專利名稱：具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機，旁通結構可改善熱聲發動機的性能。
背景技術：
熱聲發動機是利用熱聲效應，實現熱能到聲能轉化并實現聲功輸出的聲波發生器。根據聲場特性不同，熱聲發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循環，所以熱聲發動機效率低。行波型熱聲發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，并且發動機回熱器中氣體通道的水力半徑遠小于氣體熱滲透深度，氣體在回熱器中進行的是等溫熱傳遞，因此行波熱聲發動機在理論上可以達到比駐波熱聲發動機更高的熱力學效率。但是利用純行波聲場也很難實現較高的熱聲轉化效率，主要原因有1)回熱器中固體介質同氣體介質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，這會導致大的粘性損失，特別是在回熱器處；3)存在各種形式的環路直流。在環路的適當位置引入駐波直路，構成混合型行波熱聲發動機，一方面可以利用回熱器中固體介質同氣體介質之間相互熱傳遞時存在的熱滯后實現駐波熱聲轉換，另一方面可以提高行波聲場特別是回熱器處的聲阻抗從而減少粘性損耗。美國Los Alamos國家實驗室制作了一臺行波型熱聲發動機，通過在行波環路引出一駐波直路，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％的熱力學效率。如圖1所示，混合型行波熱聲發動機通常具有如下組成部分一、行波環路1.主冷卻器，主冷卻器位于回熱器2的上方，其作用是在回熱器室溫端帶走熱量、冷卻氣體工質，以建立熱聲回熱器上的溫度梯度；2.熱聲回熱器，位于主冷卻器1下方，熱聲回熱器是產生并強化熱聲效應的關鍵構件，此處發生的熱聲效應使聲功產生或增強；3.加熱器，加熱器的作用是在回熱器相對冷卻器的另一端提供一個高溫熱源，與冷卻器處的環境溫度一起在回熱器上形成一個溫度梯度。這個溫度梯度是熱聲發動機工作的動力；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，同時使得聲功從發動機高溫區域向外傳遞。為了減少軸向導熱，熱緩沖管在滿足強度要求的情況下管壁應盡可能薄；5.副冷卻器及導流器，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。當環路中的直流流動(Gedeon流，即經過回熱器、熱緩沖管、反饋管路等沿環路的時均質量流)和熱緩沖管中的直流流動均被完全抑制時，副冷卻器的負荷僅僅是沿熱緩沖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。射流會導致熱緩沖管內氣體的直流流動，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，使冷卻器處產生行波相位；7.聲容管路，聲容橫跨環路左右支路，是一個容積較大的腔體。它本質上是一個聲容部件，同反饋直路一起在冷卻器端實現行波相位；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在兩端產生一個壓力差，形成一個逆著環路二階質量流的流動并盡可能與之抵消，從而抑制環路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路上耦合一個駐波管路，把駐波成分引入系統中，使該系統兼有駐波和行波熱聲發動機的優點，從而提高了熱聲發動機的熱力學效率；另一方面，諧振直路從環路引出大部分聲功并在直路上形成駐波相位，由于駐波系統可以實現較大的聲阻抗，所以諧振直路提供了連接負載的最佳位置；10.消聲部分。
混合型熱聲發動機中由于存在著行波環路，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構，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熱器時，在回熱器中損失太大。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機。
它包括依次連接的反饋管路、聲容管路、噴射泵、主冷卻器、熱聲回熱器、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熱器之間設旁通結構。
本實用新型為了減少行波環路中的聲功損失，并有效抑制環路中的直流，提出在混合型行波熱聲發動機上使用旁通結構。
一種旁通結構是從回熱器到反饋管上連接一條或多條旁通管，管上可安裝閥門，用來調節旁通聲功的大小。這樣一部分反饋聲功就不用通過噴射泵和整個回熱器，因而理論上可以大大減少聲功在回熱器和噴射泵中的不可逆損耗，從而提高熱聲發動機的效率。
另一種旁通結構是在行波環路中采用雙反饋回路。在回熱器所在支路的兩側各設一個反饋回路，采用雙反饋結構。諧振直管可以跟行波環路在同一個平面內，也可以垂直于行波環路所在的平面。如果采用對稱的雙回路結構，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生，因此系統中可免去消耗聲功的噴射泵結構，減少了系統的不可逆損失。而且采用對稱結構，有利于增強行波環路結構的穩固性。
有旁通結構的混合型行波熱聲發動機只是旁通結構的兩種典型情況，旁通結構還可采用其它的多種形式。例如在環路中任意兩個支路之間同時接上幾根管路，等等，都屬于具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機的范疇。在混合型行波熱聲發動機上采用旁通結構的突出優點是對混合型行波熱聲發動機結構上的創新，可有效抑制行波環路上的直流，并減少回熱器和噴射泵中的不可逆損失，從而改善熱聲發動機的性能。
圖1是混合型行波熱聲發動機結構示意圖；圖2是在回熱器和反饋管之間使用旁通結構的混合型行波熱聲發動機結構示意圖；圖3是采用對稱反饋結構的混合型熱聲發動機結構示意圖。
具體實施方式
如圖2所示，一種具有旁通結構的混合型行波熱聲發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、熱聲回熱器2、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與熱聲回熱器2之間設旁通結構。旁通結構為旁通管，在旁通管上設有調節聲功流量大小的閥門。
如圖3所示，另一種具有旁通結構的混合型行波熱聲發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、熱聲回熱器2、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。在行波環路結構熱聲發生器的聲容管路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熱器2之間設旁通結構。旁通結構為旁通管，在旁通管上設有調節聲功流量大小的閥門。
熱聲發動機對環路和諧振直路的組成部件進行組裝，分別完成環路和諧振直路的組裝后把環路與諧振直路通過法蘭連接在一起，就實現了整個系統的裝配。完成系統的裝配后，在系統內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，那么系統進入工作狀態，即可在系統的適當部位得到聲功輸出。
權利要求1.一種具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機，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)、熱聲回熱器(2)、加熱器(3)、熱緩沖管(4)、副冷卻器(5)組成的行波環路結構熱聲發生器及諧振直路(9)、消聲部分(10)，其特征在于在行波環路結構熱聲發生器的反饋管路(6)與熱聲回熱器(2)之間設旁通結構。
2.根據權利要求1所述的一種具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機，其特征在于在行波環路結構熱聲發生器的聲容管路(7)與諧振直路(9)的入口連接有第二反饋管路。
3.根據權利要求2所述的一種具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機，其特征在于在所說的第二反饋管路與熱聲回熱器(2)之間設旁通結構。
4.根據權利要求1或3所述的一種具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機，其特征在于所說的旁通結構為旁通管，在旁通管上設有調節聲功流量大小的閥門。
專利摘要本實用新型公開了一種具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機。它具有旁通結構的混合型行波熱聲發動機包括依次連接的反饋管路、聲容管路、噴射泵、主冷卻器、熱聲回熱器、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熱器之間設旁通結構。本實用新型為了減少行波環路中的聲功損失，并有效抑制環路中的直流，提出在混合型行波熱聲發動機上使用旁通結構。這是對混合型行波熱聲發動機結構上的創新，可有效抑制行波環路上的直流，并減少回熱器和噴射泵中的不可逆損失，從而改善熱聲發動機的性能。
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 優先權日2004年2月26日
發明者邱利民, 孫大明, 嚴偉林, 陳萍, 甘智華, 陳國邦 申請人:浙江大學