專利名稱：緊湊的熱聲陣列能量轉換器的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及用于諧振器中將熱轉換為聲音時生成電的系統和方法。更具體 地，本發明涉及最小化設備中將熱轉換為聲音時直接生成電的系統和方法，該最小化設備 是緊湊的、輕的，并能夠處理高功率密度。
背景技術：
將熱轉換為聲音的概念已公知超過兩百年了。例如，在“唱歌管(singingpipe) ” 中，熱施加于諧振管的封閉端，該諧振管在其管內具有金屬網眼，且在諧振管的加熱端附近 具有“熱”端，在離熱源更遠處具有“冷”端。術語“熱”和“冷”指它們相對于彼此的溫度。 “熱”端能夠處于室溫，其重要參數不是實際溫度，而是溫度梯度。諧振管中建立的聲駐波迫使諧振器內的工作流體(例如氣體)經歷壓縮、加熱、膨 脹、以及冷卻的循環。在此情況下，熱能轉換為聲能并維持了駐波。通過熱聲致冷器的發展，將熱轉換為聲音的工作得到了更進一步發展，熱聲致冷 器如美國專利6574968號中所公開的，其發明名稱為“HIGHFREQUENCY THERM0AC0USTIC REFRIGERATOR”，于此通過引用并入了該專利。本質上，本發明中將熱轉換為電能夠視為與 熱聲致冷器所執行的過程相反的過程。從而，代替施加能量給壓電元件以由此冷卻設備，能 量被從熱源本身吸收并轉換。早期創造熱聲能量轉換器的企圖因為各種原因而失敗了。例如，在現有技術設備 中執行了在約IOOHz操作，將低頻聲音轉換為電的處理。然而，本領域技術人員放棄了這些 處理，因為低頻處能量轉換處理的效率非常低。直接將熱轉換為電的一種現有技術處理利用永磁體和移動線圈。由于永磁體，此 處理成本高。其也是笨重的且效率隨設備頻率升高而降低，使得高頻操作不現實。該設備 本身還能引起與附近磁敏感設備的磁干擾，排除了在某些環境中的使用。為了使得熱聲能量轉換處理實用，期望在高頻操作這些設備。高頻能夠導致機電 變換器的更有效的操作，機電變換器諸如是待用于本發明中將聲能轉換為電的壓電元件。在高頻操作的另一優點來自與現有技術熱聲設備的比較，與半導體設備和生物樣 品相比，現有技術熱聲設備相對較大。從而，使得熱聲能量轉換器足夠小以能夠用于該設備 和樣品是另一優點。處理現有技術的缺點的企圖導致了本設備，諸如名稱為“HighFrequency Thermoacoustic Energy Converter”、國際公開號為W003/049491的公開的國際專利申請 中所公開的，于此通過引用將其全部并入。該設備通過以下方式處理其它現有技術設備的 問題使用也用作機電變換器的外殼的諧振器、由熱導率差的材料構成的無規光纖形成的4疊層、和設置于該疊層的相對側上的由熱導率好的材料構成的熱交換器對。然而，系統的正 反饋是不期望的，且從而減少了生成的電。電子設備和機器生成廢熱，這限制了它們的性能和效率。對該熱的熱管理和將其 轉換為電功率將提升它們的輸出，并同時提供可再生能量的重要源。以簡單、有效和高功率 密度設備實現該目的將有助于提供對當前能量問題的解決方案。該方法的效果將由設備的 性質確定，取決于它們處理來自廢熱的寬范圍的熱輸入的能力，并取決于它們對環境的影 響。需要解決的問題處理設備與廢熱源的連接，和將設備調整為包括緊湊電子設備并 適應寬范圍的熱源。此外，因為廢熱中的功率水平逐漸升高，所以該設備為高功率密度單元 以處理高功率水平需求是重要的。從而，存在通過從廢熱提供可再生能量來減少日益增長 的對更多能量的需求。因為存在豐富的該廢熱，所以需要有效的技術將該廢熱轉換為電。該 技術將能夠與廢熱源進行連接，將具有延長的壽命，并且其制造和實施將相對便宜。能夠處 理這些問題并處理能量轉換和熱管理的雙功能的用于寬范圍應用的系統和方法將是對現 有技術的改進。
發明內容
一種熱聲設備，包括緊湊的諧振系統，所述熱聲設備在諧振器中將熱轉換為聲音 并以能夠用于給其它電系統供電的水平將所述聲音直接變換為電。施加于所述諧振器的一 端的熱建立聲波，該聲波通過腔耦合至聲-電轉換器，諸如壓電單晶能量轉換器。音頻或超 聲頻率的電能被整流以通過電路和部件存儲。為了提高能量水平并從而提高從熱源得到的 電的產量，使用多個熱聲設備。所述熱聲設備由腔相位鎖定并耦合至單個聲-能轉換器。腔 減小每個熱聲設備中振蕩開始的溫度差，并相位鎖定它們以輸出最大能量。低開始二極管 全波整流器組被與壓電設備一起采用以提供DC輸出，以在電池或超級電容器上存儲能量。注入的熱在熱聲設備的陣列的每個聲諧振器中生成聲音，聲音然后耦合至聲室。 室中的聲音由聲-電轉換器(即，能量轉換器)轉換為電。室容許利用耦合至每個諧振器 的腔提供的附加正反饋來維持諧振器中的聲振蕩。其也相位鎖定每個熱聲設備，在每個聲 設備之間提供干涉，以輸出最大能量。聲-電轉換器直接耦合至室以從熱生成的聲音生成 最大電功率。該設備用作能量轉換器是有用的，并且也可以提供操作中產生廢熱的各種大 的和小的系統中的熱管理。根據本發明的一方面，來自熱源或廢熱的熱由熱導體耦合至每個熱聲設備的熱 側。每個熱聲設備耦合為與聲室流體連通。根據本發明的另一方面，能量轉換器安置于聲室的遠端。根據本發明的另一方面，能量轉換器與聲設備諧振，導致能量轉換器的最大電能 輸出。根據本發明的另一方面，壓電元件形式的單個能量轉換器用于收集來自多個聲單 元的聲能，從而給本發明的能量轉換系統的體積提供了相當大的減小。根據本發明的另一方面，通過高效整流器將音頻或超聲頻率的能量改變為DC電 并存儲在電池或超級電容器中。根據本發明的另一方面，超級電容器中的電能存儲提供了具有長循環壽命的系統，以及總體比電池中的能量存儲優越的性能。根據本發明的另一方面，本發明的能量轉換系統提供于便攜式設備中。根據本發明的另一方面，多個熱聲單元形成操作于超聲波范圍的大的陣列。利用該設備，特別是陣列，以捕獲來自電子設備或機器的廢熱的方法也包括在本 發明中，其是創建該設備的方法。
本領域技術人員將理解，各附圖僅為示例目的。通過參照本發明的以下詳細描述、 所附權利要求、所附的附錄、以及數個附圖，將可以更清楚地理解本發明的性質以及本發明 的其它實施例。圖1是根據本發明的原理的熱聲能量轉換器的一個示例實施例的結構部件的透 視頂視圖和電路示意圖；圖2是根據本發明的原理的熱聲能量轉換器的另一個示例實施例的結構部件的 示意性側平面視圖和電路示意圖；圖3是根據本發明的原理的熱聲能量轉換器的另一實施例的示意性、橫截面側平 面視圖。
具體實施例方式本發明涉及與熱聲設備相關的系統和方法。本領域技術人員可以理解，于此描述 的實施例雖然示例了某些實施例，但是其不是意在限制本發明或所附權利要求的范圍。本 領域技術人員將理解，能夠不脫離本發明的范圍，對于此陳述的實施例進行各種組合和修 改。所有這些替代實施例均在本發明的范圍內。類似地，雖然附圖描繪了根據本發明的設 備和部件的示例實施例并示例了設備所基于的原理，但是它們僅是示例性的，且對于此呈 現的創新特征的任何修改視為在本發明的范圍內。基于對熱管理和將熱轉換為電的能量轉換的需求，開發了基于熱聲的高效和緊湊 的單元。在該設備中，提供了諧振聲系統、熱交換器、纖維材料的疊層、聲腔、以及電生成器， 其中熱產聲音，且在相同單元中，聲音被直接轉換為電。在典型布置中，疊層可以位于諧振器中部附近，熱交換器處于疊層的每一端。熱注 入至熱交換器附近或處于熱交換器處的諧振器的封閉端。諧振器的另一端借助于熱沉或散 熱片維持在固定較低溫度。該配置引起溫度差并因此引起沿疊層的溫度梯度。在閾值溫度 差以上，在諧振器中建立起聲振蕩。熱生成的聲振蕩的頻率由諧振器及其尺寸確定。通過 將聲腔連接至諧振器的開放端，基本減小了振蕩開始的閾值。聲-電生成器可以位于設備 內部，在腔的封閉端處。電生成器可以是單晶或雙晶配置的壓電元件。在本發明的一個實施例中，腔的封閉端可以包含電生成器。在其它實施例中，其可 以位于諧振器的封閉端。然而，在該位置，其將受到注入設備中的熱的影響。根據本發明的另一方面，能夠通過熱傳導將熱源能量耦合至設備，或者其可以是 諸如具有定向加熱的火焰或放射性同位素的能源。根據本發明的另一方面，諧振器的加熱側的熱質量應當比諧振器的固定低溫度端 的熱質量小得多。
根據本發明的另一方面，聲腔連接至諧振器，以降低跨疊層的振蕩開始的溫度差。根據本發明的另一方面，即使設備被小型化，諧振器的內部直徑也保持為大的。在 該情況下，由聲腔促進振蕩的啟動。大的諧振器直徑導致大的聲功率密度。根據本發明的 另一方面，小型化的設備導致陣列配置。圖1示出了熱聲電生成系統10，其中，在根據本發明的緊湊單元中將由燭光焰表 示的熱能12轉換成聲音，并直接轉換為電。熱12轉換成電，于是電存儲于超級電容器14 中。系統10能夠用于生成電和/或通過將熱轉換為聲音而用于對產生過量熱的設備或機 器進行熱管理。該系統10能夠用于生成廢熱12的大的或小的系統中，并且其能夠用作電 功率源。能量轉換器10包括在第一端處耦合至熱傳導元件26且在第二端耦合至聲室觀 的多個熱聲設備21-25，熱傳導元件沈諸如是金屬板。聲-能轉換器16從聲室觀內產生的聲音生成電，聲-能轉換器16可以是諸如壓 電變換器的機電變換器的形式。聲室觀限定內部聲室四，其內，聲設備21-25產生的聲音形 成并諧振。聲室總體是柱形形狀并具有與變換器16相對的端，其與每個諧振聲設備21-25 的每個開放端流體連通。從而，聲室四大于聲設備21-25的每個單獨的內部室。通過傳導 或直接接觸能量轉換器10的上部板沈將熱能12注入到系統中。提供熱沉30以幫助維持 諧振器21-25的冷側于環境溫度。為了將從能量轉換器16生成的電轉換為有用能量，將變 壓器32電耦合至能量轉換器16。提供二極管橋或橋整流器34以將交流輸入轉換為直流 輸出。電可以存儲在超級電容器14中，以給由開關38操作的燈36或一些其它電氣器具供電。現在參照圖2，示例了根據本發明的原理的熱聲能量轉換系統的另一實施例，熱聲 能量轉換系統總體由100表示。系統配置基本類似于前述系統10，但是耦合至電池101用 于存儲系統100生成的電能。如圖2中進一步示例的，每個熱聲設備102-104包括用于將諧 振器的第一端108安裝至傳導來自熱源12的熱的結構110的耦合結構106。從而，第一端 108形成每個諧振器的熱側。每個諧振器102-104還包括耦合至聲室結構116的冷側114。 利用多個熱沉117將聲室116維持在環境溫度。每個諧振器102-104的開放端118與聲腔 120流體連通。從而，從每個諧振器102-104的開放端118發出的聲波將進入聲腔120，引 起壓電驅動器122的致動，產生電。如圖3中所示例，在每個熱聲諧振器151、152和153的熱側157、158和159分別 由熱源160加熱時，根據本發明的能量轉換器150的每個諧振器151、152和153分別生成 駐波154、155和156。熱源160可以熱耦合至生成熱的其它系統(未示出)的其它結構部 件，其它系統諸如是電系統、集成電路、微處理器或產生熱的任何其它部件或系統。熱傳導 通過熱源160，通過熱耦合機構161、162和163，并進入每個諧振器151、152和153的近端， 熱源160在此情況下為金屬板160’，熱耦合機構包括利用諸如螺紋緊固件164的螺紋緊固 件連接至板160’的柱形部件。每個諧振器151、152和153中生成的駐波154、155和156可以是半波或四分之一 波，取決于每個諧振器的諧振器室151，、152，和153，的長度。每個諧振器151,152和153 包括疊層165、166和167。每個疊層，諸如疊層165，包括熱的熱交換器168、冷的熱交換器 170和設置于熱交換器168和170之間并與它們中的每一個熱接觸的疊層材料172。疊層 材料可以包括原棉、玻璃棉、鋼棉、氣凝膠、其它纖維材料，一系列穿孔的塑料板或多個縱向對準的納米管。在使用纖維疊層時，疊層165中隨機布置的纖維間的最佳間隔可以由工作 流體或氣體190的熱滲透深度確定，使得聲場能夠與疊層165的每個元件熱相互作用。疊 層165的典型體填充因子可以從約到約2%。疊層165設置于諧振器室151’內、距遠 端175 —距離處，遠端是實現跨疊層165的最大壓力梯度處。熱的熱交換器168耦合至諧振 器151的熱端并與冷的熱交換器170和冷端174隔離。冷的熱交換器170熱錨定于固定溫 度，通常為環境溫度。熱交換器168和170均可以形成為薄的網，該網有效地聲透明，但是 在疊層165的每端維持固定溫度。熱交換器168和170可以由激光構圖的銅或鋁形成。從 而熱聲能量轉換器150包括多個諧振器151、152和153，每一個具有第一封閉端157，、158， 和159，，以及第二開放端175、177和179，并限定諧振器室151，、152，和153，。疊層165設 置于諧振器室151，、152，和153，內。聲室178耦合至多個諧振器151、152和153的第二 開放端175、177和179的每一個并與它們流體連通。工作流體190設置于諧振器室151’、152’和153’內和聲室178內部。機電變換 器182耦合至聲室178并具有與工作流體190流體連通的面182’，使得諧振器151、152和 153引起的振動導致機電變換器182生成電，機電變換器182在此情況下為壓電驅動器。疊 層165具有第一側165，和第二側165”，疊層165設置于諧振器151內。在第一側165，和 第二側165”之間形成溫度梯度。熱交換器168鄰近疊層165的第一側165’設置，且熱交 換器170鄰近疊層165的第二側165”設置。聲腔或室178與諧振器151、152和153的第 二開放端175、177和179流體連通。聲腔178反射并放大聲波176的至少一部分回到諧振 器157、158和159的第一端157，、158，和159，，使得聲室178反射并放大諧振器151、152 和153生成的聲波176的至少一部分回到每個諧振器151、152和153的第一端157’、158’ 和 159，。得到的跨疊層172的溫度梯度在諧振器室151’內產生駐聲波154。工作流體190， 諸如空氣、氦、氬、它們的組合或其它已知氣體，設置于諧振器和聲室151’、152’和153’和 178內。工作流體190容許形成駐波154、155和156。從而，每個熱聲設備151、152和153包括限定熱側和冷側的兩部分。熱聲設備的 每一部分具有熱交換器，熱交換器的端鄰近疊層熱錨定。疊層165由多孔高表面積材料形 成，通過與每個熱交換器鄰接而熱錨定至每個熱交換器。疊層材料配置為能夠維持溫度梯 度。實現了沿疊層的溫度梯度，且通過向諧振器的熱側注入熱且維持諧振器的冷側于固定 溫度而維持該溫度梯度，固定溫度諸如是室溫或其它環境溫度。提供熱力熱沉186以維持 冷側于環境溫度。因為諧振器室151’的遠端175是開放的，所以從遠端175發出的聲波176能夠進 入聲腔或室178。來自每個諧振器151、152和153的聲波176在室178內組合，產生相位 鎖定的聲波180，聲波180被引導并入射至壓電變換器182上。當致動變換器182時，生成 電流，且電流通過變換器182的電引線183和184發送至如于此先前描述的電路。變換器 182總體與多個諧振器的疊層平行設置并總體與疊層同軸對準。能量轉換器150配置為操作于從中音頻范圍到超聲波范圍(例如從約2至2. 6kHz 到約MkHz和更高頻率)。在這些頻率范圍中，優點源自壓電設備的高靈敏度和它們的緊湊 性。當操作于高頻且緊湊性是個問題時(如設備的小型化中)，用于聲-電轉換的電類型的 變換器優于電磁類型的變換器，電類型的變換器諸如是壓電設備。因為熱聲設備是諧振系統，所以它們的尺寸確定諧振頻率，并且因此通過對它們進行小型化，操作頻率相應地提高 了。設備尺寸的選擇由應用和需要轉換多大功率來確定。陣列構成的單元提供處理大功率 水平的可能性，并維持緊湊性且提供輕重量系統。本發明的系統的性能由操作條件確定，主要是驅動系統的熱源施加的溫度差。熱 的量和導致的溫度差將確定功率輸出、其效率和振蕩開始。熱輸入越大，則諧振器中的聲水 平越高，導致越大的電生成。在根據本發明的熱聲設備的陣列中，熱聲設備應當“相位鎖定”。即，因為每個單獨 的熱聲設備的操作頻率可以稍微不同，所以它們導致的相位也將稍微不同，取決于振蕩開 始的初始條件。在自持振蕩中，初始相位通常是任意的。從而，陣列相位鎖定容許系統實現 最大功率輸出。通過增加本發明的聲室實現了單獨的熱聲設備的相位鎖定，其提供了所有 聲單元的同相運動的耦合。當實現該相位鎖定時，功率輸出直接取決于陣列中熱聲設備的 數量，且實現了最大功率輸出。本發明的能量轉換器是本質上沒有移動部件(諧振器和聲室中的氣體以及壓電 設備的歪曲除外)的設備。氣體可以包括空氣，但也可以是氦、氣體混合物或氬和氦，或現 有技術中已知的其它氣體。另外，可以對工作氣體增壓以用于較高功率密度。通過操作于中音頻和低超聲頻率范圍，熱聲設備相對地小且能夠容易地增壓至高 壓水平。根據本發明的原理，熱聲設備能夠增壓至諸如100個大氣壓的壓力和更高，而無與 材料強度相關的問題。諧振器151確定熱聲引擎的頻率。其通過根據沿疊層165的溫度梯度生成的聲脈 沖建立駐波M來實現。諧振器巧4在疊層165處提供保持聲振蕩的正反饋。諧振器151可 以是四分之一、半波或其它波長類型。在四分之一波長諧振器的情況下，冷端開放。因為在 諧振器151和聲室178之間在開放端處存在阻抗差異，聲波反射回到諧振器室151’中，從 而建立駐波154。數量上，駐波154由駐波比描述。隨著諧振器的直徑相對于長度增加，導 致較大量傳播分量輻射出，駐波比可以被減小。大諧振器直徑可以用于提供大的輸出，因為 生成的聲的水平取決于疊層165的橫截面面積。高駐波比可以有利于以較低溫度差用于振 蕩開始，因為反射波提供了更多正反饋。因此，寬的、短的諧振器將需要跨疊層165的大的 溫度差用于振蕩開始，除非給正反饋提供更多增益。諧振器151本質上是存儲元件，其中， 聲能被累積以用于提供正反饋并用于生成激勵電生成器182的聲音。還針對諧振器室151’ 內的疊層165的位置提供空間聲定相，以在聲產生中獲得最佳性能。此發明的設備中的僅 有的“移動部件”是工作氣體(總體由諧振器151中的疊層165的任意側的箭頭描繪)，工 作氣體以諧振器確定的聲頻率振蕩。寬諧振器的另一原因是，與諧振器內部的特征表面層內的粘滯和熱損耗相比，存 儲的聲能量大。聲腔178用于提高系統中的正反饋。在諧振器151中的駐波比低時，這是 特別重要的，在四分之一波諧振器寬但短時，會發生諧振器中的駐波比低。腔178用作反射 鏡，其能夠是非諧振的或諧振的。后一種情況可以導致至諧振器151的最高正反饋增長。理 想地，腔178應當與諧振器151處或附近的諧振一起諧振。使用聲室178的另一優點是其 品質因子“Q”可以用于增大反饋，取決于幾何結構因素。增大的來自室178的正反饋的重 要結果是用于振蕩開始的跨疊層165的臨界溫度差減小。與現有設備相比，這可以證明是 特別有用的，因為對于某些應用，僅低的溫度差是可利用的。應當理解，室178的遠端1889是設置將聲轉換為能量的電生成器182的方便位置，在此范例實施例中，電生成器是壓電 驅動器。取決于特定應用，腔178的形狀可以具有柱狀橫截面，具有錐形柱狀橫截面，類亥 姆霍茲狀或其它有利的幾何形狀。本發明的熱-電生成系統150可以并入各種方法將熱注入至熱的熱交換器168。 火焰或加熱元件能夠用作熱源。通過對熱的熱交換器168的直接加熱或通過加熱諧振器 151的熱的部分157，將熱注入系統150，熱的熱交換器168熱錨定至諧振器151的熱的部分 157。來自其它源的熱，諸如來自機械或電子設備的廢熱，能夠通過金屬熱傳導注入至熱的 熱交換器168，如圖1中所描繪的。類似地，合適的包含放射性同位素的元件可以用于將熱 注入至熱的熱交換器168，再次通過金屬熱傳導。電生成器182可以是單晶配置或雙晶配置的壓電元件。每個壓電元件(“壓電器 件”)是對電流提取提供高阻抗的電容器。電生成器182可以調諧至諧振器151的諧振以最 大化電輸出。因為電生成器182是壓敏單元，所以通過將生成器182安置在最大聲壓力的 位置能夠實現最佳性能，典型地，在室178的與熱聲諧振器151、152和153相對的遠端188。當電生成器182與聲系統150設備諧振時，可以最大化電功率輸出。通過以雙晶 模式配置生成器182，可以放大獲得的電壓，其中，連接至金屬膜的兩個壓電器件串聯連接， 該壓電器件可以是暴露于聲功率時提供最大電壓輸出的雙金屬帶。可以最小化根據本發明的系統150以用于在從約2kHz至約MkHz的頻率范圍中 的操作。用于陣列中時，就軍用功率應用來說，該系統可以配置為工作在40kHz的超聲波范 圍。通過對工作流體190增壓可以實現高功率密度。該小型熱聲能量轉換器可以在高達超 聲波范圍的頻率工作。以低溫度差閾值操作用于振蕩可以使該系統有用地用于各種應用。用于陣列中時，本發明的系統150以任何數量的應用可以是有用的。例如，該系統 可以熱連接至產生廢熱的電子或機械設備，諸如雷達系統或高功率電子設備。廢熱將驅動 系統150，并由此被轉換為電。在其它應用中，系統150的陣列可以用作便攜式電功率源。 例如，來自火焰的熱可以用于激勵該單元并使得電功率對于應用可用。該系統在緊急狀況 或戰場狀況是有用的。典型的陣列可以包括約100個系統10(圖1中所示)或系統150(圖 3中所示)可以并聯連接在熱錨定至環境溫度的冷板和在其上注入有熱的熱板之間。預期 使用1個大氣壓的空氣，該結構能提供約7. 5瓦，且20個大氣壓時約150瓦。該陣列中任 何期望的或有利數量的系統150可以被相位鎖定并共享具有單個諧振器182的單個腔178。 例如，所有100個系統可以共享單個腔，或10、20、或25的倍數的單元可以共享單個腔。為了最好理解本發明，現在將陳述關于根據本發明的設備的定量描述。典型地，跨 熱滲透深度、發生聲場中的空氣粒子和疊層的每個元件之間的熱流，該深度Sk由氣體的 熱性質和聲頻率確定。該距離定義為
權利要求
1.一種熱聲能量轉換器，用于將熱能轉換為電，包括多個諧振器，每個諧振器具有第一端、第二開放端、以及疊層，所述第一端、所述第二開 放端限定諧振器室，所述疊層設置于所述諧振器室內；聲室，耦合至所述多個諧振器的所述第二開放端中的每一個并與所述第二開放端中的 所述每一個流體連通；工作流體，設置于室內部所述諧振器室內；機電變換器，耦合至所述聲室并與所述工作流體連通，其中，所述機電變換器上所述工 作流體的振動致動所述機電變換器生成電；以及聲室，設置于所述諧振器的所述第二端，其中，所述聲室將聲波的至少一部分反射并放大回到所述諧振器中的每一個的所述第一端；由此，所述聲室將所述多個諧振器生成的聲波的至少一部分反射并放大回到所述多個 諧振器中的每一個的第一端。
2.如權利要求1所述的熱聲能量轉換器，其中，所述疊層包括第一熱交換器、第二熱交 換器，所述第一熱交換器與所述疊層的第一側相鄰設置并熱耦合至所述諧振器的熱側，所 述第二熱交換器與所述疊層的第二側相鄰設置并熱耦合至所述諧振器的冷側，所述諧振器 的所述冷側熱耦合至所述聲室。
3.如權利要求1所述的熱聲能量轉換器，還包括熱耦合機構，所述熱耦合機構耦合至 每個諧振器以將熱能從所述熱耦合機構傳遞至所述多個熱交換器，用于在每個諧振器內產 生至少一個駐波。
4.如權利要求3所述的熱聲能量轉換器，其中，所述機電變換器的面總體與所述多個 諧振器的所述疊層平行設置并與所述疊層總體同軸對準。
5.如權利要求1所述的熱聲能量轉換器，其中，所述機電變換器設置于所述聲室的一 端并與設置于所述聲室內的所述工作流體流體連通。
6.如權利要求1所述的熱聲能量轉換器，其中，每個諧振器具有總體柱狀的諧振器室、 錐形柱狀諧振器室、或類亥姆霍茲諧振器室。
7.如權利要求1所述的熱聲能量轉換器，其中，所述疊層包括選自包括原棉和玻璃棉 的材料構成的組的無規纖維疊層材料。
8.如權利要求1所述的熱聲能量轉換器，其中，所述工作流體選自包括空氣、惰性氣 體、以及惰性氣體的混合物的氣體構成的組。
9.如權利要求1所述的熱聲能量轉換器，其中，所述機電變換器包括壓電元件，所述壓 電元件能夠由頻率大于2000Hz的聲音致動，并由其生成電。
10.如權利要求9所述的熱聲能量轉換器，其中，所述壓電元件能夠由具有超聲頻率的 聲音致動，并由其生成電。
11.如權利要求1所述的熱聲能量轉換器，其中，所述熱交換器包括導熱金屬網眼。
12.—種熱聲能量生成器，包括熱耦合元件；多個熱聲諧振器，耦合至所述熱耦合元件，在受到來自所述熱耦合元件的熱能的作用 時，所述諧振器中的每一個能夠在其中生成駐波，并且每個所述諧振器具有第一封閉端和第二開放端；聲室，具有第一端，所述第一端耦合至所述多個諧振器的所述第二開放端中的每一個 并與所述第二開放端中的所述每一個流體連通，所述聲室的體積大于所述多個諧振器之一 的所述諧振器室；工作流體，設置于所述諧振器室和所述聲室內；壓電變換器，耦合至所述聲室的第二端并與所述工作流體連通，其中，所述壓電變換器 上的所述工作流體的振動致動所述壓電變換器生成電。
13.如權利要求12所述的熱聲能量生成器，其中，所述多個熱聲諧振器中的每一個包 括第一熱交換器、第二熱交換器，所述第一熱交換器與疊層的第一側相鄰設置并熱耦合至 所述諧振器的熱側，所述第二熱交換器與所述疊層的第二側相鄰設置并熱耦合至所述諧振 器的冷側，所述諧振器的所述冷側熱耦合至所述聲室。
14.如權利要求12所述的熱聲能量生成器，其中，所述壓電變換器的面總體與所述多 個諧振器的所述疊層平行設置并與所述疊層總體同軸對準。
15.如權利要求12所述的熱聲能量生成器，其中，所述壓電變換器設置于所述聲室的 一端并與設置于所述聲室內的所述工作流體流體連通。
16.如權利要求12所述的熱聲能量生成器，其中，每個諧振器具有總體柱狀的諧振器 室、錐形柱狀諧振器室、或類亥姆霍茲諧振器室。
17.如權利要求13所述的熱聲能量生成器，其中，所述疊層包括選自包括原棉和玻璃 棉的材料構成的組的無規纖維疊層材料。
18.如權利要求12所述的熱聲能量生成器，其中，所述工作流體選自包括空氣、惰性氣 體、以及惰性氣體的混合物的氣體構成的組。
19.如權利要求12所述的熱聲能量生成器，其中，所述壓電變換器能夠由頻率大于 2000Hz的聲音致動，并由其生成電。
20.如權利要求19所述的熱聲能量生成器，其中，所述壓電變換器能夠由具有超聲頻 率的聲音致動，并由其生成電。
全文摘要
一種熱聲陣列能量轉換器，包括熱驅動熱聲原動機，原動機通過聲腔與壓電電生成器并聯耦合，電生成器的輸出被整流并饋入能量存儲元件。原動機在諧振器中將熱轉換為聲音。來自相位鎖定陣列的聲音由壓電元件轉換為電。生成的電能由整流器組轉換為DC并存儲于電池或超級電容器中。也能夠轉換生成的電能以給行頻供電。
文檔編號H02N10/00GK102057564SQ200980110134
公開日2011年5月11日 申請日期2009年1月23日 優先權日2008年1月23日
發明者O·G.·辛科, Y·S.·權 申請人:猶他大學研究基金會