一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统

摘要

本发明提供了一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统，包括驻波型热声发动机和热磁发电机；所述的热磁发电机固定于驻波型热声发动机中设置的软磁板叠(7)上，所述的软磁板叠(7)由若干软磁材料片平行叠摞而成，该软磁板叠(7)沿径向设置于热磁发电机的磁回路上，其轴向与热声发动机产生的声波的传播方向重合；所述的驻波型热声发动机通过软磁板叠(7)产生热声效应，所述的热磁发电机通过软磁板叠(7)产生热磁效应。本发明提供的热磁发电系统将热磁发电机耦合在驻波型热声发动机的软磁板叠上，通过软磁板叠在上述功能上的复用，使得整个系统完全没有运动部件，系统结构更为紧凑和简单，且降低了系统阻尼，有效提高了系统的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及热磁发电领域，具体涉及一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统。

背景技术

能够将热能转化为磁能，最后再将磁能转化为电能输出的装置被称为热磁发电机(TMG，Thermomagnetic Generator)。热磁发电的原理是利用具有热磁效应的软磁材料，使其在居里温度T_C附近被周期性地加热和冷却，由于软磁材料在受热后温度超过居里温度时，由铁磁体变成顺磁体而使磁性发生极大变化，从而引起磁回路中通过线圈的磁通量发生改变，最终在线圈中产生感应电流。

在19世纪，特斯拉和爱迪生都对热磁发电进行了研究，并且发明了各自的热磁发电机模型，但是受到当时发电磁性材料和驱动磁场的限制，未能将其应用于实际。20世纪中后期，由于受热磁材料的发展限制，人们对热磁发电的研究大多停留在理论计算阶段。在进入21世纪后，随着热磁材料的快速发展，热磁发电日渐成为余热利用领域的研究热点。

热声效应是热能与声能之间相互转换的现象，基于热声效应，利用热量来产生高强度声波而无需借助于任何机械运动部件的装置被称为热声发动机(热声压缩机)。近年来，随着国内外热声发动机的快速发展以及对交变流动认识的不断深入，利用热声发动机实现软磁材料的快速加热和冷却为热磁发电技术的进一步发展提供了新思路。

图1是Oscar L的专利(公布号：US2006/0266041A1)提出的热声热磁发电机结构示意图，该热声热磁发电机主要由磁回路开关1a、磁场产生装置2a、发电机定子5a构成磁回路，所述的磁回路开关1a由软磁材料制成，导波管4a利用声波6a的温度梯度对磁回路开关1a进行周期性地交替加热和冷却，使得磁回路开关1a的软磁材料温度在其居里温度T_C附近上下波动，从而引起磁回路交替断开和闭合，最终，磁场的变化使得缠绕在发电机定子5a外的线圈3a感应产生交流电输出。由于声波6a的传播方向与磁回路开关1a的轴向刚好垂直，使得声波在对磁回路开关1a加热和冷却的过程中会在磁回路开关1a的径向方向建立起温度梯度，其结果是导致磁回路开关1a左右两侧的软磁材料受热不均，在很大程度上影响磁回路的断开和闭合，从而降低发电机的发电效率。

图2是罗二仓等人的专利(公布号：CN102403447B)提出的一种热声驱动的热磁发电系统，通过优化软磁体1b的结构：使用由多片软磁材料薄片间隔叠加而成的结构，以及优化软磁体的布置位置：声波的传播方向为沿谐振管2b指向气库3b，软磁体1b的轴向也是沿谐振管2b指向气库3b的方向，使声波的传播方向与软磁体轴向重合，有效避免了图1示出的热声热磁发电机在设计中的不足。但是，在该热声驱动的热磁发电系统中，热声发动机中的回热器4b与热磁发电装置中的软磁体1b分置在声功传播路径的不同位置，使得该热声驱动的热磁发电系统结构复杂且不够紧凑。此外，由于热磁发电机采用液体振子与软磁体换热，因液体振子的质量惯性较大，使得热声系统运行起来振动较大，同时系统的阻尼也较大，容易出现“消振”的现象，导致热声发动机停止运行，进而影响整个热磁发电系统的运行。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有的热声驱动的热磁发电系统结构复杂的技术问题，提供了一种结构紧凑、系统阻尼较小、使用寿命长的驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统。

为达到上述目的，本发明提供了一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统，包括：一台驻波型热声发动机和安装于驻波型热声发动机中设置的软磁板叠处的热磁发电机。所述软磁板叠是该驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统的核心部件，由若干软磁材料片平行叠摞而成的结构，该软磁板叠沿径向设置于热磁发电机的磁回路上，其轴向与热声发动机产生的声波的传播方向重合；所述的驻波型热声发动机通过软磁板叠产生热声效应，用于驱动气体工质往复振荡，所述的热磁发电机通过软磁板叠产生热磁效应，使得软磁板叠自身的磁导率发生周期性变化，进而使得磁回路中的磁阻发生周期性变化。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的驻波型热声发动机用于产生往复交变的振荡气流，该驻波型热声发动机穿设于磁回路的一端，包括沿磁回路内至外依次连通的热腔、高温换热器、软磁板叠、室温换热器以及谐振管，所述热腔和谐振管的末端封闭。

作为上述技术方案的进一步改进，所述谐振管的末端连接有气库。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的谐振管呈锥形或截面沿轴向任意变化的结构。

作为上述技术方案的进一步改进，所述软磁板叠沿声功传播方向分成多段，各段软磁材料片的居里温度不同，从高温换热器到室温换热器之间的各段软磁材料片的居里温度沿声功传播方向呈阶梯下降趋势，且各段软磁材料片的居里温度均小于高温换热器的温度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述热磁发电装置利用往复交变的振荡气流将所述驻波型热声发动机高温换热器的低品位热能转化为电能输出，该热磁发电机包括：软磁板叠、上弓形导磁体、下弓形导磁体、永磁体和绕设在导磁体外部的线圈；所述的软磁板叠、上弓形导磁体、下弓形导磁体和永磁体构成磁回路。

作为上述技术方案的进一步改进，所述永磁体为磁能积较大的汝铁硼或工作温度较高的钐钴磁体，或为电磁铁。

作为上述技术方案的进一步改进，所述软磁材料片材质为铁及铁系合金或坡莫合金或铁氧体化合物或非晶态金属玻璃。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驻波型热声发动机的气体工质为氦气或氮气或二氧化碳等具有低Pr数的气体工质。

作为上述技术方案的进一步改进，所述软磁材料片的厚度小于等于其热穿透深度，该软磁材料片的热穿透深度计算式为其中，κ为软磁材料热导率，ρ为软磁材料密度，c_p为软磁材料定压比热容，ω＝2πf为气体运动角频率，f为系统频率。

本发明的一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统优点在于：

本发明提供的热磁发电系统将热磁发电机耦合在驻波型热声发动机的软磁板叠上，所述软磁板叠采用软磁材料加工而成，其具有双重功能，既能产生热声效应用于驱动气体工质往复振荡，也能产生热磁效应使得自身的磁导率发生周期性变化。通过软磁板叠在上述功能上的复用，使得整个系统完全没有运动部件，系统结构更为紧凑和简单，且降低了系统阻尼，有效提高了系统的使用寿命。

附图说明

图1是Oscar L提出的热声热磁发电机结构示意图。

图2是罗二仓等人提出的一种热声驱动的热磁发电系统结构示意图。

图3是本发明实施例一中的驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统结构示意图。

图4是本发明实施例二中的驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统结构示意图。

图5是本发明实施例三中的驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统结构示意图。

图6是本发明中驻波型热声发动机软磁板叠的工作原理图。

附图标记

1a、磁回路开关2a、磁场产生装置3a、线圈

4a、导波管5a、发电机定子6a、声波

1b、软磁体2b、谐振管3b、气库

4b、回热器1、永磁体 2、线圈

3、上弓形导磁体 4、下弓形导磁体 5、热腔

6、高温换热器 7、软磁板叠 8、室温换热器

9、谐振管 10、气库

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统进行详细说明。

本发明提供的一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统，包括一台驻波型热声发动机和安装于所述驻波型热声发动机中设置的软磁板叠处的热磁发电机。所述驻波型热声发动机用于产生往复交变的振荡气流，所述热磁发电机利用往复交变的振荡气流将所述驻波型热声发动机中高温换热器处的低品位热能转化为电能输出。所述的软磁板叠由若干软磁材料片平行叠摞而成，该软磁板叠沿径向设置于热磁发电机的磁回路上，其轴向与热声发动机产生的声波的传播方向重合。

所述的软磁材料片是指容易反复磁化，在外磁场不存在时易于退磁的材料。所述的软磁材料片可采用铁及铁系合金或坡莫合金或铁氧体化合物或非晶态金属玻璃制成。根据热磁现象，当软磁材料片温度在居里温度之下时，软磁材料片呈现磁导率很大的铁磁性，此时所述磁回路中的磁阻减小，环绕磁回路上的线圈中的磁通量增加；当软磁材料片温度在居里温度之上时，软磁材料片呈现磁导率很小的顺磁性，此时所述磁回路中的磁阻增大，线圈中的磁通量减少。随着线圈中磁通量发生变化，进而使得线圈感应产生电流。

实施例一

图3是本发明实施例一中提供的一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统结构示意图，该热磁发电系统包括一台驻波型热声发动机和安装于驻波型热声发动机中软磁板叠7处的热磁发电机。所述软磁板叠7是该驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统的核心部件，是指由若干软磁材料片加工而成的板叠，该软磁板叠7沿径向设置于热磁发电机的磁回路上，其轴向与热声发动机产生的声波的传播方向重合；其具有双重功能：既能产生热声效应用于驱动气体工质往复振荡，也能产生热磁效应使得自身的磁导率发生周期性变化，进而使得磁回路中的磁阻发生周期性变化。

如图3所示，在本实施例中，所述的驻波型热声发动机穿设于磁回路的一端，包括沿磁回路内至外依次连通的热腔5、高温换热器6、软磁板叠7、室温换热器8及谐振管9，所述热腔5和谐振管9的末端封闭。所述热磁发电机利用驻波型热声发动机产生的往复交变的振荡气流，将驻波型热声发动机中高温换热器6的低品位热能转化为电能输出，该热磁发电机包括：软磁板叠7、上弓形导磁体3、永磁体1、下弓形导磁体4和绕设在导磁体外部的线圈2。所述的软磁板叠7、上弓形导磁体3、下弓形导磁体4和永磁体1构成磁回路。基于上述结构的热磁发电系统，所述永磁体1可为汝铁硼或钐钴磁体或电磁铁。

需要说明的是，软磁板叠7可为软磁材料片叠摞而成的平行平板结构或柱状结构，采用线切割、电化学腐蚀等加工方法制作而成。为保证气体和软磁材料片间良好的热接触，软磁板叠中气体流道的水力直径应当小于气体工质在热磁发电系统工作频率下的热穿透深度。所述驻波型热声发动机的气体工质可为氦气或氮气或二氧化碳。

所述的水力直径是指非圆形截面槽道流动中，常取一个合适的特征长度来计算其雷诺数，该特征长度即为水力直径。水力直径的常用表达式是：4A/P，即四倍的流道横截面面积A除以润湿周长P。

为避免增加无效热容和减小软磁体回热器轴向导热，软磁材料片厚度应等于或小于其自身热穿透深度，软磁体材料热穿透深度计算式为其中κ为软磁材料热导率，ρ为软磁材料密度，c_p为软磁材料定压比热容，ω＝2πf为气体运动角频率，f为系统频率。所述的系统频率指热磁发电系统在单位时间内完成循环的次数。

在本实例中，所述的软磁板叠7沿声功传播方向分成多段，各段软磁材料片的居里温度不同，从高温换热器6到室温换热器8之间的各段软磁材料片的居里温度沿声功传播方向呈阶梯下降趋势，即靠近高温换热器6的软磁材料片的居里点逐渐升高，而靠近室温换热器8的软磁材料片居里点逐渐降低。各段软磁材料片的居里温度均小于高温换热器6的温度。

另外，在本实施例中，所述的驻波型热声发动机设计为半波长驻波热声发动机。在一段谐振管(或称之为声波导管)的两端都予以刚性材料封闭，该封闭端在谐振振荡时只能够表现为声压的波腹(速度的波节)。声场分布以驻波态为主，当基频振荡时谐振器呈现接近半波长特征，从而设计成为半波长驻波热声发动机。

下面具体说明本实施例中提供的驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统的工作过程：

所述驻波型热声发动机的高温换热器6吸收外界高温热源热量形成高温端，所述外界高温热源可为太阳能集热器采集的热能、工业废热、燃料燃烧热、生物质能、地热能等低品位热源。所述室温换热器8与循环冷却水换热形成室温端，从而在软磁板叠7上形成温度梯度，当温度梯度超过临界温度梯度时，在该温度梯度条件下，驻波型热声发动机开始工作，使得气体开始自激振荡将热能转换为声功。软磁板叠是气体自激起振的工作器件，其工作原理如图6所示，其原理是：假设气体微团B夹在软磁材料片之间并围绕平衡位置2作来回振荡，两侧的极限位置分别是1和3。微团在从1到3和从3到1的过程中分别经历绝热膨胀和压缩过程，微团只有在极限位置1和3处才维持定压状态并与软磁材料片发生换热达到热平衡。软磁材料片在循环开始时存在横向的温度梯度，且温度从左向右逐渐降低，在实际当中这样的温度梯度是通过高温换热器吸收外界高温热源热量实现。首先，微团B在位置3处与软磁材料片达到热平衡T_s,3；当压力升高时，它向左端运动并经过平衡位置2向位置1运动，此过程中它与软磁材料片之间无换热发生，即绝热过程；当它运动到位置1时，如果位置1，3之间软磁材料片温差大于气团由于绝热压缩造成的温度变化，微团B将从固体壁面吸热Q₁，温度升高至T_s,1并对外膨胀；然后微团的压力下降并开始返回，经过平衡位置2向位置3运动，此过程中它与软磁材料片之间无换热发生，即绝热膨胀过程；当它运动到位置3时，它的温度仍高于对应位置的软磁材料片温度T_s,3，于是它向软磁材料片放热Q₃，并导致温度下降至T_s,3。这一过程中热能被转换为声功。单个气团位移相对于软磁板叠的横向长度非常小，驻波热声发动机软磁板叠中热量到声功的转换是通过无数个气团通过类似接力作用实现的。

当气体在软磁板叠7内由左向右(从高温换热器6向室温换热器8)流动时，气体向软磁材料片放出热量，软磁板叠7中的软磁材料片被加热，当软磁材料片温度高于材料居里温度T_C时，软磁材料片呈现磁导率很小的顺磁性，磁回路中的磁阻增大，此时穿过线圈2中的磁通量减少。当气体在软磁板叠7内由右向左(从室温换热器8向高温换热器6)流动时，气体从软磁材料片吸收热量，软磁板叠7中的软磁材料片被冷却，软磁材料片温度低于其居里温度T_C，软磁材料片呈现磁导率很大的铁磁性，磁回路中的磁阻减小，此时穿过线圈2中的磁通量增加。于是，在一个振荡周期内，线圈2中的磁通量发生一次往复变化，根据法拉第电磁感应原理，线圈2上会产生感应电动势输出交流电。

通过上述系统工作过程的表述可以看出，在本实施例提供的驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统中，没有添加任何的机械运动部件，系统结构简单，与图2中示出的热磁发电系统结构相比，本发明的系统结构更为紧凑，系统阻尼较小，使用寿命更长。

实施例二

图4是本发明实施例二中提供的一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统结构示意图，包括一台驻波型热声发动机和安装于驻波型热声发动机中软磁板叠7处的热磁发电机。在本实施例中，该驻波型热声发动机设计为四分之一波长驻波热声发动机，用于产生往复交变的振荡气流，其包括：热腔5、高温换热器6、软磁板叠7、室温换热器8、谐振管9及气库10。所述热磁发电机利用往复交变的振荡气流将驻波型热声发动机中高温换热器6的低品位热能转化为电能输出，包括：软磁板叠7、上弓形导磁体3、永磁体1、下弓形导磁体4和绕设在导磁体外部的线圈2。

本实施例中提供的热磁发电系统与实施例一提供的系统结构和原理基本相同，区别点在于：为了降低谐振管9固壁上的声能损失，并更大程度地缩小驻波型热声发动机的尺寸，所述热声发动机由原来的半波长驻波热声发动机改为四分之一波长驻波热声发动机，同时在谐振管9的一侧端口处还设置有一气库10。

本实施例中的谐振管9一端封闭、一端开口(或连接有限大谐振腔)，封闭端接近谐振振荡的声压波腹，开口端接近振荡速度的波腹，当基频振荡时谐振器呈现接近四分之一波长的特征，从而设计成为四分之一波长驻波热声发动机。

由于所有损失能量与谐振管管壁表面积成比例，一个四分之一波长的谐振管损失的能量只有半波长的谐振管的一半，从而降低了能量的损失。而且四分之一波长谐振管能够使整机的尺寸更加缩减，从而进一步缩小了驻波型热声发动机的尺寸。

实施例三

图5是本发明实施例三中提供的一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统结构示意图，包括一台驻波型热声发动机和安装于驻波型热声发动机中软磁板叠7处的热磁发电机。在本实施例中，该驻波型热声发动机为半波长驻波热声发动机，用于产生往复交变的振荡气流，包括：热腔5、高温换热器6、软磁板叠7、室温换热器8及谐振管9。所述热磁发电机利用往复交变的振荡气流将驻波型热声发动机中高温换热器6的低品位热能转化为电能输出，包括：软磁板叠7、上弓形导磁体3、永磁体1、下弓形导磁体4和绕设在导磁体外部的线圈2。

本实施例中提供的热磁发电系统与实施例一提供的系统结构和原理基本相同，区别点在于：为了降低谐振管9固壁上的声能损失，提高热声发动机压比，所述谐振管9改为锥形或截面沿轴向任意变化的谐振管。由于将谐振管设计为锥形或截面沿轴向任意变化的结构后，减小了谐振管中的粘性损失，抑制了谐振管中的激波，因而相对于实施例一中的等直径谐振管，本实施例中的室温换热器8出口处的压比可以得到显著提高。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。