專利名稱：具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，旁通結(jié)構(gòu)可改善熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
背景技術(shù)：
熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是利用熱聲效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)熱能到聲能轉(zhuǎn)化并實(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)板疊中氣體同固體間換熱較差，氣體進(jìn)行的是不可逆熱力學(xué)循環(huán)，所以熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)效率低。行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)利用的是行波聲場，聲場中速度波動(dòng)和壓力波動(dòng)相位相同，并且發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞髦袣怏w通道的水力半徑遠(yuǎn)小于氣體熱滲透深度，氣體在回?zé)崞髦羞M(jìn)行的是等溫?zé)醾鬟f，因此行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在理論上可以達(dá)到比駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)更高的熱力學(xué)效率。但是利用純行波聲場也很難實(shí)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(shí)總會(huì)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(huì)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(dòng)機(jī)，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(shí)存在的熱滯后實(shí)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(shí)驗(yàn)室制作了一臺行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)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)崞鳎挥谥骼鋮s器1下方，熱聲回?zé)崞魇钱a(chǎn)生并強(qiáng)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(qiáng)；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(gè)高溫?zé)嵩?，與冷卻器處的環(huán)境溫度一起在回?zé)崞魃闲纬梢粋€(gè)溫度梯度。這個(gè)溫度梯度是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作的動(dòng)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(shí)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(shí)使得聲功從發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)域向外傳遞。為了減少軸向?qū)?，熱緩沖管在滿足強(qiáng)度要求的情況下管壁應(yīng)盡可能薄；5.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(jī)提供動(dòng)力。當(dāng)環(huán)路中的直流流動(dòng)(Gedeon流，即經(jīng)過回?zé)崞?、熱緩沖管、反饋管路等沿環(huán)路的時(shí)均質(zhì)量流)和熱緩沖管中的直流流動(dòng)均被完全抑制時(shí)，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(jìn)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(diǎn)處氣流的分離而形成的射流。射流會(huì)導(dǎo)致熱緩沖管內(nèi)氣體的直流流動(dòng)，造成加熱器大量熱量的浪費(fèi)。
6.反饋管路，反饋管路的作用是為行波成分提供通路，同時(shí)起到一個(gè)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(gè)容積較大的腔體。它本質(zhì)上是一個(gè)聲容部件，同反饋直路一起在冷卻器端實(shí)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(gè)壓力差，形成一個(gè)逆著環(huán)路二階質(zhì)量流的流動(dòng)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(gè)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(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，從而提高了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)，在回?zé)崞髦袚p失太大。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型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(dòng)機(jī)。
它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)。
本實(shí)用新型為了減少行波環(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(dòng)機(jī)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(gè)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(dòng)機(jī)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(gè)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(gè)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(gè)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(qiáng)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(dòng)機(jī)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(gè)支路之間同時(shí)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(dòng)機(jī)的范疇。在混合型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)上采用旁通結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)是對混合型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的性能。


圖1是混合型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)對環(huán)路和諧振直路的組成部件進(jìn)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(shí)現(xiàn)了整個(gè)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(jìn)水和出水管道接好并通水，加熱器開始加熱，那么系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)，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。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于在所說的第二反饋管路與熱聲回?zé)崞?2)之間設(shè)旁通結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或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(dòng)機(jī)，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。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。它具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)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)。本實(shí)用新型為了減少行波環(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(dòng)機(jī)上使用旁通結(jié)構(gòu)。這是對混合型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的性能。
文檔編號F03G7/00GK2711404SQ200420020569
公開日2005年7月20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)