技术领域
[0001] 本
发明涉及一种热声发动机装置，尤其是涉及一种利用
液化天然气冷能的热声发动机装置。
背景技术
[0002] 热声发动机是一种通
过热声效应可以将
热能转化为声功的装置。热声发动机的优点是没有运动部件、成本低廉和易于制造。但是热声发动机的应用受到其体积过大以及热声转换效率低的限制。1999年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Backhaus和Swift在Nature上发表了一篇文章，介绍他们研制的一台热声
斯特林发动机，其热效率高达0.3，完全可以媲美传统的
内燃机(0.25—0.4)和
活塞式斯特林发动机(0.20-0.38)。这引起了世界各国科研工作人员和工业界的高度关注。这台机器的研制使得行波型热声发动机成为相关科研人员研究的热点。也使得热声斯特林发动机具有了实际应用的价值。
[0003] 热声机可以利用不同
温度的热源来实现热声转换。通常会利用高温热源(>300K)和室温(≈300K)在热声机的板叠(
回热器)中形成温度梯度来产生热声效应。但是，也有研究人员对热声机工作在室温和低温(80K左右)区间内的情况进行了研究。比如H.Luck研究了低温下的热声震荡，从实验上说明了冷能驱动热声发动机的可行性。
[0004] 而热声发动机反方向运转，即向系统内输入声功时，可以在冷端获得制冷量，即热声制冷机。而由热声发动机驱动的热声制冷机，整机无任何运动部件，也即无部件的磨损。理论上来说若运行工况不变，可一直按设计要求运行。所以这一优点对于航天应用来说具有重要意义。因为其工作部件需要保证长时间无故障运行。
[0005] 另一方面，
液化天然气在
汽化时会吸收大量的热量，每吨的液化天然气在
气化时要吸收830,000KJ的热量，转化为
电能为230千瓦时。2014年中国液化天然气进口量为1985万吨，其冷量折合电量为45.6亿千瓦时。如果能将这部分
能量利用起来，也具有很大的经济和环保价值。当前液化天然气冷能的利用方式主要有冷能发电、空气分离、作为低温冷库的冷源等。这些系统一般比较复杂，需要复杂的设备和系统。更常规的做法是直接用
海水与液化天然气进行换热，带走这部分热量，但这样会对海洋生态环境造成一定的影响。
[0006] 中国
专利201510476949.3公开了一种液化天然气冷能驱动的热声系统，该热声系统包括热源、液化天然气冷源，以及依次连接的热端换热器、回热器、冷端换热器和
谐振腔，所述的热端换热器连接热源，所述的冷端换热器和谐振管设置在液化天然气冷源中；利用热端换热器和冷端换热器的温差，在回热器内部建立温度梯度，从而在谐振管中产生压
力波动，将冷能转化为声功。但由于热声系统的冷端换热器和谐振管均处于低温环境下，其输出功无法直接被利用需要将低温环境中产生的声功传输到室温下再加以利用。
发明内容
[0007] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的
缺陷而提供一种利用液化天然气冷能的热声发动机装置。
[0008] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009] 一种热声发动机装置，包括热声发动机组件
和声功利用组件，所述的热声发动机组件置入低温环境中工作，所述的声功利用组件在室温环境中工作，所述的热声发动机装置还包括声功输出组件，其两端分别连接热声发动机组件和声功利用组件。
[0010] 所述的声功输出组件为用于连接低温环境中的热声发动机组件和室温环境中的声功利用组件的脉管或长活塞。
[0011] 所述的脉管的尺寸与热声发动机组件的输出的声功压力波的幅值和
频率匹配，脉管连接低温环境和室温环境，将低温环境中产生的功传输至室温；
[0012] 所述的长活塞由电木、玻璃
钢或
不锈钢等材料制成。
[0013] 所述的低温环境为液化天然气冷源或者其它温度低于
环境温度的冷源。
[0014] 所述的声功利用组件为电能转化单元或机械能转化单元。
[0015] 所述的电能转化单元为发
电机；所述的机械能转化单元为将声功转化为转矩的
曲柄连杆单元。
[0016] 所述的热声发动机组件为
驻波热声发动机组件，包括依次连接的热端气库、热端换热器、回热器、冷端换热器和谐振管，所述的冷端换热器和谐振管均置入低温环境中，所述的热端气库和热端换热器均置入高温热源中，所述的谐振管连接声功输出组件。
[0017] 所述的热声发动机组件为行波热声发动机组件，包括依次连接的热端换热器、回热器、冷端换热器和反馈管，所述的冷端换热器和反馈管均置入低温环境中，所述的热端换热器置入高温热源中，所述的反馈管连接声功输出组件。
[0018] 所述的热声发动机组件为行波-驻波混合型热声发动机组件，包括连接的热端换热器、回热器、冷端换热器、反馈管和谐振管，所述的冷端换热器、反馈管和谐振管均置入低温环境中，所述的热端换热器置入高温热源中，所述的反馈管和谐振管的连接处连接声功输出组件。
[0019] 所述的高温热源的温度不低于室温。
[0020] 与现有技术相比，本发明的热声发动机组件的大部分部件均置于液化天然气冷源中，而因为声功利用组件又只能在室温端工作，故设置了脉管或者长活塞用于传输热声发动机组件产生的声功，这样不仅将热声发动机组件和声功利用组件分隔在两个不同的工作环境。脉管具有高效传输声功的能力，其内部有一气团在管中来回运动，该气团被称为“气体活塞”，“气体活塞”上形成从低温到室温的温度梯度，从而可以将低温下的声功传输至高温环境加以利用。脉管的尺寸参数需要通过详细的计算来确定，这与热声发动机端产生的压力波的幅值和频率等因素有关。此外，热声发动机组件的低温冷源采用液化天然气，与其他液化天然气冷量利用方式相比，具有结构简单、成本低廉、运行稳定等优点，与其他热声发动系统相比，本发明的热声发动机组件的谐振管等部件均置于液化天然气低温环境中，这样不仅没有对热声发动机组件的正常工作造成影响，同时由于谐振管内温度降低，从而降低了谐振管内气体的粘性阻力，减小谐振管中传输时的声功损耗，有利于提高热声发动机组件的效率。
附图说明
[0021] 图1为采用脉管作为声功输出组件的驻波式热声发动机装置的结构示意图；
[0022] 图2为采用长活塞作为声功输出组件的驻波式热声发动机装置的结构示意图；
[0023] 图3为采用脉管作为声功输出组件的行波式热声发动机装置的结构示意图；
[0024] 图4为采用长活塞作为声功输出组件的行波式热声发动机装置的结构示意图；
[0025] 图5为采用脉管作为声功输出组件的驻波-行波混合式热声发动机装置的结构示意图；
[0026] 图6为采用长活塞作为声功输出组件的驻波-行波混合式热声发动机装置的结构示意图；
[0027] 图中，1-热端气库，2-热端换热器，3-回热器，4-冷端换热器，5-谐振管，6-活塞，7-
连接杆，8-发电机，9-低温冷源，10-高温热源，11-反馈管，12-声功输出组件。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行详细说明。
[0029] 以下实施例中的高温热源的温度即为室温，低温冷源即为液化天然气冷源。
[0030] 实施例1
[0031] 一种驻波式热声发动机装置，其结构如图1所示，包括热声发动机组件和发电机8，热声发动机组件包括依次连接的热端气库1、热端换热器2、回热器3、冷端换热器4和谐振管5，谐振管5还依次连接声功输出组件12和
发电机组件，声功输出组件12为脉管，发电机组件包括依次连接的活塞6、连接杆7和发电机8，活塞6还连接脉管，冷端换热器4和谐振管5都置于低温冷源9中，热端气库1和热端换热器2均置入高温热源10中。
[0032] 热声发动机装置产生的声功通过脉管从低温传递到室温端的发电机组件的活塞6，带动发电机8发电。
[0033] 本实施例中的发电机组件也可以替换为机械能转化单元，如曲柄
连杆机构等，直接将声功转换为机械能加以利用。
[0034] 实施例2
[0035] 一种驻波式热声发动机装置，其结构如图2所示，与实施例1相比，大部分结构都相同，除了本实施例中声功输出组件12即为发电机组件的活塞6，只是相比于实施例1，活塞6的长度更长，本实施例中的活塞6的顶部延伸至低温环境中，底部与声功利用组件8连接，其目的是直接利用活塞6将低温环境与室温环境隔开，在活塞6上形成从低温环境中的温度到室温的温度梯度，使得发电机8可以正常工作。活塞6优选低导热系数的材料制成，如电木，玻璃钢等，也可以用不锈钢制成。
[0036] 实施例3
[0037] 一种行波式热声发动机装置，其结构如图3所示，包括热声发动机组件和发电机组件，热声发动机组件包括依次连接的热端换热器2、回热器3、冷端换热器4和反馈管11，反馈管11还依次连接声功输出组件12和发电机组件，声功输出组件12为脉管，发电机组件包括依次连接的活塞6、连接杆7和发电机8，活塞6还连接脉管，冷端换热器4、反馈管11均置入低温冷源9中，热端气库1和热端换热器2均置入高温热源10中。
[0038] 实施例4
[0039] 一种行波式热声发动机装置，其结构如图4所示，与实施例3相比，大部分结构都相同，除了本实施例中声功输出组件12即为发电机组件的活塞6，只是相比于实施例3而言，活塞6的长度更长，本实施例中的活塞6的顶部延伸至低温环境中，底部与声功利用组件8连接，其目的是直接利用活塞6将低温环境与室温环境隔开，在活塞6上形成从低温环境中的温度到室温的温度梯度，使得发电机8可以正常工作。活塞6优选低导热系数的材料制成，如电木，玻璃钢等，也可以用不锈钢制成。
[0040] 实施例5
[0041] 一种驻波-行波混合式热声发动机装置，其结构如图5所示，包括热声发动机组件和发电机组件，热声发动机组件包括连接的热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、反馈管11和谐振管5，反馈管11和谐振管5的连接处还依次连接声功输出组件12和发电机组件，声功输出组件12为脉管，发电机组件包括依次连接的活塞6、连接杆7和发电机8，活塞6还连接脉管，冷端换热器4、反馈管11和谐振管5都置入低温冷源9中，热端气库1和热端换热器2均置入高温热源10中。
[0042] 实施例6
[0043] 一种驻波-行波混合式热声发动机装置，其结构如图6所示，与实施例5相比，大部分结构都相同，除了本实施例中声功输出组件12即为发电机组件的活塞6，只是相比于实施例5而言，活塞6的长度更长，本实施例中的活塞6的顶部延伸至低温环境中，底部与声功利用组件8连接，其目的是直接利用活塞6将低温环境与室温环境隔开，在活塞6上形成从低温环境中的温度到室温的温度梯度，使得发电机8可以正常工作。活塞6优选低导热系数的材料制成，电木，玻璃钢等，也可以用不锈钢制成。
[0044] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种
修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
