热声发动机外壳及其热声发动机、自由活塞热声发电机

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种热声发动机外壳及其热声发动机、自由活塞热声发电机。


背景技术：

2.自由活塞热声发电机主要由热声发动机和直线发电机两部分组成，其中发动机将热能转换为声波形式的机械能，直线电机将该机械能转换成电能。如图1所示，热声发动机主要由高温换热器、回热器、低温换热器、调相器组成。当高温换热器被载热流体加热，低温换热器被保持在一个较低的温度，回热器内部将形成一个轴向的温度梯度。当该温度梯度达到一定值后，经过激励后，热声发动机内部就能够维持自发的声波振荡，将热能转化为机械能。
3.在发动机中，高温换热器的温度一般可达900k，甚至更高，低温换热器的温度通常与环境接近，而回热器的长度通常仅为5-10厘米，因此，图2所示，发动机承压壁环绕在高温换热器、回热器和低温换热器外，发动机承压壁面紧靠回热器的部分存在非常大的轴向温度梯度。由于回热器两端温差大，发动机承压壁在回热器两端的热胀冷缩变形差异大，而回热器长度又很短，所以在承压壁面上会产生非常大的热应力。随着热声发动机功率的增大，热应力迅速增加，甚至超出材料的许用应力范围，从而使得承压壁面的承压能力迅速衰减，大大地降低了系统安全性能，甚至造成严重的安全事故。


技术实现要素：

4.本发明提供一种热声发动机外壳及其热声发动机、自由活塞热声发电机，用以解决现有技术中热声发动机的承压壁在回热器两端热胀冷缩变形差异大致使承压壁产生较大的热应力，而随着热声发动机的功率的增大，承压壁壁面的承压能力迅速衰减，降低了系统安全性能，甚至造成严重的安全事故的缺陷，通过将承压壁分成内层壁和外层壁两层壁，内部载热流体在内层壁上的作用力能够传递到外层壁上，使内层壁和外层壁两层壁同时承压，且内层壁和外层壁之间可以相对滑动，从而减小承压壁壁面的热应力。
5.本发明提供一种热声发动机外壳，包括承压壁，所述承压壁环绕设置在高温换热器、回热器和低温换热器外，其中，所述承压壁包括内层壁和套设在所述内层壁外的外层壁，所述内层壁与所述外层壁相接触、并能够相对滑动。
6.根据本发明提供的一种热声发动机外壳，还包括：
7.连接法兰，所述连接法兰的第二端用于与直线电机的外壳相连接，且所述连接法兰的第二端与调相器的端面相平齐或凸出于所述调相器的端面；
8.缓冲壁，所述缓冲壁的两端分别与所述连接法兰的第一端和所述外层壁的第二端相连接。
9.根据本发明提供的一种热声发动机外壳，沿所述连接法兰的第二端至第一端的方向，所述缓冲壁的厚度逐渐减小至与所述外层壁的厚度相一致。
10.根据本发明提供的一种热声发动机外壳，所述承压壁上设置有与高温换热器相对应的流体进管和流体出管，所述流体进管和所述流体出管分别用于供高温载热流体进出。
11.根据本发明提供的一种热声发动机外壳，所述流体进管和所述流体出管的管壁均与所述内层壁为一体式结构，所述流体进管和所述流体出管与所述外层壁之间设置有间隙。
12.根据本发明提供的一种热声发动机外壳，所述内层壁的第一端与所述外层壁的第一端连接为一体式结构，或，所述内层壁靠近第一端的部分与所述外层壁靠近第一端的部分连接为一体式结构。
13.本发明还提供一种热声发动机，包括热声发动机外壳、位于所述热声发动机外壳内的高温换热器、回热器、低温换热器和调相器，所述热声发动机外壳为如上述任意一项所述的热声发动机外壳。
14.根据本发明提供的一种热声发动机，所述高温换热器的管壁与所述热声发动机外壳的内层壁为一体式结构。
15.根据本发明提供的一种热声发动机，所述低温换热器的第一端与所述热声发动机外壳的内层壁之间设置有第一密封件；所述低温换热器的第二端与所述热声发动机外壳的外层壁之间设置有第二密封件。
16.本发明还提供一种自由活塞热声发电机，包括热声发动机和与所述热声发动机相连接的直线电机，所述热声发动机为上述任意一项所述的热声发动机。
17.本发明提供的热声发动机外壳及其热声发动机、自由活塞热声发电机，通过将承压壁分成内层壁和外层壁两层壁，内部载热流体在内层壁上的作用力能够传递到外层壁上，使内层壁和外层壁两层壁同时承压，并且内层壁和外层壁之间可以相对滑动，从而减小承压壁壁面的热应力，而且，内层壁和外层壁的壁厚都小于现有承压壁的壁厚，内层壁和外层壁本身具有较小的热应力，能够承受较大的作用力，从而减小承压壁壁面的热应力，提高了承压壁的承压能力，提高了系统安全性能。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是现有热声发动机的结构示意图；
20.图2是图1的局部放大图；
21.图3是本发明提供的热声发动机的结构示意图；
22.图4是本发明提供的热声发动机的立体图；
23.图5是图3的局部放大图；
24.图6是本发明提供的调相器的结构示意图；
25.图7是本发明提供的低温换热器的剖视图；
26.图8是本发明提供的低温换热器的立体图。
27.附图标记：
28.11：流体进管；
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12：流体出管；
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2：承压壁；
29.3：低温换热器；
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4：连接法兰；
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5：调相器；
30.6：回热器；
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7：高温换热器；
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21：内层壁；
31.22：外层壁；
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23：间隙；
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41：缓冲壁。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.下面结合图3至图8描述本发明的热声发动机外壳及其热声发动机、自由活塞热声发电机。
34.如图3至图5所示，本发明提供的一种热声发动机外壳，包括承压壁2，承压壁2设置在高温换热器7、回热器6和低温换热器3外。
35.其中，如图5所示，承压壁2包括内层壁21和外层壁22，外层壁22套设在内层壁21外，并且内层壁21与外层壁22相接触，以便于内层壁21将所受到的内部载热流体的作用力传递给外层壁22；而且，内层壁21和外层壁22能够相对滑动。这样，当内层壁21受到内部载热流体的作用力时，发生变形，并将所受到的作用力传递给外层壁22，使内层壁21和外层壁22同时承压，并且，外层壁22受到内层壁21的挤压后发生滑动，减小了承压壁2的所受的热应力，提高了承压壁2的承压能力和使用寿命。
36.需要说明的是，当内层壁21受到内部载热流体的作用力后，内层壁21发生变形将作用力部分传递给外层壁22，使两层壁面(即内层壁21和外层壁22)起到共同承压的效果，每层壁面的厚度可以比原来的单层承压壁面(即传统承压壁)更薄。由于内层壁21与外层壁22轴向上均存在温度梯度，因此会产生热变形，但因为每层壁面均更薄了，两层壁面之间又能够相对滑动，所以每层壁面的热应力更小，从而提高了总的承压能力。
37.如此设置，通过将承压壁2分成内层壁21和外层壁22两层壁，内部载热流体在内层壁21上的作用力能够传递到外层壁22上，使内层壁21和外层壁22两层壁同时承压，并且内层壁21和外层壁22之间可以相对滑动，从而减小承压壁2壁面的热应力，而且，内层壁 21和外层壁22的壁厚都小于现有承压壁2的壁厚，内层壁21和外层壁22本身具有较小的热应力，能够承受较大的作用力，提高了承压壁2的承压能力，提高了系统安全性能。
38.在本发明的可选实施例中，如图4和图5所示，本热声发动机外壳还包括连接法兰4和缓冲壁41，缓冲壁41的两端分别与连接法兰 4的第一端和外层壁22的第二端相连接，这样，外层壁22所受的作用力能够通过缓冲壁41传递给连接法兰4，从而减小外层壁22的热应力。
39.需要说明的是，连接法兰4的第二端为连接法兰4远离高温换热器7的一端，连接法兰4的第一端为连接法兰4靠近高温换热器7的一端。
40.其中，连接法兰4的第二端用于与直线电机的外壳相连接，并且，连接法兰4的第二端与调相器5的端面相平齐或凸出于调相器5的端面。这样，在连接法兰4与承压壁2壁面(外层壁22)之间设置了一段缓冲壁41，从而加长了本热声发动机外壳的轴向长度，可以有效减
小承压壁2(外层壁22)和连接法兰4之间的相互作用力，从而进一步减小承压壁2的热应力。
41.此外，沿连接法兰4的第二端至连接法兰4的第一端的方向，缓冲壁41的厚度逐渐减小至与外层壁22的厚度相一致。这样，缓冲壁 41靠近外层壁22的部分具有较大的变形量，能够承受较大的作用力，从而缓冲壁41可以作为承压壁2与连接法兰4的第一端之间的缓冲区，能够利用所受的作用力发生变形，从而将作用力卸掉。
42.这里，缓冲壁41与连接法兰4可以为一体式结构，以减少连接结构，提高热声发动机外壳的强度。
43.需要说明的是，在现有技术中，连接法兰4的第二端位于调相器 5的中央法兰附近，并且由于连接法兰4是与直线电机的外壳直接连接的，因此将连接法兰4设置为厚度较厚的连接法兰4，并且设计的变形量较小甚至无变形量，而当连接法兰4离低温换热器3越近时，不变形或变形较小的连接法兰4与变形的承压壁2之间的作用力就越大。因此，在本发明中，在连接法兰4和承压壁2之间设置缓冲壁 41，增大了连接法兰4与低温换热器3之间的距离，减小了承压壁2 与连接法兰4之间的作用力。
44.在本发明的可选实施例中，承压壁2上设置有流体进管11和流体出管12，流体进管11和流体出管12均与高温换热器7相对应，以便于载热流体通过流体进管11进入到热声发动机内与高温换热器 7换热后，再从流体出管12排出。
45.在可选的实施例中，如图5所示，流体进管11和流体出管12的管壁均可以与内层壁21为一体式结构，并且流体进管11和流体出管 12与外层壁22之间均设置有间隙23，以为内层壁21和外层壁22变形预留出间隙23，并且便于内层壁21和外层壁22发生相对滑动。
46.此外，内层壁21的第一端与外层壁22的第一端可以连接为一体式结构，或者，内层壁21靠近第一端的部分与外层壁22靠近第一端的部分连接为一体式结构。这样，在长时间承受载热流体的作用力后，内层壁21和外层壁22不会相互分离，增大了内层壁21和外层壁22 的连接强度，提高了承压壁2的使用寿命。
47.下面对本发明提供的热声发动机进行描述，下文描述的热声发动机与上文描述的热声发动机外壳可相互对应参照。
48.本发明提供的一种热声发动机，包括热声发动机外壳、高温换热器7、回热器6和低温换热器3，其中，高温换热器7、回热器6和低温换热器3设置在热声发动机外壳内，并且热声发动机外壳可以为如上述任一项实施例所述的热声发动机外壳。这里，该热声发动机所达到的有益效果与本发明提供的热声发动机外壳所达到的有益效果相一致，则这里不再赘述。
49.在本发明的可选实施例中，该热声发动机还包括调相器5，调相器5设置在热声发动机外壳内，热声发动机外壳的连接法兰4的第二端与调相器5的端部齐平或者凸出于调相器5的端部，以用于与直线电机的外壳连接。
50.在可选的实施例中，高温换热器7的管壁与热声发动机外壳的内层壁21可以为一体式结构，这样，既便于载热流体进入高温换热器 7内和便于载热流体从高温换热器7内排出，又利于简化热声发动机的结构，节省成本。
51.这里，高温换热器7可以为管壳式换热器。
52.在本发明的可选实施例中，低温换热器3的第一端与热声发动机外壳的内层壁21之间设置有第一密封件，这样，能够防止内部载热流体向内层壁21的外侧或者低温换热器3
的外侧泄露。低温换热器 3的第二端与热声发动机外壳的外层壁22之间设置有第二密封件，这样，能够防止载热流体向低温换热器3的外侧泄露。
53.这里，第一密封件和第二密封件均可以为o型密封圈，具体地，第一密封件和第二密封件均可以为橡胶密封圈。
54.需要说明的是，低温换热器3的第一端可以为低温换热器3靠近回热器6的一端，低温换热器3的第二端可以为低温换热器3远离回热器6的一端。
55.下面对本发明提供的自由活塞热声发电机进行描述，下文描述的自由活塞热声发电机与上文描述的热声发动机可相互对应参照。
56.本发明提供的一种自由活塞热声发电机，包括热声发动机和直线电机，直线电机与热声发动机相连接，并且热声发动机可以为上述任一项所述的热声发动机。这里，本自由活塞热声发电机所达到的有益效果与本发明提供的热声发动机所达到的有益效果相一致，则这里不再赘述。
57.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
58.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种热声发动机外壳，其特征在于，包括承压壁，所述承压壁环绕设置在高温换热器、回热器和低温换热器外，其中，所述承压壁包括内层壁和套设在所述内层壁外的外层壁，所述内层壁与所述外层壁相接触、并能够相对滑动。2.根据权利要求1所述的热声发动机外壳，其特征在于，还包括：连接法兰，所述连接法兰的第二端用于与直线电机的外壳相连接，且所述连接法兰的第二端与调相器的端面相平齐或凸出于所述调相器的端面；缓冲壁，所述缓冲壁的两端分别与所述连接法兰的第一端和所述外层壁的第二端相连接。3.根据权利要求2所述的热声发动机外壳，其特征在于，沿所述连接法兰的第二端至第一端的方向，所述缓冲壁的厚度逐渐减小至与所述外层壁的厚度相一致。4.根据权利要求1-3任一项所述的热声发动机外壳，其特征在于，所述承压壁上设置有与高温换热器相对应的流体进管和流体出管，所述流体进管和所述流体出管分别用于供高温载热流体进出。5.根据权利要求4所述的热声发动机外壳，其特征在于，所述流体进管和所述流体出管的管壁均与所述内层壁为一体式结构，所述流体进管和所述流体出管与所述外层壁之间设置有间隙。6.根据权利要求1-5任一项所述的热声发动机外壳，其特征在于，所述内层壁的第一端与所述外层壁的第一端连接为一体式结构，或，所述内层壁靠近第一端的部分与所述外层壁靠近第一端的部分连接为一体式结构。7.一种热声发动机，包括热声发动机外壳、位于所述热声发动机外壳内的高温换热器、回热器、低温换热器和调相器，其特征在于，所述热声发动机外壳为如权利要求1-6任意一项所述的热声发动机外壳。8.根据权利要求7所述的热声发动机，其特征在于，所述高温换热器的管壁与所述热声发动机外壳的内层壁为一体式结构。9.根据权利要求7所述的热声发动机，其特征在于，所述低温换热器的第一端与所述热声发动机外壳的内层壁之间设置有第一密封件；所述低温换热器的第二端与所述热声发动机外壳的外层壁之间设置有第二密封件。10.一种自由活塞热声发电机，包括热声发动机和与所述热声发动机相连接的直线电机，其特征在于，所述热声发动机为如权利要求6-9任意一项所述的热声发动机。

技术总结
本发明提供一种热声发动机外壳及其热声发动机、自由活塞热声发电机，包括承压壁，承压壁环绕设在高温换热器、回热器和低温换热器外，承压壁包括内层壁和套设在所述内层壁外的外层壁，所述内层壁与所述外层壁相接触、并能够相对滑动。通过将承压壁分成内层壁和外层壁两层壁，内部载热流体在内层壁上的作用力能够传递到外层壁上，使内层壁和外层壁两层壁同时承压，内层壁和外层壁之间可以相对滑动，能够减小承压壁壁面的热应力，内层壁和外层壁的壁厚都小于现有承压壁的壁厚，提高了承压壁的承压能力。压能力。压能力。


技术研发人员：胡剑英 刘斌 罗二仓 张丽敏 陈燕燕 吴张华
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：2021.11.17
技术公布日：2023/5/18