[发明专利]具有传输管道的热声换能器装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种热声换能器，更具体地，涉及一种用于在热能和机械能之间进行转换的热声换能器。

背景技术

热声换能器(transducer)可以配置为作为接收热能的热机而运行，并且换能器将热能转化为机械能，例如用以驱动发电机。此外，热声换能器配置为作为接收机械能的热泵而运行，并且换能器将机械能转化为热能，从较低温度至较高温度转变。

热声换能器可以使用可移位的隔板以产生可用的能量密度和运行效率以实现斯特林循环(Stirling cycle)。当其配置为热机时，可通过增加换能器的热侧和冷侧之间的温差以实现效率的增加。但是，这样的温度升高可能需要构建更复杂的结构体系和/或使用特殊的高温材料。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种热声换能器装置。所述装置包括含机械转换器，用于在声能和机械能之间进行可操作的能量转换。所述机械转换器包括至少一个用于在机械转换器中内确定压缩室和膨胀室的隔板，所述至少一个隔板具有隔板表面积。所述装置还包括具有流路的热转换器，该流路包括经热耦合的回热器部，用以在声能和热能之间进行能量转换，所述回热器部具有回热器流动面积。所述机械转换器，通过传输管道分别在压缩室和流路之间延伸，以及在膨胀室和流路之间延伸，与热转换器中的流路进行流体连通。所述传输管道分别在压缩室和流路间以及在膨胀室和流路间延伸，所述传输管道通过在压缩室和膨胀室之间的流路完成声能循环。所述声能循环具有包含工作气体的工作提及，并且可操作的用以于辅助在该压缩室和该膨胀室之间的声能流动的工作。所述传输管道的截面面积小于所述回热器流动面积。所述回热器流动面积小于所述隔板表面积。所述至少一个隔板可操作地承受弹性位移从而引起工作体积内的压力振荡，并且其中所述声能循环用于使沿着该声能循环的至少一个位置上的压力振荡与机械转换器中的压力振荡具有反相位关系。

所述的热转换器的流路包括多个用于平行流动的回热器部，并且所述回热器流动面积包括与多个回热器部相关的总面积。

所述机械转换器包括多个平行配置的机械转换器，并且所述隔板表面积包括与多个所述机械转换器相关的隔板的总的隔板表面积。

所述传输管道的第一截面面积小于隔板表面积至少约10倍。

在所述压缩室和所述流路之间的传输管道包括第一截面面积，并且在所述膨胀室和所述流路之间的传输管道包括第二截面面积，且所述第一截面面积小于所述第二截面面积。

选择所述各传输管道的长度从而引起在压缩室中的压力振荡和膨胀室中的压力振荡之间的约360度的相变。

选择所述各传输管道的长度从而引起在压缩室中的压力振荡和膨胀室中的压力振荡之间约360度的初始相变；以及在压缩室中的压力振荡和膨胀室中的压力振荡之间有至少一个额外的约360度的相变，以至于通过声能循环的总体相变与初始相变具有相同的效果。

所述装置还包括连接至所述至少一个隔板的机械弹簧，并且在共振频率上发生所述弹性位移，所述共振频率部分取决于作用在所述至少一个隔板上的总刚度，该总刚度包括至少一个隔板刚度、一个由于工作气体作用于所述至少一个隔板上的气体刚度、以及与所述机械弹簧相关的机械弹簧刚度，并且对与机械弹簧刚度相关的所述总刚度的贡献包括总刚度的至少一半。

所述传输管道中的温度变化会导致声能循环中与声能流动相关联的声速的改变，并且传输管道各自的长度被配置为以使气体刚度和机械弹簧刚度各自在总刚度中的比例使得由声速的改变至少部分地被相应的共振频率的改变所抵消，以至于由声速改变而引起的在压缩室中的压力振荡和膨胀室中的压力振荡之间的相变至少部分地被补偿。

所述机械转换器封装在压力容器中，并且所述至少一个隔板连接至外部能源系统用于在外部能源系统和所述至少一个隔板之间传递机械能，所述外部能源系统置于压力容器的外部，并且所述共振频率还取决于至少包括至少一个隔板的质量以及与外部能源系统的连接相关的外部质量的总质量，并且所述外部质量大于所述隔板质量。

所述外部能源系统包括以下其中之一，发电机和原动机。

所述机械弹簧包括连接在所述至少一个隔板和所述压缩室，以及所述膨胀室之一的腔室壁之间的弹性壁部，所述弹性壁部是可操作的密封所述腔室中的工作气体，同时辅助所述至少一个隔板的弹性位移。

所述弹性壁部包括在所述至少一个隔片和腔室壁之间延伸的圆柱形管，所述管用于大致沿所述管的圆柱轴的方向发生弹性变形。