[发明专利]多谐振管热声发动机

说明书

技术领域

本发明涉及发动机，尤其涉及一种多谐振管热声发动机。

背景技术

现代工业生产、空间技术以及军事工程等都对低温制冷机的可靠性和寿命提出了越来越高的要求。已广泛应用的分置式斯特林制冷机和G-M制冷机不能完全满足这些要求，其关键原因在于这些机械制冷机中至少存在着两个运动部件：压缩机和排出器，它们成为影响制冷机长期可靠运转的主要障碍。20世纪六、七十年代出现的脉管制冷机，由于没有低温端的机械运动部件，从而提高了可靠性和寿命。经过最近十多年的理论和实验研究，目前脉管制冷机已经逐渐进入了实用化阶段。

然而，脉管制冷机仅仅消除了低温端的运动部件，它仍需要机械压缩机在室温端进行驱动。如何在驱动源层面上彻底消除机械运动部件，进而构造出完全无机械运动部件的低温制冷系统，是彻底解决低温制冷机可靠性问题的关键所在。热声发动机的出现，提供了一种极为有效的解决途径。当然，热声发动机作为一种输出机械功的热机，其应用不只是作为脉管制冷机的驱动源，还可以应用在其它动力系统中，例如，可以直接连接声电换能器或其它多种声学负载。

根据声场特性不同，热声发动机主要分为驻波型、行波型两种型式。行波声场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差90°。驻波声场中速度波和压力波相差90°，理论上不能产生声功，它是以降低热力学效率为代价来产生声功的；驻波型发动机板叠的间距一般应大于气体的热渗透深度，以实现只有部分气体与板叠产生有限的热接触。行波热声发动机的回热器由尺寸足够小的填料构成，其间隙尺寸远小于气体热渗透深度，以保证填料任何一部分中的气体温度基本上与该处的填料温度相同，实现固体与气体间的理想热接触。

由于驻波型热声发动机的运行是基于内部不可逆的热力学循环，其气体和板叠之间的不可逆换热导致的熵增限制了驻波型热声发动机的效率，其热力学效率往往不可能很高，一般都在15％以下。而行波热声发动机类似与Stirling热力学循环，其过程本身是可逆的，因此行波热声发动机的效率在理论上高于其过程不可逆的驻波型热声发动机。正因为如此，利用行波声场的热声机械越来越受到人们的关注。

压比是评价热声发动机的重要参数之一，其定义为波动压力的最大值与最小值之比，它决定了热声发动机输出声功的品位。理论和实验均表明，热声发动机压比越大则越有利于驱动脉管制冷机或其它热声制冷机获得更低的制冷温度和更大的制冷量。通常高频脉管制冷机为了获得70K以下的低温需要1.20以上的压比。目前，国际上在研行波热声发动机的压比在1.2左右，最高压比可达1.31。谐振管结构的不合理是限制热声发动机压比的因素。谐振管的作用一方面是将回热器(或热声板叠)中产生的自激振动在其中发生谐振，以使振动得到加强；另一方面是在回热器或板叠处形成高阻抗，以减小回热器处的损耗；此外，谐振管是热声发动机内声场的主体，对工作频率的大小起着决定作用。虽然热声发动机中的谐振管是一根结构简单的管路，但是，随着声压强度提高，其声波传输机制十分复杂，是一个伴随着粘热耗散的非线性传播过程。最新研究表明，谐振管的结构尺寸决定了其品质因数，并影响着发动机内非线性效应的强弱，如果能对谐振管结构进行优化，使其品质因数达到最大，则可以实现最高的发动机性能。

匹配对热声发动机驱动脉管制冷机等负载来说是非常重要的。这是由于热声发动机与脉管制冷机工作频率的巨大差异造成的。脉管制冷机通常的工作频率相对较低，而热声振荡频率却相对较高，一般为几十到几百赫兹范围。这样当把两者联接起来时，就必须考虑它们之间的匹配问题。基于两者的频率特性，匹配的目标应该是尽量使它们的最佳工作频率相对接近。对于热声驱动器来说，其工作频率要尽可能降低，以便与脉管制冷机匹配工作。而目前对热声发动机工作频率进行调节的常用手段是改变工质类型、改变谐振管长度和直径等，但这些手段在实践中受到不同程度的制约。此外，有研究表明，如果一味通过延长谐振管的方式降低发动机频率，则会引起发动机工作频率的跳变，使其频率变得更高和不稳定。

综上所述，谐振管在热声发动机中起着至关重要的作用，但是谐振管的优化设计又受到诸多方面的限制。首先，在某一工况下只存在一个最佳的谐振管结构尺寸，当发动机的工作状态改变时，谐振管就不能发挥应有的作用；其次，目前热声发动机的机构尺寸较大，严重制约了其实用化进程，而热声发动机的主体部分就是谐振管；再次，基于目前对声波传输特性的认识，线性热声理论是唯一有效的设计工具，非线性热声理论还刚刚起步，而谐振管具有较强的非线性效应，因此还不能单纯根据现有理论对谐振管实现最优化设计。