直线电机I输出的电流相位差是72度，系统可以将三种不同温度的热量转换为电功输出。显然，本实施例中的双作用多级行波热声系统也具有上述第一种实施例中的双作用多级行波热声系统的技术效果，另外，由于本实施例中，每个基本单元内具有三个个完整的反馈回路，可以更好的提高双作用多级行波热声系统的热声能量的转换效率，提高工作性能。需要说明的是，在本发明上述三个实施例中均可以安装第一直流抑制器31和第二直流抑制器32。
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。
权利要求
1.一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。
2.根据权利要求I所述的双作用多级行波热声系统，其特征在于所述活塞的数量为一个，所述气缸和活塞的形状为相互匹配的阶梯结构，所述活塞阶梯侧的各阶梯层处分别形成多个所述气缸内腔。
3.根据权利要求2所述的双作用多级行波热声系统，其特征在于所述活塞的数量为一个，所述气缸和活塞的形状为相互匹配的阶梯结构，所述活塞阶梯侧的各阶梯层处以及所述活塞的背面侧分别形成多个所述气缸内腔。
4.根据权利要求2或3所述的双作用多级行波热声系统，其特征在于所述阶梯结构为二级阶梯结构、三级阶梯结构或四级阶梯结构。
5.根据权利要求I或2所述的双作用多级行波热声系统，其特征在于各所述气缸内腔中活塞的工作表面平行且有一个工作表面与其他的工作表面反向，形成反向工作表面的汽缸内腔与所述主换热器相连通，所述基本单元的数量为三个或四个。
6.根据权利要求I或3所述的双作用多级行波热声系统，其特征在于各所述气缸内腔中活塞的工作表面平行且同向，所述基本单元的数量为四至十二个。
7.根据权利要求1-3任一所述的双作用多级行波热声系统，其特征在于，所述主换热器与所述气缸内腔的连接管路上，和/或所述次换热器与所述气缸内腔的连接管路上安装有直流抑制器。
8.根据权利要求7所述的双作用多级行波热声系统，其特征在于，所述主换热器与所述气缸内腔的连接管路上安装有一个所述直流抑制器；至少一个所述次换热器与所述气缸内腔的连接管路上安装有直流抑制器。
9.根据权利要求8所述双作用多级行波热声系统，其特征在于，所述直流抑制器为喷射泵或弹性膜盒。
全文摘要
本发明公开了一种双作用多级行波热声系统，具有至少三个基本单元，每个基本单元包括直线电机和热声转换装置，直线电机包括活塞和气缸，气缸具有气缸内腔，活塞能够在气缸内作直线往复运动，每个热声转换装置包括依次连通的主换热器和回热器，回热器为阶梯结构，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。该双作用多级行波热声系统，能够在不同的温度段充分利用热能或者提供制冷量，提高了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。
文档编号F25B9/00GK102734097SQ20111010196
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月1日
发明者余国瑶, 吴张华, 戴巍, 李海冰, 罗二仓, 胡剑英 申请人:中科力函(深圳)热声技术有限公司