專利名稱：具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機，旁通結(jié)構(gòu)可改善熱聲發(fā)動機的性能。
背景技術(shù)：
熱聲發(fā)動機是利用熱聲效應(yīng)，實現(xiàn)熱能到聲能轉(zhuǎn)化并實現(xiàn)聲功輸出的聲波發(fā)生器。根據(jù)聲場特性不同，熱聲發(fā)動機主要分為駐波型、行波型及駐波行波混合型三種型式。由于駐波聲場中速度波和壓力波相位差為90°，駐波場中理論上沒有功的傳輸；另一方面，在駐波熱聲發(fā)動機板疊中氣體同固體間換熱較差，氣體進行的是不可逆熱力學(xué)循環(huán)，所以熱聲發(fā)動機效率低。行波型熱聲發(fā)動機利用的是行波聲場，聲場中速度波動和壓力波動相位相同，并且發(fā)動機回?zé)崞髦袣怏w通道的水力半徑遠小于氣體熱滲透深度，氣體在回?zé)崞髦羞M行的是等溫?zé)醾鬟f，因此行波熱聲發(fā)動機在理論上可以達到比駐波熱聲發(fā)動機更高的熱力學(xué)效率。但是利用純行波聲場也很難實現(xiàn)較高的熱聲轉(zhuǎn)化效率，主要原因有1)回?zé)崞髦泄腆w介質(zhì)同氣體介質(zhì)之間相互熱傳遞時總會不可避免地存在熱滯后；2)行波聲場具有低聲阻抗特性，這會導(dǎo)致大的粘性損失，特別是在回?zé)崞魈帲?)存在各種形式的環(huán)路直流。在環(huán)路的適當(dāng)位置引入駐波直路，構(gòu)成混合型行波熱聲發(fā)動機，一方面可以利用回?zé)崞髦泄腆w介質(zhì)同氣體介質(zhì)之間相互熱傳遞時存在的熱滯后實現(xiàn)駐波熱聲轉(zhuǎn)換，另一方面可以提高行波聲場特別是回?zé)崞魈幍穆曌杩箯亩鴾p少粘性損耗。美國Los Alamos國家實驗室制作了一臺行波型熱聲發(fā)動機，通過在行波環(huán)路引出一駐波直路，成功地在聲場中引入了駐波成分，并在實驗中取得42％的相對卡諾效率和30％的熱力學(xué)效率。如圖1所示，混合型行波熱聲發(fā)動機通常具有如下組成部分一、行波環(huán)路1.主冷卻器，主冷卻器位于回?zé)崞?的上方，其作用是在回?zé)崞魇覝囟藥ё邿崃?、冷卻氣體工質(zhì)，以建立熱聲回?zé)崞魃系臏囟忍荻龋?.熱聲回?zé)崞?，位于主冷卻器1下方，熱聲回?zé)崞魇钱a(chǎn)生并強化熱聲效應(yīng)的關(guān)鍵構(gòu)件，此處發(fā)生的熱聲效應(yīng)使聲功產(chǎn)生或增強；3.加熱器，加熱器的作用是在回?zé)崞飨鄬鋮s器的另一端提供一個高溫?zé)嵩矗c冷卻器處的環(huán)境溫度一起在回?zé)崞魃闲纬梢粋€溫度梯度。這個溫度梯度是熱聲發(fā)動機工作的動力；4.熱緩沖管，熱緩沖管位于加熱器3與副冷卻器5之間，作用是實現(xiàn)加熱器與副冷卻器的熱隔離，以減少熱端換熱器向副冷卻器的漏熱，同時使得聲功從發(fā)動機高溫區(qū)域向外傳遞。為了減少軸向?qū)幔瑹峋彌_管在滿足強度要求的情況下管壁應(yīng)盡可能?。?.副冷卻器及導(dǎo)流器，副冷卻器的作用是降低傳輸聲功的氣體溫度，以利于聲功引出并為熱聲制冷機提供動力。當(dāng)環(huán)路中的直流流動(Gedeon流，即經(jīng)過回?zé)崞?、熱緩沖管、反饋管路等沿環(huán)路的時均質(zhì)量流)和熱緩沖管中的直流流動均被完全抑制時，副冷卻器的負(fù)荷僅僅是沿?zé)峋彌_管管壁的漏熱和來自熱端換熱器的熱輻射，所以副冷卻器可以采用直徑較大、長度較短(即換熱面積較小)的不銹鋼管；導(dǎo)流器位于熱緩沖管下方，作用是使進入熱緩沖管底部和熱緩沖管內(nèi)的氣流均勻分布，防止由于副冷卻器的形狀或與諧振管的連接點處氣流的分離而形成的射流。射流會導(dǎo)致熱緩沖管內(nèi)氣體的直流流動，造成加熱器大量熱量的浪費。
6.反饋管路，反饋管路的作用是為行波成分提供通路，同時起到一個聲感部件的作用，使冷卻器處產(chǎn)生行波相位；7.聲容管路，聲容橫跨環(huán)路左右支路，是一個容積較大的腔體。它本質(zhì)上是一個聲容部件，同反饋直路一起在冷卻器端實現(xiàn)行波相位；8.噴射泵，噴身泵位于聲容7和主冷卻器1之間，其作用是利用流道不對稱效應(yīng)在兩端產(chǎn)生一個壓力差，形成一個逆著環(huán)路二階質(zhì)量流的流動并盡可能與之抵消，從而抑制環(huán)路Gedeon直流。
二、駐波諧振直路9.諧振直路，諧振直路的作用是在行波環(huán)路上耦合一個駐波管路，把駐波成分引入系統(tǒng)中，使該系統(tǒng)兼有駐波和行波熱聲發(fā)動機的優(yōu)點，從而提高了熱聲發(fā)動機的熱力學(xué)效率；另一方面，諧振直路從環(huán)路引出大部分聲功并在直路上形成駐波相位，由于駐波系統(tǒng)可以實現(xiàn)較大的聲阻抗，所以諧振直路提供了連接負(fù)載的最佳位置；10.消聲部分。
混合型熱聲發(fā)動機中由于存在著行波環(huán)路，因此要考慮直流抑制問題。采用美國Los Alamos國家實驗室的Swift等人提倡的噴射泵結(jié)構(gòu)，雖然可以取得較好的抑制效果，但是聲功損失比較大。而且反饋回路中的聲功全部回到回?zé)崞鲿r，在回?zé)崞髦袚p失太大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機。
一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機包括依次連接的反饋管路、聲容管路、噴射泵、主冷卻器、熱聲回?zé)崞?、加熱器、熱緩沖管、副冷卻器、諧振直路、消聲部分，在反饋管路與熱聲回?zé)崞髦g設(shè)旁通結(jié)構(gòu)。
另一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機包括依次連接的反饋管路、聲容管路、噴射泵、主冷卻器、熱聲回?zé)崞?、加熱器、熱緩沖管、副冷卻器、諧振直路、消聲部分，在聲容管路與諧振直路的入口連接有第二反饋管路。
本發(fā)明為了減少行波環(huán)路中的聲功損失，并有效抑制環(huán)路中的直流，提出在混合型行波熱聲發(fā)動機上使用旁通結(jié)構(gòu)。
一種旁通結(jié)構(gòu)是從回?zé)崞鞯椒答伖苌线B接一條或多條旁通管，管上可安裝閥門，用來調(diào)節(jié)旁通聲功的大小。這樣一部分反饋聲功就不用通過噴射泵和整個回?zé)崞?，因而理論上可以大大減少聲功在回?zé)崞骱蛧娚浔弥械牟豢赡鎿p耗，從而提高熱聲發(fā)動機的效率。
另一種旁通結(jié)構(gòu)是在行波環(huán)路中采用雙反饋回路。在回?zé)崞魉谥返膬蓚?cè)各設(shè)一個反饋回路，采用雙反饋結(jié)構(gòu)。諧振直管可以跟行波環(huán)路在同一個平面內(nèi)，也可以垂直于行波環(huán)路所在的平面。如果采用對稱的雙回路結(jié)構(gòu)，兩個反饋回路中的聲流大小相等、方向相反，可有效抑制直流的產(chǎn)生，因此系統(tǒng)中可免去消耗聲功的噴射泵結(jié)構(gòu)，減少了系統(tǒng)的不可逆損失。而且采用對稱結(jié)構(gòu)，有利于增強行波環(huán)路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。
有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機只是旁通結(jié)構(gòu)的兩種典型情況，旁通結(jié)構(gòu)還可采用其它的多種形式。例如在環(huán)路中任意兩個支路之間同時接上幾根管路，等等，都屬于具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機的范疇。在混合型行波熱聲發(fā)動機上采用旁通結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點是對混合型行波熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，可有效抑制行波環(huán)路上的直流，并減少回?zé)崞骱蛧娚浔弥械牟豢赡鎿p失，從而改善熱聲發(fā)動機的性能。


圖1是混合型行波熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是在回?zé)崞骱头答伖苤g使用旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是采用對稱反饋結(jié)構(gòu)的混合型熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機包括依次連接的反饋管路6、聲容管路7、噴射泵8、主冷卻器1、熱聲回?zé)崞?、加熱器3、熱緩沖管4、副冷卻器5、諧振直路9、消聲部分10，在反饋管路6與熱聲回?zé)崞?之間設(shè)旁通結(jié)構(gòu)。旁通結(jié)構(gòu)為旁通管，在旁通管上設(shè)有調(diào)節(jié)聲功流量大小的閥門。
如圖3所示，另一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機包括依次連接的反饋管路6、聲容管路7、噴射泵8、主冷卻器1、熱聲回?zé)崞?、加熱器3、熱緩沖管4、副冷卻器5、諧振直路9、消聲部分10，在聲容管路7與諧振直路9的入口連接有第二反饋管路。在行波環(huán)路結(jié)構(gòu)熱聲發(fā)生器的聲容管路7與諧振直路9入口之間的反饋管路6或第二反饋管路或反饋管路6和第二反饋管路與熱聲回?zé)崞?之間設(shè)旁通結(jié)構(gòu)。旁通結(jié)構(gòu)為旁通管，在旁通管上設(shè)有調(diào)節(jié)聲功流量大小的閥門。
熱聲發(fā)動機對環(huán)路和諧振直路的組成部件進行組裝，分別完成環(huán)路和諧振直路的組裝后把環(huán)路與諧振直路通過法蘭連接在一起，就實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的裝配。完成系統(tǒng)的裝配后，在系統(tǒng)內(nèi)充入一定壓力的工作氣體，把主、副冷卻器的進水和出水管道接好并通水，加熱器開始加熱，那么系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，即可在系統(tǒng)的適當(dāng)部位得到聲功輸出。
權(quán)利要求
1.一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機，其特征在于它包括依次連接的反饋管路(6)、聲容管路(7)、噴射泵(8)、主冷卻器(1)、熱聲回?zé)崞?2)、加熱器(3)、熱緩沖管(4)、副冷卻器(5)組成的行波環(huán)路結(jié)構(gòu)熱聲發(fā)生器及諧振直路(9)、消聲部分(10)，其特征在于在行波環(huán)路結(jié)構(gòu)熱聲發(fā)生器的反饋管路(6)與熱聲回?zé)崞?2)之間設(shè)旁通結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機，其特征在于所說的旁通結(jié)構(gòu)為旁通管，在旁通管上設(shè)有調(diào)節(jié)聲功流量大小的閥門。
3.一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機，其特征在于它包括依次連接的反饋管路(6)、聲容管路(7)、噴射泵(8)、主冷卻器(1)、熱聲回?zé)崞?2)、加熱器(3)、熱緩沖管(4)、副冷卻器(5)組成的行波環(huán)路結(jié)構(gòu)熱聲發(fā)生器及諧振直路(9)、消聲部分(10)，其特征在于在行波環(huán)路結(jié)構(gòu)熱聲發(fā)生器的聲容管路(7)與諧振直路(9)的入口連接有第二反饋管路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機，其特征在于在所說的在行波環(huán)路結(jié)構(gòu)熱聲發(fā)生器的聲容管路(7)與諧振直路(9)入口之間的反饋管路(6)或第二反饋管路或反饋管路(6)和第二反饋管路與熱聲回?zé)崞?2)之間設(shè)旁通結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機，其特征在于在所說的所說的旁通結(jié)構(gòu)為旁通管，在旁通管上設(shè)有調(diào)節(jié)聲功流量大小的閥門。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機。它具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機包括依次連接的反饋管路、聲容管路、噴射泵、主冷卻器、熱聲回?zé)崞鳌⒓訜崞?、熱緩沖管、副冷卻器、諧振直路、消聲部分，在反饋管路與熱聲回?zé)崞髦g設(shè)旁通結(jié)構(gòu)。本發(fā)明為了減少行波環(huán)路中的聲功損失，并有效抑制環(huán)路中的直流，提出在混合型行波熱聲發(fā)動機上使用旁通結(jié)構(gòu)。這是對混合型行波熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，可有效抑制行波環(huán)路上的直流，并減少回?zé)崞骱蛧娚浔弥械牟豢赡鎿p失，從而改善熱聲發(fā)動機的性能。
文檔編號F03G7/00GK1560470SQ20041001668
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者邱利民, 孫大明, 嚴(yán)偉林, 陳萍, 甘智華, 陳國邦 申請人:浙江大學(xué)