熱聲熱泵的制作方法

本發明涉及熱聲裝置，具體地，涉及熱聲熱泵。

背景技術：

熱聲裝置用于將聲能轉換成熱能，反之亦然。例如，從us5,647,216中得知這樣的熱聲裝置。

該熱聲裝置被配置成將管子或容器用作其中設置有熱力學區段的諧振器空腔。熱力學區段包括聲學網絡。該網絡的中心是熱聲核心，所述熱聲核心包括回熱器和兩個熱交換器。熱交換器位于回熱器的外端并且各自被配置成在相應的外部流體流與回熱器之間交換熱量。聲學驅動器位于容器中，距回熱器一定距離。

由聲學驅動器以聲波的形式傳遞到熱泵的聲功率在回熱器上產生溫差，從而導致一端的一個熱交換器中的流體流冷卻而另一端的另一熱交換器中的流體流加熱。通過這種方式，熱聲裝置充當用于將熱量從低溫泵送到高溫的熱聲熱泵(tahp(thermo-acousticheatpump))。

tahp的設計當前限于相對低的熱功率應用，這是因為缺乏具有足夠高的聲輸出功率的合適的驅動器。不利的是，許多工業應用需要大量的工藝用熱，而這是當前的tahp裝置無法提供的。

從us5,647,216中得知一種熱聲裝置，該熱聲裝置充當熱聲制冷機，其包括半波長諧振器、位于所述諧振器的第一端和第二端并在殼體中的第一驅動器和第二驅動器、兩個推進器圓錐、多個熱交換器、第一堆疊和第二堆疊，利用能夠調到驅動器諧振頻率的可壓縮氣體混合物。推進器圓錐由音圈(揚聲器)驅動并且充當耦合聲源，所述聲源以180度相對相移在揚聲器中生成聲波。這種tahp的輸出功率由音圈所生成的聲場的強度限制。揚聲器的電聲效率受限，構造不夠穩健到足以產生較高聲壓，并且揚聲器無法放大到高功率(例如，在mw范圍內)。

jp2008051408公開一種脈沖管制冷機，其包括：包括第一貯冷裝置的第一制冷部分、具有第一高溫端和第一低溫端的第一脈沖管、第一通道控制構件以及第一緩沖罐，它們相繼地連接到振動發生器；包括第一貯冷裝置和第二貯冷裝置的第二制冷部分、具有第二高溫端和第二低溫端的第二脈沖管、第二通道控制構件以及第二緩沖罐，它們相繼地連接到振動發生器的高壓通道和低壓通道；第一通道，其連接第一貯冷裝置和振動發生器；第二通道，其連接第一通道控制構件和第一脈沖管；以及第三通道，其連接第二通道控制構件和第二脈沖管，其中脈沖管制冷機還包括連接相應通道和通道的旁路通道、設在旁路通道中的缸，以及在缸的軸向長度方向上往復運動的置換器。

de4220840公開一種脈沖管制冷機系統，其包括用于壓縮工作流體的壓縮機容積、聯接到壓縮機容積并且被布置成散發熱量的散熱器，以及與散熱器聯接的回熱器。

ep2781856涉及雙功能熱驅動行波熱聲制冷系統，并且公開一種熱啟動式雙作用行波熱聲制冷系統，其包括：至少三個基本單元，其中每個基本單元包括熱聲發動機、熱聲制冷機和諧振裝置；熱聲發動機和熱聲制冷機依次包括主熱交換器、回熱器、非常溫熱交換器、熱緩沖管和輔助熱交換器；諧振裝置包括密封殼體，其中它配備有進行往復運動的移動部分，其中移動部分將殼體分成至少兩個腔室；每個熱聲發動機和熱聲制冷機的主熱交換器和輔助熱交換器分別連接到不同殼體的腔室，從而形成氣體介質流的雙回路結構。在對熱聲發動機的非常溫熱交換器進行加熱以產生聲功率時，熱聲發動機和熱聲制冷機的內部會產生熱聲能量轉換。本發明的目標是克服現有技術的一個或多個缺點。

技術實現要素：

由通過聲波來轉移能量的熱聲裝置來實現所述目標，該熱聲裝置包括：-聲源，其用于生成聲波；-熱力學區段，其形成聲學網絡并且包括順應性容積、熱聲核心和流體慣性；熱力學區段與聲源相鄰；熱聲核心位于熱力學區段中并且包括冷端區段、熱端區段和回熱器，回熱器置于熱端區段與冷端區段之間，其中聲源包括用于產生壓力波的往復活塞式壓縮機，該壓縮機被布置成機械雙作用往復活塞式壓縮機，其具有--用于在活塞的一側上生成的壓力波的第一出口，和--用于在活塞的另一側上生成的壓力波的第二出口；熱力學區段分成第一熱力學子區段和第二熱力學子區段；第一出口與第一熱力學子區段流體連通，并且第二出口與第二熱力學子區段流體連通。

通過使用這樣的機械壓縮機，本發明實現：聲學驅動器可以生成比揚聲器或線性電動機可產生的聲波高的相對高輸出功率電平的聲波，從而有助于熱泵的高功率輸出。通過這種方式，可以在比到目前為止可實現功率范圍的更大的功率范圍上開發熱聲熱泵。此外，使用被配置成給兩個熱聲核心供給動力的雙作用機械壓縮機會改善tahp的熱輸出。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中第一熱力學子區段是熱力學區段的第一部分，其中第一部分聯接到第一出口，并且第二熱力學子區段是同一熱力學區段的第二部分，其中第二部分聯接到第二出口。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中第一熱力學子區段是聯接到第一出口的第一熱聲裝置，并且第二熱力學子區段是聯接到第二出口的第二熱聲裝置。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中第一熱力學子區段包括第一熱聲核心部分，并且第二熱力學子區段包括第二熱聲核心部分，使得第一出口與第一熱聲核心部分流體連通，并且第二出口與第二熱聲核心部分流體連通。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中雙作用往復活塞式壓縮機被配置成用于生成頻率在10到30hz范圍內的聲波。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中雙作用往復活塞式壓縮機被配置成用于生成壓力振幅在1到10bar范圍內的聲波。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中熱聲裝置的系統壓力在約20到約100atm的范圍內。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中雙作用往復活塞驅動式壓縮機具有在約50與約1000kw之間的每活塞聲功率輸入。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中冷端區段和熱端區段各自在熱力學區段的第一部分和熱力學區段的第二部分中延伸，回熱器包括聲學網絡的第一部分中的第一回熱器和聲學網絡的第二部分中的第二回熱器。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中熱聲核心包括熱力學區段的第一部分中的第一熱聲核心和熱力學區段的第二部分中的第二熱聲核心，第一熱聲核心和第二熱聲核心中的每個包括冷端、熱端和回熱器。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中第一熱聲核心與第二熱聲核心串聯熱聯接。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中第一熱聲核心與第二熱聲核心并聯熱聯接。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中熱力學區段包括縱長分隔件，所述縱長分隔件形成第一部分和第二部分。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中每個所述部分包括與所述部分中的熱聲核心的部分相鄰的旁路通道。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中每個熱力學子區段與相應的諧振器區段聯接，并且熱力學子區段位于諧振器區段與聲源之間。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中諧振器區段包括聲學諧振器。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中諧振器區段包括作為機械諧振器的質點彈簧布置。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，該熱聲裝置包括諧振器區段，其中諧振器區段是封閉空腔，所述封閉空腔相對于聲源而位于熱力學區段之后，其中熱力學區段在聲源與順應性容積的中間。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中熱力學區段布置在封閉空腔中，所述封閉空腔相對于聲源而位于熱力學區段之后，其中熱力學區段在聲源與順應性容積的中間。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，該熱聲裝置包括其中設置有兩個熱力學子區段的封閉容積，每個熱力學子區段具有相應的熱聲核心區段和順應性容積，熱力學子區段由分隔壁在封閉容積中形成。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中該裝置被配置成加熱和/或冷卻裝置。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲裝置，其中通過將活塞作為驅動元件聯接到發電機而將該裝置配置成發電裝置的一部分，以產生電力。

根據一方面，本發明提供熱聲系統，該熱聲系統包括至少一個如上文所述的熱聲裝置。

根據一方面，本發明提供如上文所述的熱聲系統，其中機械雙作用往復活塞式壓縮機是具有多個雙作用活塞的往復多活塞式壓縮機，其中通過將相應活塞的第一輸出和第二輸出聯接到相關聯的聲源裝置的第一入口和第二入口，每個活塞充當相關聯的聲源裝置的聲源。

從屬權利要求進一步限定有利的實施例。

附圖說明

下文將參考附圖更詳細地說明本發明，附圖中示出本發明的實施例。附圖用于說明性目的，而不限制本發明的保護范圍。本發明由所附權利要求書的主旨限定。

在附圖中，

圖1示意性地示出根據現有技術的熱聲裝置；

圖2示意性地示出根據本發明的實施例的熱聲裝置；

圖3示意性地示出根據本發明的實施例的熱聲裝置；

圖4示意性地示出根據本發明的熱聲裝置；

圖5示意性地示出根據本發明的熱聲裝置；

圖6示意性地示出根據本發明的熱聲裝置；以及

圖7示出根據本發明的多個熱聲裝置的布置。

在每個圖中，具有相同參考編號的實體是指對應的實體。應理解，除非另有描述，否則此類實體基本上相同或等效。

具體實施方式

圖1示意性地示出根據現有技術的熱聲裝置100。

熱聲裝置100包括諧振器區段110、熱力學區段120以及聲源130。熱力學區段120通常布置在諧振器區段110與聲源130的中間。本領域技術人員將了解，圖1中只示出了諧振器區段110的入口。

根據現有技術，聲源130通常包括揚聲器或線性電動機。

熱力學區段120包括順應性容積140(順應性c)、熱聲核心(流體阻力r)150以及流體慣性160(慣性l)。順應性容積140、熱聲核心150以及流體慣性160形成聲學電路(rlc)，所述聲學電路被配置成在使用期間形成需要在斯特林循環(stirlingcycle)中操作的聲波的行波相位。

熱聲核心包括置于兩個熱交換器hx1、hx2之間的回熱器151。回熱器151是熱聲裝置100中發生熱聲熱泵效應(如上文所述)的位置。

兩個熱交換器hx1、hx2(冷和熱)是分別與外部熱源和散熱器(均未示出)交換熱量所必需的。可選地，熱力學區段120包括第一熱緩沖區tbz。第一熱緩沖區tbz位于熱聲核心150與諧振器區段110之間。第一熱緩沖區tbz中的氣柱為面對諧振器的熱交換器hx1提供熱絕緣。應注意，第二熱緩沖區可以布置在另一熱交換器hx2與順應性容積140之間。

此外，第一熱緩沖區和第二熱緩沖區tbz可選地包括位于它們遠端的周圍環境熱交換器ahx，以攔截從第一熱緩沖區和第二熱緩沖區tbz泄漏的熱量。

圖2示出根據本發明的實施例的熱聲裝置1。熱聲裝置1包括熱力學區段，該熱力學區段被分隔壁16分成第一熱力學區段部分或子區段120a和第二熱力學區段部分或子區段120b，該第一熱力學子區段120a和第二熱力學子區段120b在聲源10與諧振器區段110的入口之間彼此平行地延伸。

第一熱力學子區段120a包括熱聲核心部分150a，該熱聲核心部分150a具有置于兩個熱交換器之間的回熱器。類似地，第二熱力學子區段120b包括第二熱聲核心部分150b，該第二熱聲核心部分150b具有置于兩個熱交換器之間的回熱器。在此實施例中，每個熱交換器(hx1和/或hx2)可以布置成在第一熱力學子區段和第二熱力學子區段中延伸的一個熱交換器，或者布置成相應熱力學子區段內的單獨熱交換器。如果是第一熱力學子區段和第二熱力學子區段的每一個中具有單獨熱交換器的情況，則這些熱交換器可以串聯連接或并聯連接。

聲源10通過第一入口12聯接到第一熱力學子區段120a并且通過第二入口14聯接到第二熱力學子區段120b。

根據本發明，聲源10包括具有活塞18的往復活塞式壓縮機，其中活塞18用于產生壓力波以作為聲波。

聲源10布置成機械雙作用往復活塞驅動式壓縮機，其具有用于由活塞的一側(即，在第一沖程方向上)生成的壓力波的第一出口和用于由活塞的另一側(即，在相反的第二沖程方向上)生成的壓力波的第二出口。

沖程方向基本上垂直于熱聲裝置1的主軸，所述主軸經由熱聲核心從聲源延伸到諧振器區段(對于每個熱力學區段)。

第一出口與熱聲裝置1的第一入口12流體連通，第二出口與熱聲裝置1的第二入口14流體連通。

使用機械活塞式氣體壓縮機允許產生高強度的聲波，從而允許熱泵可以處理較大的熱流。壓縮機可以處理較大的氣體掃掠體積(gassweepvolume)并且在較大功率范圍上可通過商業得到。

此外，通過使用雙作用模式下的壓縮機，與具有類似孔和沖程的單作用壓縮機相比，所述壓縮機的輸出功率加倍。為了利用兩個沖程方向上的壓力波，第一熱力學子區段120a聯接到壓縮機的一個出口并且由對應的活塞面在一個沖程方向上生成的壓力波驅動。第二熱力學子區段120b聯接到壓縮機的另一出口，因而由第二活塞面在相反沖程方向上生成的壓力波驅動。

圖3在聲學上類似于圖2所示的布置，具有兩個分開的熱力學子區段。兩個熱力學子區段借助于中間熱交換器hx3進行串聯熱聯接，而在圖2所示的實施例中，使用兩個熱力學部分的并聯熱聯接。

圖4示意性地示出根據本發明的實施例的熱聲裝置布置3。

在此實施例中，熱聲裝置布置包括第一熱聲裝置td1和第二熱聲裝置td2。

機械雙作用往復活塞式壓縮機的聲源10分別借助于第一入口12和第二入口14聯接到第一熱聲裝置td1和第二熱聲裝置td2。

每個熱聲裝置td1、td2配備有已經參考圖1說明的相應熱力學子區段250、350和諧振器210、310。應注意，只示出諧振器區段的入口，諧振器區段由虛線輪廓示意性地示出。

在另一實施例中，兩個熱聲裝置td1、td2的諧振器210、310可以進行聯接以形成封閉的諧振器環路。

圖5示意性地示出根據本發明的熱聲裝置4。

在此實施例中，熱聲裝置4包括封閉容積30，其中放置了具有相應熱聲核心區段150a、150b和相應順應性容積140a、140b的兩個熱力學子區段250和350。熱力學子區段已經由分隔壁16形成。壓縮機10的缸分別聯接到熱力學子區段250和350的第一入口12和第二入口14，使得活塞18的一側被布置成在第一入口12處提供壓力波并且活塞18的另一側被布置成在第二入口14處提供壓力波。

壓縮機通過以給定的頻率周期性地壓縮和擴張氣體而在熱力學子區段250和350中生成壓力波動。換言之，壓縮機的往復活塞起機械諧振器的作用，即，取代諧振器。

圖6示意性地示出根據本發明的熱聲裝置7，其類似于參考圖5描述的實施例。

熱聲裝置包括被布置成具有朝向/離開熱聲核心的往復運動的往復活塞，所述往復運動與主軸平行，即，活塞的一側平行于熱聲核心的主軸方向。

圖7示出根據本發明的多個熱聲裝置td1、td2、td3、td4的布置6。

根據實施例，機械雙作用往復活塞驅動式壓縮機20是多活塞往復式壓縮機。活塞21、22、23、24中的每個用作可以根據任一上述實施例構建的一個熱聲裝置td1、td2、td3、td4的聲源。

通過這種方式，形成具有隨著缸的數量而線性縮放的較高熱輸出功率的多熱泵系統。

當需要大量的工藝用熱并且壓縮機一般是多缸體系統時，這對工業應用有利。大型多缸體壓縮機可以用來給多熱泵系統供給動力，以在高溫下生成較高熱功率。大型多缸體壓縮機比針對每個熱泵使用單獨的較小壓縮機便宜。此外，壓縮機的控制設備將更便宜，這是因為如果只使用一個大型多缸體壓縮機，則將只需要一個控制設備。使用多缸體系統的另一優點是具有機械平衡系統，以最小化系統所產生的振動和噪聲。

應了解，在上文中，諧振器可以是聲學諧振器(λ、λ/2、λ/4等)，但它也可以是由質點彈簧振蕩器(mass-springoscillator)構成的機械諧振器。

機械雙作用往復活塞驅動式壓縮機可以由任何類型的驅動機構驅動，諸如，電動機、內燃機或渦輪機。

此外，熱聲裝置可以通過將活塞作為驅動元件聯接到發電機而用作發電裝置，以產生電力。在此實施例中，熱泵被從熱量中產生聲波以驅動活塞的熱聲發動機取代。因此，活塞驅動發電機。

盡管已經描述了本發明的具體實施例，但應理解，所述實施例并不意圖限制本發明。本發明可以體現任何替代、更改或等效物。本發明意圖被解釋為包括所附權利要求書的范圍內的所有此類更改和改變。