本发明涉及一种类型的新型发动机装置，特别涉及一种利用热声效应中的热致声作 用将热能转换为声能的热声发动机装置。热声发动机消耗由高温热源提供的热能，通过 振荡的可压缩流体工作介质(声)与固体工作介质的热相互作用，将热能转换为声能， 声能被直接利用，或再被转换为机械能、电能、压力能等供利用。

目前，已知的热声发动机如美国专利4,489,553(Wheatley 12/1984)所描述。这 是一种半波长的热声发动机(L≈1/2λ，λ为声波长)，但它们仅利用工作介质的不可逆 性和驻波产生的热声效应工作，因而其产生的热声效应的强度和有效能量的转换和利用 率较低。又如美国专利4,114,380(Ceperley 9/1978)，4,355,517(Ceperley 10/1982) 所描述，它们利用行波产生的热声效应工作，但这是一种全波长的热声发动机(L≈λ)， 其声路的阻抗不易匹配而实现困难，至今并未见到实施应用的报道。

本发明是在系统研究热声效应的基础上，根据热声效应中能量(声能和热能)转换 和输运的特点，提出的一种将热能转换为声能的新方法、流程和设计，能克服或减少以 往热声发动机的缺点，提高热声效应的强度和有效能量的转换和利用率。

本发明提供一种新型热声发动机，其声场采用半波谐振声场(L≈1/2λ)或近谐振声 场(1/4λ＜L＜1/2λ)的设计，它合理地利用等温壁热声效应和绝热壁热声效应的特点， 并同时利用声场的行波部分产生的热声效应和声场的驻波部分产生的热声效应中的热致 声作用，将热能转换为声能。这种新型的热声发动机能克服以往热声发动机阻抗不易匹 配、不能获得值得利用的足够的有用功，或能量转换效率较低的缺点，将热能转换成声 能，或再转换为机械能、电能或压力能等输出供利用。

为了阐明本发明的思想，以下对热声效应进行必要的说明。

热声效应是指可压缩的具有热膨胀性的流体工作介质，与具有较大热容量和导热系 数的固体工作介质之间，由于流体相对固体的声振荡和产生热相互作用，而导致的时均 热力学能量效应。

按固体外壁面与外热源的热接触方式来化分，热声效应可分为等温壁热声效应，绝 热壁热声效应，和一般情形热声效应。

等温壁热声效应是指固体工作介质的外壁面与外热源理想热接触时，由于理想热接 触的结果固体和流体的平均温度在任一截面不变，且与外热源温度相同，这时出现工作 介质和外部热源间的横向热量交换的时均能量效应。等温壁热声效应的特点是：1.在低 声导率比(声导率比是当地流体密度、声速、速度波动振幅三项乘积与压力波动振幅的 比值)的区域，工作介质向外热源放出热量，2.在高声导率比的区域，如果流体工作介 质的普朗特数(粘性系数与导热系数的比值)足够小，工作介质由外热源吸取热量，3. 在工作介质和声导率比一定时，等温壁热声效应的强度和效率与声流道宽度与流体的热 穿透深度的比值有关，当声流道当量尺度与流体的热穿透深度相当时较好。

绝热壁热声效应是指固体工作介质的外壁面与外热源理想热绝缘时，由于理想热绝 缘的结果，总能量流(总能量流是焓流与热传导热流之和，也等于热流与声功流之和) 将维持不变，这时出现热能和声能的相互转换的时均能量效应。绝热壁热声效应产生热 致声作用时，高温热能被消耗并转换为声能，同时热流由高温端输送到低温端并释放给 环境。

当固体工作介质的外壁面与外热源处于有限热接触时发生一般情形的热声效应。等 温壁热声效应和绝热壁热声效应是一般情形热声效应的两个极限情形。

任一声场可视为声场的驻波部分和行波部分之和，绝热壁热声效应产生热致声作用 时，声场的驻波部分产生的效应有以下特点：1.产生的热声效应强度较低；2.热流方向 总是由高声导率比的区域流向低声导率比的区域；3.当高温端在高声导率比的区域，低 温端在低声导率比的区域，在承受较大的温度梯度时产生热致声效应。这时热流方向由 高温端流向低温端，部分热能转换为声能。声功流的方向可由低温端流向高温端，也可 由高温端流向低温端；4.在温度梯度一定时，声场的驻波部分的热致声效应的强度和效 率当声流道当量尺度约为流体的热穿透深度时最大。这时流体工作介质与固体工作介质 有中等程度的热接触，热声效应依靠工作介质的有限热力学不可逆性工作。对完全可逆 或完全不可逆的工作介质，驻波均不能产生的热致声效应。

声场的行波部分产生的效应有以下特点：1.产生的热声效应强度较高(对同样的压 力和速度振幅的声波，可达的能流密度约为驻波可达到的两倍)；2.热流方向总是与声 功流的方向(行波传播的方向)相反。且理想情况下当工作介质完全可逆时热流与功流 大小相等，当工作介质存在热力学不可逆性时热流小于与功流；3.当高温端在高声导率 比的区域，低温端在低声导率比的区域，在承受较大的温度梯度和热流方向由高温端流 向低温端时时产生热致声效应，这时声功流方向由低温端流向高温端，部分热能被消耗 转换为声能；4.在温度梯度一定时，声场的行波部分产生的热声效应的强度和效率当声 流道的当量尺度与热穿透深度相比较小而又不引起较大的粘性耗散时最大。这时流体工 作介质与固体工作介质有较好的热接触，热声效应依靠工作介质的热力学可逆性工作。 对完全可逆的工作介质，行波产生的热致声效应的强度和能量转换利用的效率最高。

产生热声效应的工作介质应是具有较高热膨胀度、较低普朗特数的可压缩的流体介 质和与流体介质相比具有较大热容量的固体介质。特别对流体介质，在高、低温温差较 大，而对能量流密度要求又较低的场合(如高温热源的温度较高和较小功率的热声发动 机)，可采用分子式简单、分子量较小的气体(如氦气、氢气、氮气等)；在高、低温 温差较小，而又对能量流密度要求较大的场合(如高温热源的温度较低和要求较大功率 的热声发动机)，可用较高工作压力的分子式较简单的气体(如氦气、氮气、二氧化碳 等气体)或采用临界温度在环境温度附近的简单分子式的近临界流体(如可采用二氧化 碳，丙烯，水等，但工作压力应在临界压力附近)。

本发明是采用以下几种基本的声学和热声部件来实现的。这些部件各具有不同的功 能，在热声发动机中完成声能、热能的提供、转换、输运等功能。这些基本部件是：

1.声换能器。声换能器是实现电能、机械能、压力能等有功能量与声能的相互转换 的部件。如电磁式、活塞式、气流式扬声器等能实现有功能量与声能的转换；电磁振荡 式，往复活塞式传声器或发电机可实现声能与电能的转换，往复运动活塞可实现声能与 机械能的转换，压缩机阀片组、电磁阀组或旋转阀组等可实现声能于压力能的相互转换 等，它们可将热声发动机中的声能量输出。以下将实现其它有功能量转换为声能换能器 统称为扬声器，而将声能转换为其它有功能量换能器统称为传声器。

2.、热声换热器。热声换热器是利用等温壁热声效应实现热声发动机与外热源的热量 交换的部件。放置于热声发动机声场中高声导率比区域的热声换热器由外热源吸热，称 热声吸热器，放置于热声发动机声场中低声导率比区域的热声换热器向外热源放热，称 热声放热器。热声换热器的结构可以是采用导热性良好的固体平板(如金属板)的叠层 结构，板与板之间形成声流道；也可以采用固体圆管组或整块固体中加工出声通道的结 构，还可以采用金属丝网的堆叠形成多孔性声流道或使用其它类型的固体多孔材料。热 声换热器中，声流道的形状可以是多种多样，如矩形、圆或椭圆性、三角形、菱形、六 角形等，但声流道当量尺度应与流体的热穿透深度相当。热声换热器的固体介质应有良 好的导热性，而固体介质的外壁应与外热源有良好的热接触，以使整个换热器的温度尽 量处于等温状态。换热器的长度与声波长相比应较小，以避免同一换热器越出高声导率 比区域或低声导率比的区域，使得吸热或放热效应被削减或抵消。

3.热声回热器。热声回热器是利用绝热壁热声效应实现热声发动机的热致声作用和 热能与声能的转换的关键部件。热声回热器的设计应使其两端的声导率比适当，以便能 量的输运和转换得以顺利进行，且与热声换热器能协调工作。热声回热器的结构可以是 固体薄板(如金属板)的叠层结构，板与板之间形成声流道；也可以采用金属丝网的堆 叠形成多孔性声流道或其它类型的固体多孔材料。热声回热器中，声流道的形状可以是 多种多样或同一回热器中采用多种形状的组合。但声流道的当量尺度应约为当地流体的 热穿透深度(在驻波声场占主要部分的区域)，或远小于流体的热穿透深度(在行波声 场占主要部分的区域)，或为一小于流体热穿透深度的适当值(在驻波和行波声场均占 相当份额的区域)。热声回热器可以是直管，也可以采用从高温端向低温端收缩的变截 面管，如喇叭形连续收缩，或梯形阶梯式收缩。热声回热器的固体介质应有较好的横向 (垂直于声传播方向)导热性和较差的纵向(沿声传播方向)导热性(这可用纵向布置 的叠层结构实现)，以使整个回热器在同一截面的温度尽量相同，而又不会由于热传导 造成较大的由回热器高温端到低温端的纵向热流损失。回热器在同一截面上固体介质的 热容应远大于流体介质的热容，固体介质与流体介质的热接触面积应较大以避免不完善 的热接触而使热声效应不充分和导致不必要的热力学不可逆损失。热声回热器与外热源 应有良好的热绝缘，以避免向环境的漏热和热声效应产生由高温端向低温端的热输运损 失。

4.热声谐振管。热声谐振管是一段外壁面绝热的两端分别与高、低温端相连的固体 管道，它的两端视情形可设有高、低温热声换热器，以维持两端温度恒定。它的主要作 用是通过管道长度在系统中的匹配，在整个系统中产生半波谐振或近谐振声场，并连接 工作于高温段和低温段的任意两个热声部件，而又不会导致较大的由高温端到低温端的 热流损失和声功流的衰减。热声谐振管的两端声导率比最好跨越高声导率比和低声导率 比的区域。热声谐振管应采用导热性较差的管道，如薄壁金属管或非金属管，或外壁面 为金属内壁面为非金属的复合型薄壁管道。热声谐振管的截面形状可以是多种多样，但 其声流道当量尺度应大于或远大于当地流体的热穿透深度，以避免由于固体热传导和热 声效应产生从高温端向低温端的热流损失，但也不能太大以使得整个系统的工作容积太 大，能量密度太低。热声谐振管沿纵向方向可采用直管，也可以采用从低温端向高温端 扩张的变截面管，如喇叭形连续扩张，或梯形阶梯式扩张。热声谐振管的外壁面与外热 源应尽量热绝缘，以避免漏热损失。热声谐振管的两端可设置(也可不设置)层流化元 件，使热声谐振管管内的流动尽量接近于层流，降低或消除紊流混合损失。

5.声波导管。声波导管是一段或一组工作于相同或相近温度的固体管道。它的作用 主要是用于连接热声发动机中处于同样温度区域的两端以形成声回路(声反馈回路)， 或用于调节系统的固有频率。

6.声阻抗调节器。声阻抗调节器是调节和匹配声阻抗的部件，用它可在热声发动机 中适当位置调节和匹配当地的声振荡(速度与压力波动)的大小和相位。在声学中有三 种阻抗类型，声阻、声容和声感，所以声阻抗调节器也有三种基本的类型。声阻调节器 (或声阻尼调节器)可以是一小段细(微)孔管或一小段多孔介质或一个小孔调节阀门 或其组合。声容抗调节器是在声通道上连接一个较大的空腔。而声感抗调节器一般是声 通道上连接一段细长的管道。实际使用时可将这三种基本的调节器单独或通过并联、串 联等方式组合使用，以在声路中特定位置获得所需的声振荡，调节一定位置声场的振幅 和相位。

本发明所指的热声发动机是由以上几种基本的声学和热声部件构成。这几种部件不 同的选择和组合，形成不同结构特点的热声发动机。在这里所指的不同的选择和组合， 都需要满足这样的条件，即一个热声发动机至少包括以上几种基本部件；在高温端，热 声换热器是从外界的高温热源吸热的；在热声回热器中，声场的行波部分和驻波部分产 生的热声效应均是产生热致声作用，即将热能转换为声能，这时声功流由低温端输送到 高温端，热流则从高温端输送到低温端；在低温端，热声换热器是向外界的低温热源放 热的；整个热声发动机中的声场是半波谐振声场或近谐振声场，声场的谐振靠热声谐振 管和声波导管来匹配；声场的行波分量的产生靠扬声器或靠带有声阻抗调节器的声反馈 回路来实现。

采用上述设计，可以较大地提高热声发动机的性能，降低有用能的损耗，提高热声 发动机的效率。更由于采用了灵活的设计，根据情形我们可以选择不同形式的换能器等 不同特点的部件的组合，这样可以满足不同场合的需要。

以下结合附图对本发明所指的热声发动机装置的布置和工作过程所较详细的说明。

图1是仅采用一个换能器(传声器)的新型热声发动机的结构图。图中箭头所指是 声功流的方向(下同)。

图2是采用扬声器替代图1结构中声波的主反馈回路的热声发动机的结构图，它采 用两个换能器(双驱动)，即一个传声器和一个扬声器。

参见图1的热声发动机。同时利用声场的行波和驻波部分产生的热致声效应工作的 热声回热器2，将由高温热声吸热器3从外部的高温热源吸收的热量部分转化为声能， 另一部分由热声放热器1向环境低温热源放出。工作于高温端的声波导管4实现高温热 声吸热器3与热声谐振管5的连接，热声谐振管5用于将声波能量由高温端传播到环境 温度端，再通过声波导管6由传声器7将声能转换为电能、机械能、压力能等有功能量 输出供利用(也可直接输出声能作热声扬声器使用)。带声阻抗调节器的声波导管8用 于形成声波的主反馈调节回路，以调节热声回热器2中的声场和匹配声阻抗，使得各个 热声部件工作在良好状态。整个主反馈回路的长度和阻抗的选择应使得其中行波的方向 是流向热声回热器一端，并使系统工作在最佳状态。带声阻抗调节器的声波导管或导管 组9用于热声回热器2与热声谐振管5中间位置的连接，形成一路或多路的声波的次反 馈调节回路，以使得热声回热器的工作效率得到最佳的发挥。声波导管6用于匹配末端 声阻抗与传声器7的阻抗，并使热声谐振管5的低温端工作于低声导率比的区域，以便 声能得以顺利转换和系统正常工作。整个热声发动机的长度应约等于声波的半波长或大 于声波的四分之一波长和小于声波的半波长，以保证在热声回热器中，声场速度波动的 相位超前于压力波动的相位，声场的行波部分和驻波部分产生的热声效应均是产生热致 声效应，即将热能转换为声能。

参见图2的热声发动机。这是以扬声器10替代图1中声波主反馈回路8的结构，声 波导管11用于匹配热声放热器的声阻抗与扬声器10的阻抗，使得在扬声器1 0中机械能等 得以顺利转换为声能，并使得低温热声放热器1工作于低声导率比的区域。扬声器10中 流体的运动相位与传声器7中流体的运动相位应协调，这个相位的选择应保证声功流在 系统中是由扬声器10穿越热声回热器2和热声谐振管5到传声器7，并使整个系统工作 在最佳状态。图中其它部件的作用与图1结构中相应部件的作用相同。这个结构中，驱 动扬声器10工作的能量传声器7提供。这里，整个热声发动机从扬声器声源到的声吸收 器的长度应等于或约小于声波的半波长，以保证在热声回热器中，声场的行波部分和驻 波部分产生的热声效应均是产生热致声效应，将热能转换为声能。

以上所指的热声发动机中在同样温区工作的热声回热器和热声谐振管可以制作成同 轴结构，以增加装置的紧凑性。