专利名称：热声发电机的制作方法
技术领域：
本发明属于发电机技术领域，特别涉及到一种热声发电机。
背景技术：
电能是现代社会最主要的能源之一，而且大部分其他的能源，例如以煤炭、石油天然气为代表的化石能，水能，风能，核能等都需要通过发电机转变为电能再被人们所利用。发电机的形式很多，工作原理都是基于电磁感应原理，以一定的方式构成能进行电磁感应的磁场和电场，从而实现能量转换的目的。目前常规的发电机已经发展的比较完善，但是在一些极端环境下，常规的发电机无法长期有效的工作。例如在进行深太空探测时，由于探测时间很长，探测器不能携带足够的燃料，同时由于远离太阳，也无法采用太阳能电池获取足够的电能，这时候就需要一种具有高可靠性、长寿命、非常规燃料的发电机。再如一些长期的野外探测器、海底探测器等由于恶劣的工作环境，无法进行维护和燃料的添加，这时候需要燃料一次性的注入就能保证长期、稳定的运行。采用同位素衰变能驱动的发电机是一种可能的选择。同位素衰变过程可以非常的长(钚-238半衰期87年)，它能在几十年时间里为发电机提供稳定的热能输入，从而产生稳定的电能输出。但是直接用同位素衰变能驱动现有的发电机存在以下主要问题:现有的发电机的热端都存在活塞这一运动部件，活塞与气缸之间采用动密封，由于存在侧向力，因此密封环与气缸直接摩擦，它们的高速相对运动会造成磨损，从而影响电机的寿命和发电效率，而其他一些运动部件也需要润滑，这使得发电机在几千小时以内就必须进行维护保养。显然无法适应所述特殊场合的使用。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是:现有的发电机使用的是化学燃料，且有位于高温环境的运动部件，其活塞和气缸有直接的机械摩擦，高速相对运动会造成磨损，而且需要添加燃料和定期维护，不适应包括深空探测、海底探测、野外定点勘测等长期无人值守环境的工作要求。( 二)技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种热声发电机。其中，所述热声发电机包括同位素热源、回热器、主冷端换热器、声学容腔、声功反馈管和永磁电机，所述永磁电机包括永磁体和围绕在永磁体外部的线圈，所述回热器、主冷端换热器、声学容腔和声功反馈管依次连通，所述同位素热源和主冷端换热器使回热器的两端形成温度梯度，在回热器中形成热能到声能转换的热声自激振荡，从而产生自激振荡声压，所述自激振荡声压驱动永磁电机中的永磁体做往复运动，从而在线圈中形成感应电势。优选地，所述声功反馈管的出口端设有声压输出口，所述声压输出口和永磁电机之间设有带有活塞的气缸，所述永磁电机中的永磁体与气缸中的活塞相连接，所述声压输出口输出的声压驱动活塞运动，从而带动永磁体运动。优选地，所述活塞和气缸之间的间隙为5-30微米。优选地，所述热源提供的热量经过热端换热器传递到回热器，所述声压输出口上连通有次冷端换热器，所述次冷端换热器通过热缓冲管与热端换热器相连通，所述热端换热器、回热器、主冷端换热器、声学容腔、声功反馈管、声压输出口、次冷端换热器和热缓冲管形成闭合环形回路。优选地，所述主冷端换热器为气冷或水冷换热器。优选地，所述永磁体通过主轴与活塞相连接，所述主轴与永磁电机中的板状弹簧固定连接，通过该板状弹簧来支撑主轴。优选地，所述同位素热源为钚-238或者钋-210。优选地，所述同位素热源上设有热控制装置，用于控制同位素热源所产生的温度。优选地,所述永磁电机的外壳为封闭壳体。优选地，所述回热器中设有丝网或者板叠。(三)有益效果上述技术方案具有如下优点:本发明的发电机是通过同位素热源和主冷端换热器使回热器的两端形成温度梯度，在回热器中形成热能到声能转换的热声自激振荡，从而产生自激振荡声压，由自激振荡声压驱动永磁电机中的永磁体做往复运动，从而在线圈中形成感应电势。本发明通过将热声发动机自激振荡产生的声压用于提供永磁电机中永磁体运动的驱动力从而产生感应电势，由于永磁体运动的驱动力是由热声发动机自激振荡提供，热声发动机没有运动部件，因此具有高度的可靠性。而且该热声系统为行波型热声系统，使得热声转换效率高。永磁电机的运动部件处于常温环境下，活塞与气缸之间有微小间隙，因此不存在高温、磨损造成的失效，运行寿命长。
图1是本发明一种实施例的结构示意图。其中，100:同位素热源；101:同位素衰变体；102:热控制装置；103:热输出接口 ；200:热声发动机；201:热端换热器；202:回热器；203:主冷端换热器；204:声学容腔；205:声功反馈管；206:声压输出口 ；207:次冷端换热器；208:热缓冲管；300:永磁电机；301:气缸；302:线圈；303:支撑板；304:主轴；305:承压壳；306:永磁体；307:导磁定子；308:活塞。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示，是本发明一种实施例的结构示意图，该热声发电机包括同位素热源100、回热器202、主冷端换热器203、声学容腔204、声功反馈管205和永磁电机300，永磁电机300包括永磁体306和围绕在永磁体外部的线圈302,所述回热器202、主冷端换热器203、声学容腔204和声功反馈管205依次连通，该同位素热源100和主冷端换热器203使回热器202的两端形成温度梯度,在回热器202中形成热能到声能转换的热声自激振荡,从而产生自激振荡声压，所述自激振荡声压驱动永磁电机300中的永磁体306做往复运动，从而在线圈302中形成感应电势。本发明的热声发动机在回热器202两端的温度梯度达到80000C /米或以上时，会在包括声学容腔204、声功反馈管205所形成闭合声学回路的热声发动机200以及永磁电机300中形成热声自激振荡，振荡的声压驱动热声发动机200和永磁电机300中所充注的高压气体工质做交变流动,实现热能向声能的转换(热致声)。该发电机通过声波驱动永磁电机中的永磁体运动,从而在线圈中产生感应电动势。由于驱动永磁体运动的声压是由完全无运动部件的热声发动机200产生，因此具有高度的可靠性。而且该热声系统为行波型热声系统，使得热声转换效率高。永磁电机的运动部件处于常温环境下，活塞与气缸之间有微小间隙，因此不存在高温、磨损造成的失效，运行寿命长。本发明的同位素热源可以采用各种适合的同位素来提供，也可以由直接加热的方式提供热源。优选地，由同位素衰变体101来提供热源，用来提供热源的同位素可以是钚-238、钋-210等等。本发明采用同位素作为热源可以提高热源的使用寿命，可以实现在无人值守的情况下，热能的长期稳定供给。例如当采用长半衰期(87.6年)的钚-238作为同位素衰变体时，能保证同位素热源在10年时间里持续提供充足的热能。为了保证热源的温度不会过高，在同位素热源100上设置有热控制装置102，来对同位素热源的温度进行控制，该热控制装置可以是现有的各种温控装置，其为现有技术在此不再赘述。为了将热能从同位素热源100中输出，在同位素热源100中装有一个热输出接口 103，通过该热输出接口103将热源的热量导入回热器202 —端的热端换热器203中。热输出接口 103可以采取各种适合的热良导体，例如金属铜、铝等等。本发明的热声发动机200用于产生热声自激振荡，将热能转化为声能，通过振荡声波来驱动永磁电机300中的永磁体306做往复运动，从而在线圈302中形成感应电势。图1所示实施例的热声发动机200包括热端换热器201、回热器202、主冷端换热器203、声学容腔204、声功反馈管205、声压输出口 206、次冷端换热器207和热缓冲管208，优选地，热端换热器201、回热器202、主冷端换热器203、声学容腔204、声功反馈管205、声压输出口206、次冷端换热器207和热缓冲管208形成闭合环形回路。其中，回热器202两端分别是热端换热器201和主冷端换热器203，热端换热器201与同位素热源100的热输出接口 103相连接，从同位素热源100中获取热量保持较高温度，主冷端换热器203向外界释放热量保持较低温度，从而在回热器202的两端形成较大的温度梯度，主冷端换热器203进行冷却的方式可以采用水冷或者气冷。当回热器202两端的温度梯度达到8000°C /米或以上，自激振荡压力就会在热声发动机200中产生，气体在交变压力的驱动下，在存在温差的回热器202中进行微热力学循环，实现热能向声能的转换(热致声)。该气体经过声学容腔204、声功反馈管205进行自激振荡之后从声压输出口 206输出到永磁电机300中，从而给永磁电机300中的永磁体306提供运动的驱动力。该实施例的回热器202中增加有丝网或是板叠，例如由导热性较差的金属丝网或是金属片堆叠而成，并且使得回热器202中的水力半径小于气体工质的热渗透层深度，实现了回热器202中气固之间的可逆热交换，保证了热声发动机的高效率，这也是本发明采用行波型热声发动机的原因。该热声发动机200由热转化为声功，无运动部件，运行寿命可以达到10年，热声转换效率达到20% -30%。该实施例的声学容腔204和声功反馈管205提供了声功自激振荡的环境，声学容腔204和声功反馈管205都可以由各种形状的金属管组成，两者的管径根据需要来设定，一般声学容腔204的管径大于声功反馈管205的管径,从而提供了热声发动机200中声学振荡所需要的封闭空间，并能保持高于外界的压力环境。为了保证声压输出接口 206的气体温度维持在室温，在声压输出接口 206上设有次冷端换热器207和热缓冲管208，热缓冲管208与热端换热器201相连通，热缓冲管208为一段金属管组成，次冷端换热器207也可以采用水冷和气冷的方式进行冷却。该结构利用气体工质的不良导热性实现声压输出接口206和热端换热器201之间的热隔离。本发明的永磁电机300在声波的驱动下，通过永磁体的运动，从而在线圈上产生感应电势，利用了电磁感应原理来发电。该永磁电机300可以采取现有的各种电机，该实施例的永磁电机包括线圈302、承压壳305、永磁体306和导磁定子307，在永磁体306的周围设有导磁定子307，导磁定子307中穿有线圈302，在导磁定子307的外部设有承压壳305。永磁体306由能够长期保持磁性的磁性材料制成，它的直线往复运动可以在线圈平面上产生交变的磁通量变化。导磁定子307可以由硅钢片叠放后压制成，用于形成永磁电机内部磁力线的通道。承压壳305可以由金属制成，并且密封，用于保证永磁电机内部气体与外界气体隔绝，并能耐受所充入的高压气体。图1所示实施例的永磁电机300的气缸301直接连接在声压输出口 206上，在气缸301中有与永磁体306相连接的活塞308，永磁体306通过主轴304与活塞308相连接。为了保证活塞308与气缸301良好的对中性，在永磁电机300内设有板状弹簧303，与主轴304固定连接，可以由不锈钢金属板制成，优选地，板状弹簧303的径向刚度与轴向刚度的比值为300-800。由于主轴304与板状弹簧303固定连接，使得活塞308与气缸301之间不存在侧向力，不会有直接机械摩擦，不会发生磨损失效，从而延长了使用寿命。该实施例的活塞308与气缸301之间形成较小的间隙，优选地，其间隙为5 30微米，更优地为10微米，实现了活塞前后腔体的气体隔绝，效率可以达到80%以上。当活塞308被热声发动机200产生的声压驱动时，永磁体306将随着主轴304 —起做沿着轴向的直线往复运动，在线圈302的平面上产生交变的磁通量变化，从而在线圈302两端形成感应电动势。由以上实施例可以看出，本发明实施例通过自激振荡声压驱动永磁电机中的永磁体运动，从而产生了感应电动势。由于永磁体运动的驱动力是由热声发动机自激振荡提供，热声发动机没有运动部件，因此具有高度的可靠性。该热声系统为行波型热声系统，使得热声转换效率高。永磁电机的运动部件处于常温环境下，活塞与气缸之间有微小间隙，因此不存在高温、磨损造成的失效，运行寿命长。而且用同位素作为热源可以提高热源的使用寿命，可以实现在无人值守的情况下，热能的长期稳定供给。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种热声发电机，其特征在于，包括同位素热源、回热器、主冷端换热器、声学容腔、声功反馈管和永磁电机，所述永磁电机包括永磁体和围绕在永磁体外部的线圈，所述回热器、主冷端换热器、声学容腔和声功反馈管依次连通，所述同位素热源和主冷端换热器使回热器的两端形成温度梯度，在回热器中形成热能到声能转换的热声自激振荡，从而产生自激振荡声压，所述自激振荡声压驱动永磁电机中的永磁体做往复运动，从而在线圈中形成感应电势。
2.根据权利要求1所述的热声发电机，其特征在于，所述声功反馈管的出口端设有声压输出口，所述声压输出口和永磁电机之间设有带有活塞的气缸，所述永磁电机中的永磁体与气缸中的活塞相连接，所述声压输出口输出的声压驱动活塞运动，从而带动永磁体运动。
3.如权利要求2所述的热声发电机，其特征在于，所述活塞和气缸之间的间隙为5-30微米。
4.如权利要求1-3任何一项所述的热声发电机，其特征在于，所述同位素热源提供的热量经过热端换热器传递到回热器热端，所述声压输出口上连通有次冷端换热器，所述次冷端换热器通过热缓冲管与热端换热器相连通，所述热端换热器、回热器、主冷端换热器、声学容腔、声功反馈管、声压输出口、次冷端换热器和热缓冲管形成闭合环形回路。
5.如权利要求1-3任何一项所述的热声发电机，其特征在于，所述主冷端换热器为气冷或水冷换热器。
6.如权利要求2或者3所述的热声发电机，其特征在于，所述永磁体通过主轴与活塞相连接，所述主轴与永磁电机中的板状弹簧固定连接，通过该板状弹簧来支撑主轴。
7.如权利要求1-3任何一项所述的热声发电机，其特征在于，所述同位素热源为钚-238或者钋-210。
8.如权利要求1-3任何一项所述的热声发电机，其特征在于，所述同位素热源上设有热控制装置，用于控制同位素热源所产生的温度。
9.如权利要求1-3任何一项所述的热声发电机,其特征在于,所述永磁电机的外壳为封闭壳体。
10.如权利要求1-3任何一项所述的热声发电机，其特征在于，所述回热器中设有丝网或者板叠。
全文摘要
一种热声发电机，所述热声发电机包括同位素热源、回热器、主冷端换热器、声学容腔、声功反馈管和永磁电机，所述永磁电机包括永磁体和围绕在永磁体外部的线圈，所述回热器、主冷端换热器、声学容腔和声功反馈管依次连通，所述同位素热源和主冷端换热器使回热器的两端形成温度梯度，在回热器中形成热能到声能转换的热声自激振荡，从而产生自激振荡声压，所述自激振荡声压驱动永磁电机中的永磁体做往复运动，从而在线圈中形成感应电势。本发明通过将热声热机自激振荡产生的声压用于提供永磁体运动的驱动力从而产生感应电势，由于永磁体运动的驱动力是由热声发动机自激振荡提供，热声发动机没有运动部件，因此具有高度的可靠性。
文档编号F03G7/00GK103147947SQ20111040158
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者李青, 李正宇, 胡忠军, 周刚, 谢秀娟 申请人:中国科学院理化技术研究所