调相装置和行波热声环路系统

技术领域

本发明涉及热声热机技术领域，尤其涉及一种调相装置和行波热声环路系统。

背景技术

行波热声发动机是一种利用热声效应实现热能与声能之间相互转换的新型的热功转换装置。行波热声发动机以惰性气体为工质且无机械运动部件，具有结构简单、可靠性高、环境友好等优点。

行波热声发动机装置通常采用若干行波热声发动机核心单元通过调相结构首尾连接形成环路结构。例如图1所示，为传统的两单元行波热声发动机装置，其包括两个热声发动机核心单元1′和两个调相结构2′，图1中实线箭头指示声波的传播方向。调相结构2′包括空腔21′和连接于空腔21′外部两侧的两谐振管22′，两谐振管22′分别与两热声发动机核心单元1′的出口和入口连接；谐振管22′为等直径管、变直径管或二者的结合。调相结构2′是行波热声发动机装置的重要部件之一，其作用是将一个行波热声发动机核心单元1′的出口的压力波动与体积流量的相位，调节至下一级行波热声发动机核心单元1′的入口所需相位。调相结构2′的谐振管22′的长度、直径以及空腔21′的容积、接入位置等会对行波热声发动机核心单元1′产生重要的影响，会引起行波热声发动机装置环路系统的频率、压比等的改变，有时甚至会完全改变整个行波热声发动机装置环路系统的正常运行状态。

传统的调相结构2′中，谐振管22′过长，空腔21′体积较大，导致调相结构2′整机体积过大；另外，谐振管22′内部气体压力较大，管壁内外承受不同的压力，谐振管22′需用厚管壁承受较大的内外压差，导致谐振管22′耗材较多，重量过大，难以应用到空间要求较小的热驱动行波热声发动机装置及其相关系统中，无法满足实际应用需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种调相装置和行波热声环路系统，用以解决现有调相结构整机体积过大，耗材较多，重量过大的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种调相装置，包括：

壳体，其内部具有空腔，所述壳体沿长度方向具有第一端和第二端；

第一谐振管，连接于所述壳体的所述第一端并部分设置于所述空腔内，且所述第一谐振管的入口设置于所述壳体外部，所述第一谐振管的出口设置于所述空腔内并与所述空腔连通；

第二谐振管，连接于所述壳体的所述第二端并部分设置于所述空腔内，且所述第二谐振管的出口设置于所述壳体外部，所述第二谐振管的入口设置于所述空腔内并与所述空腔连通。

根据本发明提供的一种调相装置，所述第一谐振管位于所述空腔内的至少部分为第一螺旋盘管，所述第二谐振管位于所述空腔内的至少部分为第二螺旋盘管。

根据本发明提供的一种调相装置，所述第一螺旋盘管和所述第二螺旋盘管为圆柱螺旋盘管，且所述第一螺旋盘管和所述第二螺旋盘管的轴向平行于所述空腔的长度方向，所述空腔的长度方向平行于所述壳体的长度方向。

根据本发明提供的一种调相装置，所述第一螺旋盘管的外径与所述第二螺旋盘管的外径相同，且所述第一螺旋盘管与所述第二螺旋盘管沿轴向的至少部分交错盘绕设置形成双层螺旋盘管结构。

根据本发明提供的一种调相装置，所述第一谐振管出口靠近所述壳体的所述第二端，所述第二谐振管入口靠近所述壳体的所述第一端。

根据本发明提供的一种调相装置，所述空腔的横截面为圆形或椭圆形；所述第一谐振管出口的朝向与所述壳体内壁的周向相切，所述第二谐振管入口的朝向与所述壳体内壁的周向相切。

根据本发明提供的一种调相装置，沿所述壳体内壁的周向，所述第一谐振管出口的朝向与所述第二谐振管入口的朝向相反。

本发明还提供了一种行波热声环路系统，包括：

多个行波热声热机单元，所述行波热声热机单元具有单元入口和单元出口；

多个根据上述任一项所述的调相装置，所述第一谐振管入口连接一所述行波热声热机单元的所述单元出口，所述第二谐振管出口连接另一所述行波热声热机单元的所述单元入口，多个所述调相装置将多个所述行波热声热机单元首尾连接形成环路结构。

根据本发明提供的一种行波热声环路系统，所述行波热声热机单元为行波热声发动机。

根据本发明提供的一种行波热声环路系统，所述行波热声热机单元为直连型行波热驱动热声制冷机。

本发明提供的调相装置，通过将第一谐振管和第二谐振管的部分管体设置在空腔内部，可以缩小调相装置的整体体积，提高调相装置的结构紧凑性；并且位于空腔内的第一谐振管和第二谐振管的管壁内外承受相同的压力，内外压差较小，因此位于空腔内的第一谐振管和第二谐振管的管壁厚度可以减小，从而节省材料，解决现有调相结构的整机体积过大、耗材较多、重量过大的技术问题，有利于调相装置及相关行波热声热机系统的实际应用，实用性更强。

本发明提供的行波热声环路系统，通过采用紧凑型的调相装置，调相结构的整体体积较小，进而可以缩小行波热声环路系统的整体体积；而且调相装置的谐振管管壁内外承受相同的压力，可以减小管壁厚度，进而节省材料，减轻重量，从而达到提高行波热声环路系统的结构紧凑性和实用性的目的。

附图说明

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一简单地介绍，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。

图1是现有技术中行波热声发动机装置的环路结构示意图；

图2是本发明实施例的调相装置的剖视图；

图3是本发明实施例的第一谐振管与第二谐振管的结构示意图；

图4是本发明实施例的行波热声环路系统的结构示意图；

图5是本发明另一实施例的行波热声环路系统的结构示意图。

图中：

1、调相装置；

11、壳体；111、空腔；

12、第一谐振管；121、第一谐振管入口；122、第一谐振管出口；123、第一螺旋盘管；

13、第二谐振管；131、第二谐振管出口；132、第二谐振管入口；133、第二螺旋盘管；

2、行波热声热机单元；

21、单元入口；22、单元出口；

23、行波热声发动机；231、发动机壳；232、发动机主冷却器；233、发动机回热器；234、发动机热端换热器；235、热缓冲管；236、发动机次冷却器；

24、直连型行波热驱动热声制冷机；241、单元机壳；242、热声驱动单元；243、热声制冷单元；。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

如图2所示，本发明实施例提供的一种调相装置1，包括壳体11、第一谐振管12和第二谐振管13，壳体11的内部具有密闭的空腔111，壳体11沿自身的长度方向具有第一端和第二端；第一谐振管12连接于壳体11的第一端并部分设置于空腔111内，且第一谐振管入口121设置于壳体11第一端的外部，第一谐振管出口122设置于空腔111内并与空腔111连通；第二谐振管13连接于壳体11的第二端并部分设置于空腔111内，且第二谐振管出口131设置于壳体11第二端的外部，第二谐振管入口132设置于空腔111内并与空腔111连通。

本发明提供的调相装置1，用于环路多单元行波热声热机系统的调相，能够将一个行波热声热机单元出口的压力波动和体积流量的相位调节至下一级行波热声热机单元的入口所需相位；第一谐振管入口121用于连接一个行波热声热机单元的出口，第二谐振管出口131用于连接下一级行波热声热机单元的入口。相比于现有调相结构的谐振管-谐振腔-谐振管的外部连接方式，本发明的调相装置1通过将第一谐振管12和第二谐振管13的部分管体设置在空腔111内部，可以缩小调相装置1的整体体积，提高调相装置1的结构紧凑性；并且位于空腔111内的第一谐振管12和第二谐振管13的管壁内外承受相同的压力，内外压差较小，因此位于空腔111内的第一谐振管12和第二谐振管13的管壁厚度可以减小，从而节省材料，解决现有调相结构的整机体积过大、耗材较多、重量过大的技术问题，有利于调相装置1及相关行波热声热机系统的实际应用，实用性更强。

进一步地，如图2所示，在该实施例中，第一谐振管12整体大部分设置于空腔111内，仅由第一谐振管入口121穿出至壳体11第一端的外部；第二谐振管13整体大部分设置于空腔111内，仅由第二谐振管出口131穿出至壳体11第二端的外部。通过将第一谐振管12和第二谐振管13的大部分管体设置在空腔111内部，可以进一步缩小调相装置1的整体体积，并进一步减少第一谐振管12和第二谐振管13的材料消耗，进而提高调相装置1的结构紧凑性和实用性。

更进一步地，如图2和图3所示，在本发明的一些实施例中，第一谐振管12位于空腔111内的至少部分为第一螺旋盘管123，第二谐振管13位于空腔111内的至少部分为第二螺旋盘管133。其中，螺旋盘管是指管道沿着螺旋线盘绕而成的盘管，相同长度的管道，螺旋盘管结构的占用空间更小，通过设置第一螺旋盘管123和第二螺旋盘管133能够进一步缩小调相装置1整体结构的体积，进一步提高调相装置1的结构紧凑性。

优选地，如图2和图3所示，在该实施例中，第一谐振管12位于空腔111内的部分均为第一螺旋盘管123，第二谐振管13位于空腔111内的部分均为第二螺旋盘管133。通过将第一谐振管12和第二谐振管13位于空腔111内的部分全部设置为螺旋盘管，能够进一步缩小调相装置1整体结构的体积，提高调相装置1的结构紧凑性。

具体地，如图2和图3所示，在本发明实施例中，第一螺旋盘管123和第二螺旋盘管133为圆柱螺旋盘管，且第一螺旋盘管123和第二螺旋盘管133的轴向平行于空腔111的长度方向，空腔111的长度方向平行壳体11的长度方向。其中，圆柱螺旋盘管是指管道沿着圆柱螺旋线盘绕而成的盘管。圆柱螺旋盘管能够充分占用空腔111内的空间，空间利用率高，进一步提高调相装置1的结构紧凑性，而且制造简单，安装方便，实用性强。

另外，在本发明未示出的实施例中，第一螺旋盘管123和第二螺旋盘管133也可以为椭圆柱螺旋盘管；椭圆柱螺旋盘管是指管道沿着椭圆柱螺旋线盘绕而成的盘管。

更具体地，如图2和图3所示，在该实施例中，第一螺旋盘管123的外径与第二螺旋盘管133的外径相同，且第一螺旋盘管123与第二螺旋盘管133沿轴向的至少部分交错盘绕设置，以形成双层螺旋盘管结构。双层螺旋盘管结构能够进一步减少第一谐振管12和第二谐振管13的占用空间，从而进一步缩小调相装置1整体结构的体积，提高调相装置1的结构紧凑性。

另外，在本发明未示出的实施例中，第一谐振管12和第二谐振管13位于空腔111内的部分也可以弯曲折叠设置呈蛇形盘管结构。

进一步地，如图2所示，在本发明的实施例中，第一谐振管出口122位于空腔111内并靠近壳体11的第二端，第二谐振管入口132位于空腔111内并靠近壳体11的第一端。通过将第一谐振管出口122和第二谐振管入口132分别设置于空腔111内的两端，调相装置1使用时，声波通过第一谐振管入口121进入第一谐振管12内，并经第一谐振管出口122充满空腔111，然后自第二谐振管入口132进入第二谐振管13内，最后经第二谐振管出口131传出，声波在空腔111内充分传播，有利于保证调相装置1的相位调节效果。

具体地，在本发明的实施例中，第一谐振管12与壳体11的第一端密封连接，第二谐振管13与壳体11的第二端密封连接，从而空腔111内形成密闭腔室，避免声波和气流泄漏。

进一步地，在本发明的实施例中，空腔111的横截面为圆形或椭圆形，空腔111的横截面是指垂直于空腔111的长度方向的截面；第一谐振管出口122的朝向与壳体11内壁的周向相切，第二谐振管入口132的朝向与壳体11内壁的周向相切。通过设置第一谐振管出口122的朝向和第二谐振管入口132的朝向为壳体11内壁的切向，使得气流和声波在空腔111内沿壳体11内壁的周向流动和传播，能够减少声波在空腔111内的反射和减少乱流，进而降低能量损失。

具体地，在该实施例中，第一螺旋盘管123和第二螺旋盘管133的形状和尺寸与空腔111的形状和尺寸向适配。即空腔111的横截面为圆形，则第一螺旋盘管123和第二螺旋盘管133为圆柱螺旋盘管，且圆柱螺旋盘管的外径与空腔111的内径相适配；空腔111的横截面为椭圆形，则第一螺旋盘管123和第二螺旋盘管133为椭圆柱螺旋盘管，且椭圆柱螺旋盘管的长轴和短轴，与空腔111横截面的长轴和短轴相适配。

具体地，如图2所示，在该实施例中，沿壳体11内壁的周向，第一谐振管出口122的朝向与第二谐振管入口132的朝向相反。即第二谐振管入口132与第一谐振管出口122沿壳体11内壁的周向相对设置，声波经第一谐振管出口122进入空腔111后，沿壳体11内壁的周向传播，第二谐振管入口132逆声波的传播方向，方便声波经第二谐振管入口132进入第二谐振管13内。

如图4和图5所示，本发明实施例还提供一种行波热声环路系统，包括多个行波热声热机单元2和多个由上述任一实施例提供的调相装置1，行波热声热机单元2具有单元入口21和单元出口22；第一谐振管入口121连接一个行波热声热机单元2的单元出口22，第二谐振管出口131连接另一个行波热声热机单元2的单元入口21，从而多个调相装置1将多个行波热声热机单元2首尾连接形成环路结构。

图4和图5中实线箭头指示声波的传播方向。

在行波热声环路系统中，一个行波热声热机单元2内的声波由单元出口22发出，声波经相连的一个调相装置1的第一谐振管入口121进入第一谐振管12，通过第一谐振管12后经第一谐振管出口122充满空腔111，再自第二谐振管入口132进入第二谐振管13，经第二谐振管出口131进入相连的另一个行波热声热机单元2中。通过调相装置1，此过程将上一行波热声热机单元2的单元出口22的压力波动及体积流量相位调节至下一行波热声热机单元2的单元入口21所需相位。

本发明的行波热声环路系统，通过采用紧凑型的调相装置1，调相结构的整体体积较小，进而可以缩小行波热声环路系统的整体体积；而且调相装置1的谐振管管壁内外承受相同的压力，可以减小管壁厚度，进而节省材料，减轻重量，从而达到提高行波热声环路系统的结构紧凑性和实用性的目的。

在本发明的一些实施例中，行波热声热机单元2为行波热声发动机23，例如图4示出了两单元行波热声发动机环路系统的结构示意图。行波热声发动机23包括发动机壳231以及分别设置在发动机壳231中的发动机主冷却器232、发动机回热器233、发动机热端换热器234、热缓冲管235和发动机次冷却器236，发动机主冷却器232、发动机回热器233、发动机热端换热器234、热缓冲管235和发动机次冷却器236依次连接，发动机次冷却器236与单元出口22连通，发动机主冷却器232与单元入口21连通。

在本发明的另一些实施例中，行波热声热机单元2为直连型行波热驱动热声制冷机24，例如图5示出了两单元直连型行波热驱动热声制冷机系统结构示意图。直连型行波热驱动热声制冷机24包括单元机壳241以及分别设置于单元机壳241中的热声驱动单元242和热声制冷单元243，热声驱动单元242和热声制冷单元243依次连接，热声驱动单元242与单元入口21连通，热声制冷单元243与单元出口22连通。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。