多諧振管熱聲發動機的製作方法
2023-05-01 04:20:21
專利名稱：多諧振管熱聲發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及發動機，尤其涉及一種多諧振管熱聲發動機。
背景技術：
現代工業生產、空間技術以及軍事工程等都對低溫制冷機的可靠性和壽命提出了越來越高的要求。已廣泛應用的分置式斯特林制冷機和G-M制冷機不能完全滿足這些要求，其關鍵原因在於這些機械制冷機中至少存在著兩個運動部件壓縮機和排出器，它們成為影響制冷機長期可靠運轉的主要障礙。20世紀六、七十年代出現的脈管制冷機，由於沒有低溫端的機械運動部件，從而提高了可靠性和壽命。經過最近十多年的理論和實驗研究，目前脈管制冷機已經逐漸進入了實用化階段。
然而，脈管制冷機僅僅消除了低溫端的運動部件，它仍需要機械壓縮機在室溫端進行驅動。如何在驅動源層面上徹底消除機械運動部件，進而構造出完全無機械運動部件的低溫製冷系統，是徹底解決低溫制冷機可靠性問題的關鍵所在。熱聲發動機的出現，提供了一種極為有效的解決途徑。當然，熱聲發動機作為一種輸出機械功的熱機，其應用不只是作為脈管制冷機的驅動源，還可以應用在其它動力系統中，例如，可以直接連接聲電換能器或其它多種聲學負載。
根據聲場特性不同，熱聲發動機主要分為駐波型、行波型兩種型式。行波聲場中速度波和壓力波動相位相同，而在駐波聲場中二者相差90°。駐波聲場中速度波和壓力波相差90°，理論上不能產生聲功，它是以降低熱力學效率為代價來產生聲功的；駐波型發動機板疊的間距一般應大於氣體的熱滲透深度，以實現只有部分氣體與板疊產生有限的熱接觸。行波熱聲發動機的回熱器由尺寸足夠小的填料構成，其間隙尺寸遠小於氣體熱滲透深度，以保證填料任何一部分中的氣體溫度基本上與該處的填料溫度相同，實現固體與氣體間的理想熱接觸。
由於駐波型熱聲發動機的運行是基於內部不可逆的熱力學循環，其氣體和板疊之間的不可逆換熱導致的熵增限制了駐波型熱聲發動機的效率，其熱力學效率往往不可能很高，一般都在15％以下。而行波熱聲發動機類似與Stirling熱力學循環，其過程本身是可逆的，因此行波熱聲發動機的效率在理論上高於其過程不可逆的駐波型熱聲發動機。正因為如此，利用行波聲場的熱聲機械越來越受到人們的關注。
壓比是評價熱聲發動機的重要參數之一，其定義為波動壓力的最大值與最小值之比，它決定了熱聲發動機輸出聲功的品位。理論和實驗均表明，熱聲發動機壓比越大則越有利於驅動脈管制冷機或其它熱聲制冷機獲得更低的製冷溫度和更大的製冷量。通常高頻脈管制冷機為了獲得70K以下的低溫需要1.20以上的壓比。目前，國際上在研行波熱聲發動機的壓比在1.2左右，最高壓比可達1.31。諧振管結構的不合理是限制熱聲發動機壓比的因素。諧振管的作用一方面是將回熱器(或熱聲板疊)中產生的自激振動在其中發生諧振，以使振動得到加強；另一方面是在回熱器或板疊處形成高阻抗，以減小回熱器處的損耗；此外，諧振管是熱聲發動機內聲場的主體，對工作頻率的大小起著決定作用。雖然熱聲發動機中的諧振管是一根結構簡單的管路，但是，隨著聲壓強度提高，其聲波傳輸機制十分複雜，是一個伴隨著粘熱耗散的非線性傳播過程。最新研究表明，諧振管的結構尺寸決定了其品質因數，並影響著發動機內非線性效應的強弱，如果能對諧振管結構進行優化，使其品質因數達到最大，則可以實現最高的發動機性能。
匹配對熱聲發動機驅動脈管制冷機等負載來說是非常重要的。這是由於熱聲發動機與脈管制冷機工作頻率的巨大差異造成的。脈管制冷機通常的工作頻率相對較低，而熱聲振蕩頻率卻相對較高，一般為幾十到幾百赫茲範圍。這樣當把兩者聯接起來時，就必須考慮它們之間的匹配問題。基於兩者的頻率特性，匹配的目標應該是儘量使它們的最佳工作頻率相對接近。對於熱聲驅動器來說，其工作頻率要儘可能降低，以便與脈管制冷機匹配工作。而目前對熱聲發動機工作頻率進行調節的常用手段是改變工質類型、改變諧振管長度和直徑等，但這些手段在實踐中受到不同程度的制約。此外，有研究表明，如果一味通過延長諧振管的方式降低發動機頻率，則會引起發動機工作頻率的跳變，使其頻率變得更高和不穩定。
綜上所述，諧振管在熱聲發動機中起著至關重要的作用，但是諧振管的優化設計又受到諸多方面的限制。首先，在某一工況下只存在一個最佳的諧振管結構尺寸，當發動機的工作狀態改變時，諧振管就不能發揮應有的作用；其次，目前熱聲發動機的機構尺寸較大，嚴重製約了其實用化進程，而熱聲發動機的主體部分就是諧振管；再次，基於目前對聲波傳輸特性的認識，線性熱聲理論是唯一有效的設計工具，非線性熱聲理論還剛剛起步，而諧振管具有較強的非線性效應，因此還不能單純根據現有理論對諧振管實現最優化設計。
發明內容
本發明的目的是提供一種多諧振管熱聲發動機。不僅有利於改善回熱器附近聲場分布，減少熱聲回熱器粘性流動損失；而且還可以對熱聲發動機的工作頻率進行調節。
多諧振管熱聲發動機是在熱聲發動機上同時設置2個或2個以上的諧振管。
所述的熱聲發動機是行波熱聲發動機、駐波熱聲發動機或行波駐波混合型熱聲發動機。所述的諧振管為等直徑管、變直徑管或二者的組合。
本發明優化熱聲發動機內的聲場分布，減少熱聲回熱器粘性流動損失，抑制管道內的非線性效應，提高發動機的自適應能力，達到提高熱功轉換效率的目的；此外，本發明通過耦合不同的諧振管結構，可以很方便地調節熱聲發動機的工作頻率，優化熱聲發動機與其驅動的脈管制冷機等負載的頻率匹配。
圖1雙諧振管行波熱聲發動機結構示意圖；圖2雙諧振管駐波熱聲發動機結構示意圖；圖3三諧振管串級型熱聲發動機結構示意圖；圖4雙諧振管同軸型熱聲發動機結構示意圖；圖5諧振管結構尺寸對末端壓力振幅的影響示意圖；圖6諧振管結構尺寸對輸入聲功的影響示意圖；圖7諧振管結構尺寸對入口體積流率的影響示意圖。
具體實施例方式
熱聲發動機的諧振管通常是一具有特定內徑的直管，為了實現1/4波長聲場條件，在直管末端常設置氣庫。單諧振管行波熱聲發動機具有行波環路和一個諧振直路，諧振管末端設置一氣庫。該發動機具有依次連接的主冷卻器、回熱器、加熱器、熱緩衝管、反饋迴路、聲容、直流抑制部件，諧振管從三通處引出。單諧振管駐波熱聲發動機具有依次連接的高溫腔、熱端換熱器、熱聲板疊、冷端換熱器，諧振管通過管徑過渡管與冷端換熱器連接，諧振管的末端也設置一氣庫，諧振管的部分或全部可為錐形管。
本發明針對一種多諧振管行波熱聲發動機給出詳細的技術說明和具體實施過程，而對其它型式熱聲發動機上的多諧振管結構僅給出示意圖進行說明，它們的工作原理類似，不再贅述。另外，本發明提出的多諧振管調節法不僅僅局限於一臺發動機同時設置兩或三個諧振管的情況，理論上一臺發動機可以同時設置三個以上的諧振管，從而更好地優化回熱器聲場分布，減少回熱器粘性流動損失和調節熱聲發動機的工作頻率。在這裡，僅以發動機設置兩個或三個諧振管為例進行說明。儘管沒有在結構示意圖上標出，但需要指出的是，為方便對每個諧振管進行單獨調節和測試，在諧振管的入口處可以設置閥門。
如圖1所示，雙諧振管行波熱聲發動機中的熱聲環路主要由直流抑制部件1、主冷卻器2、熱聲回熱器3、加熱器4、熱緩衝管5、副冷卻器和導流器6、反饋迴路7、聲容8、順序連接組成。在熱聲環路上同時設有第一諧振管9和第二諧振管10，所述熱聲環路是熱聲能量轉換的場所，第一諧振管9和第二諧振管10分別連接在熱聲環路的三通處。一方面通過改變第一諧振管9和第二諧振管10容腔的體積可以改變諧振管支路的阻抗大小，從而改變流經聲容的體積流的大小與相位，調整回熱器附近的壓力-體積流相位使之接近行波相位，優化回熱器的聲場分布。第一諧振管9和第二諧振管10共同作用，使回熱器內達到壓力和速度同相位，實現高效熱功轉換過程。此外，可同時從第一諧振管9和第二諧振管10兩處調節諧振管長度和直徑來達到調節熱聲發動機的工作頻率的目的，優化熱聲發動機與其驅動的脈管制冷機等負載頻率的匹配。
如圖2所示，雙諧振管駐波熱聲發動機主要由第一諧振管9、第二諧振管10、熱端換熱器11、熱聲板疊12、冷端換熱器13、高溫腔14組成。在駐波熱聲發動機上同時設置第一諧振管9和第二諧振管10，對熱聲板疊所處聲場進行優化，並調節駐波熱聲發動機的工作頻率。
如圖3所示，三諧振管串級型熱聲發動機在直線型拓撲結構上實現了駐波和行波聲場的結合，本質是行波駐波混合型熱聲發動機。該串級型熱聲發動機主要由主冷卻器2、熱聲回熱器3、加熱器4、第一諧振管9、熱端換熱器11、熱聲板疊12、冷端換熱器13、高溫腔14組成，該型式使該型熱聲發動機的結構得到簡化，也是一種有前途的熱聲機械。如圖所示，在串級型熱聲發動機同時設置第一諧振管9、第二諧振管10和第三諧振管15，實現聲場優化，並調節串級型熱聲發動機的工作頻率。
如圖4所示，雙諧振管同軸型熱聲發動機主要由主冷卻器2、熱聲回熱器3、加熱器4、副冷卻器和導流器6、第一諧振管9組成，同軸型熱聲發動機本質上是一臺行波駐波混合型熱聲發動機，在同軸型熱聲發動機2個位置上同時設置第一諧振管9和第二諧振管10，兩個諧振管可具有不同的結構尺寸。
為從機理上對多諧振管熱聲發動機做出解釋，我們以諧振管為研究對象，建立數學物理模型，通過求解得到諧振管的聲學傳輸特性。為計算方便把諧振管簡化成一等直徑的細長直管和與之相接的一個腔體，事實上長直管可以是其它各種非等直徑的管道，如錐管、不同直徑管道的組合，腔體也可以是圓柱體、球體等。我們把長直管稱為諧振管，腔體稱為氣庫。在計算中採用高純氮氣為工質，保持工作壓力為2.27MPa，工作頻率25.3Hz，設定輸入壓力振幅為5.0×104Pa。諧振管的直徑為29mm。通過改變末端氣庫的容積和諧振管的長度對諧振管的傳輸特性進行研究。
圖5是不同諧振管長度和氣庫容積下，末端壓力振幅的變化情況。可以看到，在一定工作條件下，諧振管對壓力振幅具有明顯的放大作用，最大的壓力振幅達到5.0×105Pa，振幅放大係數達到10。在特定末端氣庫容積下，末端壓力振幅隨諧振管長度的變化而變化，每一個氣庫容積下都有一個末端壓力振幅的峰值。
圖6是不同諧振管結構尺寸下，輸入聲功的變化情況。圖中可見，諧振管的聲功傳輸能力隨其結構尺寸在大範圍內變化，在特定的氣庫容積和諧振管長度下其聲功傳輸能力可以達到千瓦級，具有很強的聲功傳輸能力。如果再增加諧振管直徑，傳輸能力還會進一步增強。氣庫容積越大，輸入聲功的峰值也就越大。
圖7是不同諧振管結構尺寸下，諧振管入口體積流率的變化情況。圖中可見，通過調節諧振管的長度可以使其入口體積流率達到4.5×10-2m3/s以上。通常，單諧振管行波熱聲發動機在諧振管直徑為100mm時，入口體積流率在1.0×10-2～1.0×10-1m3/s之間，4.5×10-2m3/s是一個與單諧振管熱聲發動機諧振管入口流率相當的一個值。通過增大諧振管的直徑和末端氣庫容積，諧振管入口體積流率的提升空間還很大，可以超過1.0×10-1m3/s。
綜上所述，諧振管是具有顯著聲傳輸特性的聲學部件，在特定的結構尺寸下，它具有一定的壓力振幅放大能力、聲功傳輸能力和入口體積流率的承載能力，說明諧振管這種結構可以很好地對聲波進行傳輸。更重要的是，把這種結構耦合進熱聲發動機系統必將對系統內的內聲場產生較大影響，通過優化諧振管的結構尺寸可以使熱聲發動機內實現合理的聲場分布或聲阻抗分布，這正是本發明的理論依據。
權利要求
1.一種多諧振管熱聲發動機，其特徵在於在熱聲發動機上同時設置2個或2個以上的諧振管。
2.根據權利要求1所述的一種多諧振管熱聲發動機，其特徵在於所述的熱聲發動機是行波熱聲發動機、駐波熱聲發動機或行波駐波混合型熱聲發動機。
3.根據權利要求1所述的一種多諧振管熱聲發動機，其特徵在於所述的諧振管為等直徑管、變直徑管或二者的組合。
全文摘要
本發明公開了一種多諧振管熱聲發動機。它是在熱聲發動機上同時設置2個或2個以上的諧振管。所述的熱聲發動機是行波熱聲發動機、駐波熱聲發動機或行波駐波混合型熱聲發動機。所述的諧振管為等直徑管、變直徑管或二者的組合。本發明優化一熱聲發動機內的聲場分布，減少熱聲回熱器粘性流動損失，抑制管道內的非線性效應，提高發動機的自適應能力，達到提高熱功轉換效率的目的；此外，本發明通過耦合不同的諧振管結構，可以很方便地調節熱聲發動機的工作頻率，優化熱聲發動機與其驅動的脈管制冷機等負載的頻率匹配。
文檔編號F03G7/00GK101054960SQ20071006864
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月15日 優先權日2007年5月15日
發明者孫大明, 邱利民, 肖勇, 王波 申請人:浙江大學