紧凑的热声阵列能量转换器 |
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| 申请号 | CN200980110134.6 | 申请日 | 2009-01-23 | 公开(公告)号 | CN102057564B | 公开(公告)日 | 2015-01-14 |
| 申请人 | 犹他大学研究基金会; | 发明人 | O·G.·辛科; Y·S.·权; | ||||
| 摘要 | 一种热声阵列 能量 转换器，包括热驱动热声 原动机 ，原动机通过声腔与压电电生成器并联耦合，电生成器的输出被整流并馈入能量存储元件。原动机在 谐振器 中将热转换为声音。来自 相位 锁 定阵列的声音由压电元件转换为电。生成的 电能 由 整流器 组转换为DC并存储于 电池 或超级电容器中。也能够转换生成的电能以给行频供电。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种热声能量转换器，用于将热能转换为电，包括： |
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| 说明书全文 | 紧凑的热声阵列能量转换器[0001] 政府权利 [0002] 本 发 明 是 在 政 府 的 支 持 下 在Office of Naval Research 授 予 的N0001403-1-1-0543下作出的。政府具有此发明的某些权益。 技术领域背景技术[0004] 将热转换为声音的概念已公知超过两百年了。例如，在“唱歌管(singingpipe)”中，热施加于谐振管的封闭端，该谐振管在其管内具有金属网眼，且在谐振管的加热端附近具有“热”端，在离热源更远处具有“冷”端。术语“热”和“冷”指它们相对于彼此的温度。“热”端能够处于室温，其重要参数不是实际温度，而是温度梯度。 [0006] 通过热声致冷器的发展，将热转换为声音的工作得到了更进一步发展，热声致冷器如美国专利6574968号中所公开的，其发明名称为“HIGHFREQUENCY THERMOACOUSTIC REFRIGERATOR”，于此通过引用并入了该专利。本质上，本发明中将热转换为电能够视为与热声致冷器所执行的过程相反的过程。从而，代替施加能量给压电元件以由此冷却设备，能量被从热源本身吸收并转换。 [0007] 早期创造热声能量转换器的企图因为各种原因而失败了。例如，在现有技术设备中执行了在约100Hz操作，将低频声音转换为电的处理。然而，本领域技术人员放弃了这些处理，因为低频处能量转换处理的效率非常低。 [0008] 直接将热转换为电的一种现有技术处理利用永磁体和移动线圈。由于永磁体，此处理成本高。其也是笨重的且效率随设备频率升高而降低，使得高频操作不现实。该设备本身还能引起与附近磁敏感设备的磁干扰，排除了在某些环境中的使用。 [0009] 为了使得热声能量转换处理实用，期望在高频操作这些设备。高频能够导致机电变换器的更有效的操作，机电变换器诸如是待用于本发明中将声能转换为电的压电元件。 [0011] 处理现有技术的缺点的企图导致了本设备，诸如名称为“HighFrequency Thermoacoustic Energy Converter”、国际公开号为WO03/049491的公开的国际专利申请中所公开的，于此通过引用将其全部并入。该设备通过以下方式处理其它现有技术设备的问题：使用也用作机电变换器的外壳的谐振器、由热导率差的材料构成的无规光纤形成的叠层、和设置于该叠层的相对侧上的由热导率好的材料构成的热交换器对。然而，系统的正反馈是不期望的，且从而减少了生成的电。 [0012] 电子设备和机器生成废热，这限制了它们的性能和效率。对该热的热管理和将其转换为电功率将提升它们的输出，并同时提供可再生能量的重要源。以简单、有效和高功率密度设备实现该目的将有助于提供对当前能量问题的解决方案。该方法的效果将由设备的性质确定，取决于它们处理来自废热的宽范围的热输入的能力，并取决于它们对环境的影响。 [0013] 需要解决的问题处理设备与废热源的连接，和将设备调整为包括紧凑电子设备并适应宽范围的热源。此外，因为废热中的功率水平逐渐升高，所以该设备为高功率密度单元以处理高功率水平需求是重要的。从而，存在通过从废热提供可再生能量来减少日益增长的对更多能量的需求。因为存在丰富的该废热，所以需要有效的技术将该废热转换为电。该技术将能够与废热源进行连接，将具有延长的寿命，并且其制造和实施将相对便宜。能够处理这些问题并处理能量转换和热管理的双功能的用于宽范围应用的系统和方法将是对现有技术的改进。 发明内容[0014] 一种热声设备，包括紧凑的谐振系统，所述热声设备在谐振器中将热转换为声音并以能够用于给其它电系统供电的水平将所述声音直接变换为电。施加于所述谐振器的一端的热建立声波，该声波通过腔耦合至声-电转换器，诸如压电单晶能量转换器。音频或超声频率的电能被整流以通过电路和部件存储。为了提高能量水平并从而提高从热源得到的电的产量，使用多个热声设备。所述热声设备由腔相位锁定并耦合至单个声-能转换器。腔减小每个热声设备中振荡开始的温度差，并相位锁定它们以输出最大能量。低开始二极管全波整流器组被与压电设备一起采用以提供DC输出，以在电池或超级电容器上存储能量。 [0015] 注入的热在热声设备的阵列的每个声谐振器中生成声音，声音然后耦合至声室。室中的声音由声-电转换器(即，能量转换器)转换为电。室容许利用耦合至每个谐振器的腔提供的附加正反馈来维持谐振器中的声振荡。其也相位锁定每个热声设备，在每个声设备之间提供干涉，以输出最大能量。声-电转换器直接耦合至室以从热生成的声音生成最大电功率。该设备用作能量转换器是有用的，并且也可以提供操作中产生废热的各种大的和小的系统中的热管理。 [0016] 根据本发明的一方面，来自热源或废热的热由热导体耦合至每个热声设备的热侧。每个热声设备耦合为与声室流体连通。 [0017] 根据本发明的另一方面，能量转换器安置于声室的远端。 [0018] 根据本发明的另一方面，能量转换器与声设备谐振，导致能量转换器的最大电能输出。 [0019] 根据本发明的另一方面，压电元件形式的单个能量转换器用于收集来自多个声单元的声能，从而给本发明的能量转换系统的体积提供了相当大的减小。 [0020] 根据本发明的另一方面，通过高效整流器将音频或超声频率的能量改变为DC电并存储在电池或超级电容器中。 [0021] 根据本发明的另一方面，超级电容器中的电能存储提供了具有长循环寿命的系统，以及总体比电池中的能量存储优越的性能。 [0022] 根据本发明的另一方面，本发明的能量转换系统提供于便携式设备中。 [0026] 图1是根据本发明的原理的热声能量转换器的一个示例实施例的结构部件的透视顶视图和电路示意图； [0027] 图2是根据本发明的原理的热声能量转换器的另一个示例实施例的结构部件的示意性侧平面视图和电路示意图； [0028] 图3是根据本发明的原理的热声能量转换器的另一实施例的示意性、横截面侧平面视图。 具体实施方式[0029] 本发明涉及与热声设备相关的系统和方法。本领域技术人员可以理解，于此描述的实施例虽然示例了某些实施例，但是其不是意在限制本发明或所附权利要求的范围。本领域技术人员将理解，能够不脱离本发明的范围，对于此陈述的实施例进行各种组合和修改。所有这些替代实施例均在本发明的范围内。类似地，虽然附图描绘了根据本发明的设备和部件的示例实施例并示例了设备所基于的原理，但是它们仅是示例性的，且对于此呈现的创新特征的任何修改视为在本发明的范围内。 [0030] 基于对热管理和将热转换为电的能量转换的需求，开发了基于热声的高效和紧凑的单元。在该设备中，提供了谐振声系统、热交换器、纤维材料的叠层、声腔、以及电生成器，其中热产声音，且在相同单元中，声音被直接转换为电。 [0031] 在典型布置中，叠层可以位于谐振器中部附近，热交换器处于叠层的每一端。热注入至热交换器附近或处于热交换器处的谐振器的封闭端。谐振器的另一端借助于热沉或散热片维持在固定较低温度。该配置引起温度差并因此引起沿叠层的温度梯度。在阈值温度差以上，在谐振器中建立起声振荡。热生成的声振荡的频率由谐振器及其尺寸确定。通过将声腔连接至谐振器的开放端，基本减小了振荡开始的阈值。声-电生成器可以位于设备内部，在腔的封闭端处。电生成器可以是单晶或双晶配置的压电元件。 [0032] 在本发明的一个实施例中，腔的封闭端可以包含电生成器。在其它实施例中，其可以位于谐振器的封闭端。然而，在该位置，其将受到注入设备中的热的影响。 [0034] 根据本发明的另一方面，谐振器的加热侧的热质量应当比谐振器的固定低温度端的热质量小得多。 [0035] 根据本发明的另一方面，声腔连接至谐振器，以降低跨叠层的振荡开始的温度差。 [0036] 根据本发明的另一方面，即使设备被小型化，谐振器的内部直径也保持为大的。在该情况下，由声腔促进振荡的启动。大的谐振器直径导致大的声功率密度。根据本发明的另一方面，小型化的设备导致阵列配置。 [0037] 图1示出了热声电生成系统10，其中，在根据本发明的紧凑单元中将由烛光焰表示的热能12转换成声音，并直接转换为电。热12转换成电，于是电存储于超级电容器14中。系统10能够用于生成电和/或通过将热转换为声音而用于对产生过量热的设备或机器进行热管理。该系统10能够用于生成废热12的大的或小的系统中，并且其能够用作电功率源。能量转换器10包括在第一端处耦合至热传导元件26且在第二端耦合至声室28的多个热声设备21-25，热传导元件26诸如是金属板。 [0038] 声-能转换器16从声室28内产生的声音生成电，声-能转换器16可以是诸如压电变换器的机电变换器的形式。声室28限定内部声室29，其内，声设备21-25产生的声音形成并谐振。声室总体是柱形形状并具有与变换器16相对的端，其与每个谐振声设备21-25的每个开放端流体连通。从而，声室29大于声设备21-25的每个单独的内部室。通过传导或直接接触能量转换器10的上部板26将热能12注入到系统中。提供热沉30以帮助维持谐振器21-25的冷侧于环境温度。为了将从能量转换器16生成的电转换为有用能量，将变压器32电耦合至能量转换器16。提供二极管桥或桥整流器34以将交流输入转换为直流输出。电可以存储在超级电容器14中，以给由开关38操作的灯36或一些其它电气器具供电。 [0039] 现在参照图2，示例了根据本发明的原理的热声能量转换系统的另一实施例，热声能量转换系统总体由100表示。系统配置基本类似于前述系统10，但是耦合至电池101用于存储系统100生成的电能。如图2中进一步示例的，每个热声设备102-104包括用于将谐振器的第一端108安装至传导来自热源12的热的结构110的耦合结构106。从而，第一端108形成每个谐振器的热侧。每个谐振器102-104还包括耦合至声室结构116的冷侧114。 利用多个热沉117将声室116维持在环境温度。每个谐振器102-104的开放端118与声腔 120流体连通。从而，从每个谐振器102-104的开放端118发出的声波将进入声腔120，引起压电驱动器122的致动，产生电。 [0040] 如图3中所示例，在每个热声谐振器151、152和153的热侧157、158和159分别由热源160加热时，根据本发明的能量转换器150的每个谐振器151、152和153分别生成驻波154、155和156。热源160可以热耦合至生成热的其它系统(未示出)的其它结构部件，其它系统诸如是电系统、集成电路、微处理器或产生热的任何其它部件或系统。热传导通过热源160，通过热耦合机构161、162和163，并进入每个谐振器151、152和153的近端，热源160在此情况下为金属板160’，热耦合机构包括利用诸如螺纹紧固件164的螺纹紧固件连接至板160’的柱形部件。 [0041] 每个谐振器151、152和153中生成的驻波154、155和156可以是半波或四分之一波，取决于每个谐振器的谐振器室151’、152’和153’的长度。每个谐振器151、152和153包括叠层165、166和167。每个叠层，诸如叠层165，包括热的热交换器168、冷的热交换器170和设置于热交换器168和170之间并与它们中的每一个热接触的叠层材料172。叠层材料可以包括原棉、玻璃棉、钢棉、气凝胶、其它纤维材料，一系列穿孔的塑料板或多个纵向对准的纳米管。在使用纤维叠层时，叠层165中随机布置的纤维间的最佳间隔可以由工作流体或气体190的热渗透深度确定，使得声场能够与叠层165的每个元件热相互作用。叠层165的典型体填充因子可以从约1％到约2％。叠层165设置于谐振器室151’内、距远端175一距离处，远端是实现跨叠层165的最大压力梯度处。热的热交换器168耦合至谐振器151的热端并与冷的热交换器170和冷端174隔离。冷的热交换器170热锚定于固定温度，通常为环境温度。热交换器168和170均可以形成为薄的网，该网有效地声透明，但是在叠层165的每端维持固定温度。热交换器168和170可以由激光构图的铜或铝形成。从而热声能量转换器150包括多个谐振器151、152和153，每一个具有第一封闭端157’、158’和159’，以及第二开放端175、177和179，并限定谐振器室151’、152’和153’。叠层165设置于谐振器室151’、152’和153’内。声室178耦合至多个谐振器151、152和153的第二开放端175、177和179的每一个并与它们流体连通。 [0042] 工作流体190设置于谐振器室151’、152’和153’内和声室178内部。机电变换器182耦合至声室178并具有与工作流体190流体连通的面182’，使得谐振器151、152和153引起的振动导致机电变换器182生成电，机电变换器182在此情况下为压电驱动器。叠层165具有第一侧165’和第二侧165”，叠层165设置于谐振器151内。在第一侧165’和第二侧165”之间形成温度梯度。热交换器168邻近叠层165的第一侧165’设置，且热交换器170邻近叠层165的第二侧165”设置。声腔或室178与谐振器151、152和153的第二开放端175、177和179流体连通。声腔178反射并放大声波176的至少一部分回到谐振器157、158和159的第一端157’、158’和159’，使得声室178反射并放大谐振器151、152和153生成的声波176的至少一部分回到每个谐振器151、152和153的第一端157’、158’和159’。 [0043] 得到的跨叠层172的温度梯度在谐振器室151’内产生驻声波154。工作流体190，诸如空气、氦、氩、它们的组合或其它已知气体，设置于谐振器和声室151’、152’和153’和178内。工作流体190容许形成驻波154、155和156。 [0044] 从而，每个热声设备151、152和153包括限定热侧和冷侧的两部分。热声设备的每一部分具有热交换器，热交换器的端邻近叠层热锚定。叠层165由多孔高表面积材料形成，通过与每个热交换器邻接而热锚定至每个热交换器。叠层材料配置为能够维持温度梯度。实现了沿叠层的温度梯度，且通过向谐振器的热侧注入热且维持谐振器的冷侧于固定温度而维持该温度梯度，固定温度诸如是室温或其它环境温度。提供热力热沉186以维持冷侧于环境温度。 [0045] 因为谐振器室151’的远端175是开放的，所以从远端175发出的声波176能够进入声腔或室178。来自每个谐振器151、152和153的声波176在室178内组合，产生相位锁定的声波180，声波180被引导并入射至压电变换器182上。当致动变换器182时，生成电流，且电流通过变换器182的电引线183和184发送至如于此先前描述的电路。变换器182总体与多个谐振器的叠层平行设置并总体与叠层同轴对准。 [0046] 能量转换器150配置为操作于从中音频范围到超声波范围(例如从约2至2.6kHz到约24kHz和更高频率)。在这些频率范围中，优点源自压电设备的高灵敏度和它们的紧凑性。当操作于高频且紧凑性是个问题时(如设备的小型化中)，用于声-电转换的电类型的变换器优于电磁类型的变换器，电类型的变换器诸如是压电设备。因为热声设备是谐振系统，所以它们的尺寸确定谐振频率，并且因此通过对它们进行小型化，操作频率相应地提高了。设备尺寸的选择由应用和需要转换多大功率来确定。阵列构成的单元提供处理大功率水平的可能性，并维持紧凑性且提供轻重量系统。 [0047] 本发明的系统的性能由操作条件确定，主要是驱动系统的热源施加的温度差。热的量和导致的温度差将确定功率输出、其效率和振荡开始。热输入越大，则谐振器中的声水平越高，导致越大的电生成。 [0048] 在根据本发明的热声设备的阵列中，热声设备应当“相位锁定”。即，因为每个单独的热声设备的操作频率可以稍微不同，所以它们导致的相位也将稍微不同，取决于振荡开始的初始条件。在自持振荡中，初始相位通常是任意的。从而，阵列相位锁定容许系统实现最大功率输出。通过增加本发明的声室实现了单独的热声设备的相位锁定，其提供了所有声单元的同相运动的耦合。当实现该相位锁定时，功率输出直接取决于阵列中热声设备的数量，且实现了最大功率输出。 [0049] 本发明的能量转换器是本质上没有移动部件(谐振器和声室中的气体以及压电设备的歪曲除外)的设备。气体可以包括空气，但也可以是氦、气体混合物或氩和氦，或现有技术中已知的其它气体。另外，可以对工作气体增压以用于较高功率密度。 [0050] 通过操作于中音频和低超声频率范围，热声设备相对地小且能够容易地增压至高压水平。根据本发明的原理，热声设备能够增压至诸如100个大气压的压力和更高，而无与材料强度相关的问题。 [0051] 谐振器151确定热声引擎的频率。其通过根据沿叠层165的温度梯度生成的声脉冲建立驻波54来实现。谐振器154在叠层165处提供保持声振荡的正反馈。谐振器151可以是四分之一、半波或其它波长类型。在四分之一波长谐振器的情况下，冷端开放。因为在谐振器151和声室178之间在开放端处存在阻抗差异，声波反射回到谐振器室151’中，从而建立驻波154。数量上，驻波154由驻波比描述。随着谐振器的直径相对于长度增加，导致较大量传播分量辐射出，驻波比可以被减小。大谐振器直径可以用于提供大的输出，因为生成的声的水平取决于叠层165的横截面面积。高驻波比可以有利于以较低温度差用于振荡开始，因为反射波提供了更多正反馈。因此，宽的、短的谐振器将需要跨叠层165的大的温度差用于振荡开始，除非给正反馈提供更多增益。谐振器151本质上是存储元件，其中，声能被累积以用于提供正反馈并用于生成激励电生成器182的声音。还针对谐振器室151’内的叠层165的位置提供空间声定相，以在声产生中获得最佳性能。此发明的设备中的仅有的“移动部件”是工作气体(总体由谐振器151中的叠层165的任意侧的箭头描绘)，工作气体以谐振器确定的声频率振荡。 [0052] 宽谐振器的另一原因是，与谐振器内部的特征表面层内的粘滞和热损耗相比，存储的声能量大。声腔178用于提高系统中的正反馈。在谐振器151中的驻波比低时，这是特别重要的，在四分之一波谐振器宽但短时，会发生谐振器中的驻波比低。腔178用作反射镜，其能够是非谐振的或谐振的。后一种情况可以导致至谐振器151的最高正反馈增长。理想地，腔178应当与谐振器151处或附近的谐振一起谐振。使用声室178的另一优点是其品质因子“Q”可以用于增大反馈，取决于几何结构因素。增大的来自室178的正反馈的重要结果是用于振荡开始的跨叠层165的临界温度差减小。与现有设备相比，这可以证明是特别有用的，因为对于某些应用，仅低的温度差是可利用的。应当理解，室178的远端188是设置将声转换为能量的电生成器182的方便位置，在此范例实施例中，电生成器是压电驱动器。取决于特定应用，腔178的形状可以具有柱状横截面，具有锥形柱状横截面，类亥姆霍兹状或其它有利的几何形状。 [0053] 本发明的热-电生成系统150可以并入各种方法将热注入至热的热交换器168。火焰或加热元件能够用作热源。通过对热的热交换器168的直接加热或通过加热谐振器 151的热的部分157，将热注入系统150，热的热交换器168热锚定至谐振器151的热的部分 157。来自其它源的热，诸如来自机械或电子设备的废热，能够通过金属热传导注入至热的热交换器168，如图1中所描绘的。类似地，合适的包含放射性同位素的元件可以用于将热注入至热的热交换器168，再次通过金属热传导。 [0054] 电生成器182可以是单晶配置或双晶配置的压电元件。每个压电元件(“压电器件”)是对电流提取提供高阻抗的电容器。电生成器182可以调谐至谐振器151的谐振以最大化电输出。因为电生成器182是压敏单元，所以通过将生成器182安置在最大声压力的位置能够实现最佳性能，典型地，在室178的与热声谐振器151、152和153相对的远端188。 [0055] 当电生成器182与声系统150设备谐振时，可以最大化电功率输出。通过以双晶模式配置生成器182，可以放大获得的电压，其中，连接至金属膜的两个压电器件串联连接，该压电器件可以是暴露于声功率时提供最大电压输出的双金属带。 [0056] 可以最小化根据本发明的系统150以用于在从约2kHz至约24kHz的频率范围中的操作。用于阵列中时，就军用功率应用来说，该系统可以配置为工作在40kHz的超声波范围。通过对工作流体190增压可以实现高功率密度。该小型热声能量转换器可以在高达超声波范围的频率工作。以低温度差阈值操作用于振荡可以使该系统有用地用于各种应用。 [0057] 用于阵列中时，本发明的系统150以任何数量的应用可以是有用的。例如，该系统可以热连接至产生废热的电子或机械设备，诸如雷达系统或高功率电子设备。废热将驱动系统150，并由此被转换为电。在其它应用中，系统150的阵列可以用作便携式电功率源。例如，来自火焰的热可以用于激励该单元并使得电功率对于应用可用。该系统在紧急状况或战场状况是有用的。典型的阵列可以包括约100个系统10(图1中所示)或系统150(图 3中所示)可以并联连接在热锚定至环境温度的冷板和在其上注入有热的热板之间。预期使用1个大气压的空气，该结构能提供约7.5瓦，且20个大气压时约150瓦。该阵列中任何期望的或有利数量的系统150可以被相位锁定并共享具有单个谐振器182的单个腔178。 例如，所有100个系统可以共享单个腔，或10、20、或25的倍数的单元可以共享单个腔。 [0058] 为了最好理解本发明，现在将陈述关于根据本发明的设备的定量描述。典型地，跨热渗透深度δk发生声场中的空气粒子和叠层的每个元件之间的热流，该深度δk由气体的热性质和声频率确定。该距离定义为： [0059] [0061] 沿叠层的热流能够写为： [0062] [0063] 其中，β为流体热膨胀系数，Tm为平均温度，p1为声压振荡幅度，u1为声场的对应的空气粒子速度，II是围绕每个叠层元件的周长乘以该元件的数量，且Γ为归一化的沿叠层的温度梯度与临界温度梯度的比。得到的工作流由如下等式给出： [0064] [0065] 其中，ρm是流体的平均密度，cp为流体在恒定压力的比热、且Δx为叠层长度。此引擎的效率可以写为： [0066] [0067] 其简化为： [0068] [0069] 其中，ηc为卡诺效率，ΔT/Tm和Γ为沿叠层的温度梯度与临界温度梯度 的比。在Γ＞1时，将发生振荡。 [0070] 临界温度梯度 是热从叠层流至空气粒子和热从空气粒子流至叠层之间的分界线。其如下给出： [0071] [0072] 其中，γ＝等压比热与等容比热的比， [0073] [0074] x＝叠层相对于谐振器中最近的压力波腹(autinode)的位置。 [0075] 如上述， 是重要的，因为其确定振荡开始的 的幅度，且Γ＞1时这发生。 [0076] 因为原动机将用于能量转换设备中，所以估计此类型的引擎的功率密度是重要的。能够根据热流除以引擎体积(其与操作频率f成反比变化)来计算每单位体积的功率。 [0077] [0078] 其中，a是流体中声速，M是表述非线性行为程度的马赫数，且其等于P1/ρma2。此等式表明在高操作频率和高平均气压能够实现大功率密度。本发明的一个重要特征是功率3 密度能够相当高，为W/cm 的量级，并更高，取决于几何结构和工作条件。因为根据本发明的系统是谐振系统，所以小型化能够导致高频操作，并且结果设备功率密度可以大。可以使用MEMS(微机械系统)技术制造小型原动机，诸如本发明的谐振器和阵列。 [0079] 虽然在某些实施例中描述了本发明，但是能够根据此公开的精神和范围进一步修改本发明。因此，此申请意在涵盖使用本发明的总的原理的本发明的任何变形、使用、或调整。此外，此应用意在涵盖本发明所属的技术领域中已知或惯用实践内的与本公开的偏离。 |
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