一种跨临界热声发动机

1.本发明涉及热声发动机技术领域，具体为一种跨临界热声发动机。


背景技术：

2.热声震荡原理是利用热声不稳定原理产生自激压力振荡的装置，在热声发动机的基础上可以开发出热声发动机，利用振荡压力做功实现热能到机械能的转换。跨临界热声发动机是指工作在超临界压力、拟临界温度两侧的热声发动机。从公开发表的文献来看，在热声发动机中采用近临界流体最早是由浙江大学金滔团队在2014年建议的，他们针对co2工质的不同状态点在谐振管内的运行进行了理论分析，指出近临界状态可降低谐振管内的声功损耗，具有一定潜力。2017年，美国普渡大学可压缩流体和声学实验室在罗罗公司(rolls-royce)的资助下，开始致力于开发跨临界热声发动机。由于近临界流体热膨胀系数高，给高热声转化率提供了有利条件。在理论分析的基础上，以制冷剂r218为工质(临界压力为2.68mpa)进行了样机开发，截至2019年初已完成一次迭代，实现了150k温差下0.69mpa的稳定压力振幅。与传统的热声发动机不同，跨临界热声发动机由于内部的工质运行在超临界压力下，当温度跨越临界线时，气体的密度会剧烈变化，因此在较小的温差下就能产生振荡，而要达到超临界压力，需要设计出耐高温高压的热声发动机，而现有的跨临界热声发动机有以下缺陷：
3.目前大多数跨临界热声发动机的热声叠多为平板式或者管束式，存在着换热效果不理想的现象，也不易实现紧凑型结构，加工起来比较困难且性价比不高，并且最终热声发动机产品体积也较大。
4.为此我们提出一种跨临界热声发动机用于解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种跨临界热声发动机，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种跨临界热声发动机，包括壳体，所述壳体内一侧开设高温换热腔，所述壳体内另一侧开设室温冷却腔，所述壳体内中心开设气体工质腔，所述高温换热腔内固接高温换热器，所述室温冷却腔内固接室温换热器，所述气体工质腔内固接热声叠组件；
7.所述热声叠组件包括固接在气体工质腔内的多个油水通道板及多个气路通道板，多个所述油水通道板及多个气路通道板相互平行，所述油水通道板表面一侧开设多个水路通道蚀刻槽、另一侧开设多个油路通道蚀刻槽，所述气路通道板表面开设多个气路通道蚀刻槽，所述气路通道板及油水通道板均为不锈钢薄片材质。
8.优选的，所述高温换热腔连通气体工质腔，所述气体工质腔连通室温冷却腔，所述壳体靠近高温换热腔一端固接气体进出口、另一端固接谐振管组件，所述谐振管组件另一端固接气库。
9.优选的，所述壳体位于高温换热腔两侧位置分别固接高温导热油入管及高温导热油出管，所述壳体位于室温冷却腔两侧分别固接室温冷却水入管及室温冷却水出管，所述室温冷却水出管及高温导热油出管位于壳体同侧，所述高温导热油入管及室温冷却水入管位于壳体同侧。
10.优选的，所述高温换热器连通气体进出口、高温导热油入管、高温导热油出管，所述室温换热器连通室温冷却水入管、室温冷却水出管及冷腔，所述高温换热器连通热声叠组件，所述热声叠组件连通室温换热器。
11.优选的，所述谐振管组件包括水平部及垂直部，所述水平部连通垂直部，所述水平部自由端固接并连通冷腔，所述垂直部底端固接并连通气库。
12.优选的，所述高温导热油入管端部连通高温导热油入口，所述高温导热油出管端部连通高温导热油出口，所述室温冷却水入管端部连通室温冷却水入口，所述室温冷却水出管端部连通室温冷却水出口，所述气体进出口上固接第一阀门，所述气库上固接第二阀门。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.本发明充分利用跨临界工况下的流体特殊物理性质，实现低起振温差和高压力振幅，再此基础上核心热声叠组件由不锈钢薄板通过通道蚀刻和扩散焊接加工而成，通道尺寸位于百微米量级，可以在高温高压的环境下正常工作，满足对跨临界工况的需求，换热效果理想，同时实现了结构紧凑的效果，减少了整体发动机的体积。
附图说明
15.图1为本发明第一、二、三个实施例中主体结构示意图；
16.图2为本发明第一、二、三个实施例中主体剖切结构示意图；
17.图3为本发明第一、三个实施例中热声叠组件处结构示意图；
18.图4为本发明第三个实施例中跨临界过程示意图；
19.图5为本发明第三个实施例中跨临界二氧化碳的部分现象示意图。
20.图中：1、壳体；2、高温换热腔；3、气体工质腔；4、室温冷却腔；5、气体进出口；6、冷腔；7、谐振管组件；8、气库；9、热声叠组件；11、高温导热油入管；12、高温导热油入口；13、高温导热油出管；14、高温导热油出口；15、室温冷却水入管；16、室温冷却水入口；17、室温冷却水出管；18、室温冷却水出口；21、高温换热器；41、室温换热器；51、第一阀门；71、水平部；72、垂直部；81、第二阀门；91、油水通道板；92、气路通道板；911、水路通道蚀刻槽；912、油路通道蚀刻槽；921、气路通道蚀刻槽。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
22.实施例1：
23.请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种跨临界热声发动机，包括壳体1，壳
体1内一侧开设高温换热腔2，壳体1内另一侧开设室温冷却腔4，壳体1内中心开设气体工质腔3，高温换热腔2内固接高温换热器21，室温冷却腔4内固接室温换热器41，气体工质腔3内固接热声叠组件9；
24.热声叠组件9包括固接在气体工质腔3内的多个油水通道板91及多个气路通道板92，多个油水通道板91及多个气路通道板92相互平行，油水通道板91表面一侧开设多个水路通道蚀刻槽911、另一侧开设多个油路通道蚀刻槽912，气路通道板92表面开设多个气路通道蚀刻槽921，气路通道板92及油水通道板91均为不锈钢薄片材质，受临界区内特殊物性的影响，跨临界热声叠的通道宽度应为100微米量级，本热声发动机充分利用跨临界工况下的流体特殊物理性质，实现低起振温差和高压力振幅，装置的核心热声叠组件9部分由不锈钢薄板通过通道蚀刻和扩散焊接加工而成，通道尺寸位于百微米量级，可以在高温高压的环境下正常工作，满足对跨临界工况的需求，且整体结构紧凑，占用空间非常小。
25.实施例2：
26.请参阅图1-2，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，高温换热腔2连通气体工质腔3，气体工质腔3连通室温冷却腔4，壳体1靠近高温换热腔2一端固接气体进出口5、另一端固接谐振管组件7，谐振管组件7另一端固接气库8。
27.壳体1位于高温换热腔2两侧位置分别固接高温导热油入管11及高温导热油出管13，壳体1位于室温冷却腔4两侧分别固接室温冷却水入管15及室温冷却水出管17，室温冷却水出管17及高温导热油出管13位于壳体1同侧，高温导热油入管11及室温冷却水入管15位于壳体1同侧。
28.高温换热器21连通气体进出口5、高温导热油入管11、高温导热油出管13，室温换热器41连通室温冷却水入管15、室温冷却水出管17及冷腔6，高温换热器21连通热声叠组件9，热声叠组件9连通室温换热器41。
29.谐振管组件7包括水平部71及垂直部72，水平部71连通垂直部72，水平部71自由端固接并连通冷腔6，垂直部72底端固接并连通气库8，多个管路及壳体1相互配合形成本发动机油路、气路和水路。
30.高温导热油入管11端部连通高温导热油入口12，高温导热油出管13端部连通高温导热油出口14，室温冷却水入管15端部连通室温冷却水入口16，室温冷却水出管17端部连通室温冷却水出口18，气体进出口5上固接第一阀门51，气库8上固接第二阀门81，可以在工质气体充满后，关闭第一阀门51及第二阀门81形成密闭空间。
31.实施例3：
32.请参阅图1-5，为本发明第三个实施例，该实施例基于上述两个实施例。本发明运行时，首先将整个密闭式驻波热声发动机连接到真空泵上，进行数次抽真空的过程(至少三次)，排空装置中本来的空气，保持洁净，接着，打开气体进出口5端部连接装满二氧化碳气瓶，使用空压机将二氧化碳增压到超临界压力(例二氧化碳为7.38mpa)以上，然后充入到跨临界驻波气路单元中即可开始工作；本发明实施主要由油路、水路和气路三部分组成，油路部分为高温导热油入管11、高温换热腔2和高温导热油出管13组成；水路部分由室温冷却水出管17、室温冷却水入管15和室温冷却腔4组成，气路部分由气路工质腔3和气体进出口5组成。在装置运行时，高温油路的作用是为热声实验平台提供热量输入，维持高温端的温度。高温导热油从高温导热油入口12直接进入高温换热腔2内，然后从高温导热油出管13出来。
热声发动机的室温水路设计也是十分重要的一环，要保证能够在热声叠低温端形成恒定的低温，冷却水由室温冷却水入口16进入室温冷却腔4，然后经过室温冷却水出口18流出室温冷却腔4；跨临界气体由气体进出口5流经高温换热腔2及室温冷却腔4进行热量的交换；气体经过高温导热油的加热和冷却水的冷却作用，会在气体工质腔3部分形成温度梯度，随之，气体在温度变化的过程中经历跨临界的过程，气体发生强烈的密度变化和物性的剧烈变化，引发振荡现象的发生，跨临界过程请参阅说明书附图图4，本发动机中跨临界二氧化碳的部分现象请参阅说明书附图图4，依据附图可以看出本发明密闭式驻波型跨临界热声发动机可以在高压高温环境下，实现气体工质跨临界的过程，并对在这一过程产生的热声振荡进行探究。本发明充分利用跨临界工况下的流体特殊物理性质，实现低起振温差和高压力振幅，再此基础上核心热声叠组件9由不锈钢薄板通过通道蚀刻和扩散焊接加工而成，通道尺寸位于百微米量级，可以在高温高压的环境下正常工作，满足对跨临界工况的需求，换热效果理想，同时实现了结构紧凑的效果，减少了整体发动机的体积。
33.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种跨临界热声发动机，包括壳体(1)，其特征在于：所述壳体(1)内一侧开设高温换热腔(2)，所述壳体(1)内另一侧开设室温冷却腔(4)，所述壳体(1)内中心开设气体工质腔(3)，所述高温换热腔(2)内固接高温换热器(21)，所述室温冷却腔(4)内固接室温换热器(41)，所述气体工质腔(3)内固接热声叠组件(9)；所述热声叠组件(9)包括固接在气体工质腔(3)内的多个油水通道板(91)及多个气路通道板(92)，多个所述油水通道板(91)及多个气路通道板(92)相互平行，所述油水通道板(91)表面一侧开设多个水路通道蚀刻槽(911)、另一侧开设多个油路通道蚀刻槽(912)，所述气路通道板(92)表面开设多个气路通道蚀刻槽(921)，所述气路通道板(92)及油水通道板(91)均为不锈钢薄片材质。2.根据权利要求1所述的一种跨临界热声发动机，其特征在于：所述高温换热腔(2)连通气体工质腔(3)，所述气体工质腔(3)连通室温冷却腔(4)，所述壳体(1)靠近高温换热腔(2)一端固接气体进出口(5)、另一端固接谐振管组件(7)，所述谐振管组件(7)另一端固接气库(8)。3.根据权利要求1所述的一种跨临界热声发动机，其特征在于：所述壳体(1)位于高温换热腔(2)两侧位置分别固接高温导热油入管(11)及高温导热油出管(13)，所述壳体(1)位于室温冷却腔(4)两侧分别固接室温冷却水入管(15)及室温冷却水出管(17)，所述室温冷却水出管(17)及高温导热油出管(13)位于壳体(1)同侧，所述高温导热油入管(11)及室温冷却水入管(15)位于壳体(1)同侧。4.根据权利要求3所述的一种跨临界热声发动机，其特征在于：所述高温换热器(21)连通气体进出口(5)、高温导热油入管(11)、高温导热油出管(13)，所述室温换热器(41)连通室温冷却水入管(15)、室温冷却水出管(17)及冷腔(6)，所述高温换热器(21)连通热声叠组件(9)，所述热声叠组件(9)连通室温换热器(41)。5.根据权利要求2所述的一种跨临界热声发动机，其特征在于：所述谐振管组件(7)包括水平部(71)及垂直部(72)，所述水平部(71)连通垂直部(72)，所述水平部(71)自由端固接并连通冷腔(6)，所述垂直部(72)底端固接并连通气库(8)。6.根据权利要求2所述的一种跨临界热声发动机，其特征在于：所述高温导热油入管(11)端部连通高温导热油入口(12)，所述高温导热油出管(13)端部连通高温导热油出口(14)，所述室温冷却水入管(15)端部连通室温冷却水入口(16)，所述室温冷却水出管(17)端部连通室温冷却水出口(18)，所述气体进出口(5)上固接第一阀门(51)，所述气库(8)上固接第二阀门(81)。

技术总结
本发明公开了一种跨临界热声发动机，包括壳体，所述壳体内一侧开设高温换热腔，所述壳体内另一侧开设室温冷却腔，所述壳体内中心开设气体工质腔，所述高温换热腔内固接高温换热器，所述室温冷却腔内固接室温换热器，所述气体工质腔内固接热声叠组件，所述热声叠组件包括固接在气体工质腔内的多个油水通道板及多个气路通道板。本发明充分利用跨临界工况下的流体特殊物理性质，实现低起振温差和高压力振幅，再此基础上核心热声叠组件由不锈钢薄板通过通道蚀刻和扩散焊接加工而成，通道尺寸位于百微米量级，可以在高温高压的环境下正常工作，满足对跨临界工况的需求，换热效果理想，同时实现了结构紧凑的效果，减少了整体发动机的体积。体积。体积。


技术研发人员：胡战超 王开心 王高远
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/12