专利名称：热声装置的制作方法
技术领域：
本发明广泛地涉及热声装置，尤其涉及热声发动机和制冷泵。然而，本发明可以用在热声领域之外，因此并不仅限于热声装置。
背景技术：
在过去的二十年内，研制用于各种商业、军事和工业应用的热声制冷发动机(泵)的兴趣不断高涨。随着氟氯化碳(CFC)的禁止生产，对热声制冷的兴趣急剧增加。热声制冷机可以这样构成，即它们仅使用无毒且不会导致臭氧耗竭和全球变暖的惰性气体。热声发动机和制冷机的现有技术设计示例在下述专利中示出美国专利US4398398，US4489553，US4722201，US5303555，US5647216，US5953921，US6032464和US6314740。
为了完整地评价本发明，了解早期的热力发动机是有益的。
斯特林(Stirling)循环的商业失败使气态工作流体来回地通过高热容的多孔介质(“蓄热器”)来提高热力发动机效率的思想，可以追溯到1816年英国的Rev.RobertStirling的以他的名字命名的热力循环发明。虽然该发明是利用热量产生有用的机械功，但随后认识到如果为该系统提供机械能，斯特林循环可以反过来产生有用的冷却。
斯特林循环已经作为发动机和制冷机保持了近两个世纪的影响力，因为在原理上它可以在第一和第二热力定律允许的限制内达到最大效率。这种热力学上完美性能的限制称为卡诺(Carnot)限制。虽然理想的斯特林发动机或制冷机(原理上)可以表现出卡诺性能，但斯特林发动机和制冷机都没有获得大范围的商业成功。基于斯特林循环的一些发动机已经用作潜艇中的主动力源，且基于斯特林循环的许多小型制冷机已经用于冷却军事应用场合的红外检测电子设备，比如夜视镜。
这种产生功率或制冷的有效方案没有在多数应用场合中在商业上生存有多种原因。主要原因是斯特林循环装置的效率提高(更近一些，减轻了环境影响)不是获得广泛采用的足够诱因，因为斯特林循环所需的热交换器的附加复杂性和相应的投资成本不能证明在经济上适当。在发动机应用中，内燃机比斯特林发动机更受喜爱，因为它可以利用燃料的高温燃烧，而无需发动机的固体零件达到与燃烧产物相同的高温。在能量从燃烧过程中提取之后，燃烧产物带有的多余热量可能直接排出到大气中。不需要单独的热交换器从发动机中排出废热，如闭式循环发动机中所需的那样。
在制冷应用中，蒸汽压缩(兰金)循环已经成为制冷机械功产生的主要方式。虽然兰金循环(Rankine)比理想的斯特林循环的效率低，但斯特林制冷机附加的机械复杂性和斯特林循环制冷所需的热交换器的成本仍然不能证明在经济上适当。在蒸汽压缩制冷机中，汽化的工作流体可以将热量直接从制冷负载提取，而无需次级热交换器和次级热交换流体。因为兰金循环所采用的工作流体的相变伴随着大量的潜热，所以可以产生用于冷却小到十分之几瓦冷却负载的蒸汽压缩制冷机，或大到冷却能力等于每天融化2,000,000磅冰所吸收的能量(约3.5兆瓦的有效冷却能力)的空调。
最新发展在20世纪，已经针对制冷和热量与机械功的转换，对斯特林循环作出了许多改进。至今，这些改进中没有一个足以证明可以通过使用斯特林循环的装置代替内燃机或蒸汽压缩制冷过程。在20世纪的近25年来，内燃机和氟氯化碳(CFC)以及大多数蒸汽压缩制冷机和空调器中使用的其他人造化学制品对环境的影响已经得到广泛的认同。由CFC造成的同温层臭氧损耗的全球影响，和“温室气体”产生的全球变暖的人为作用，以及其他更局部化的影响，比如“酸雨”，已经激发人们仔细地重新审查发动机和制冷技术。
在19世纪80年代早期开始，“热声学”已经成为一条提供新的产生环境友好且节能的替代方案模式的路径，代替内燃机和蒸汽压缩制冷机。热声模式试图使用伴有声波的压力振荡和气体运动，以最少的机械运动部件完成发动机和制冷循环。这是对使用至今的19世纪方案的概念上的突破，19世纪的方案采用机械装置，比如在紧密配合的气缸内运动的润滑活塞，机械致动阀，飞轮，连杆，凸轮等，施加执行循环过程所需的压力变化和气体运动，所述循环过程产生机械功或有效制冷。由Wheatley，Swift，和Migliori发明的产生实用的“声学热泵发动机”(热声制冷机)的第一种方案在1983年被授予专利(参见美国专利US4398398)。
Backhaus/Swift发动机自从Wheatley等的发明，已有后续的努力来生产热声发动机和制冷机，且它们将具有简单性和坚固性，取消了多数机械部件，同时达到了可以与内燃机和蒸汽压缩制冷机相比或更好的效率。在1999年，来自新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家试验室的Scott Backhaus和Greg Swift，出版了使用热声模式来生产斯特林循环发动机的实验结果，热效率为30％[参见“热声-斯特林热发动机”，Nature 399，335-338(1999)]。他们的试验装置组合了声相网络和共鸣器，来产生一马力的斯特林循环发动机，它与汽油动力的汽车内燃机的效率相当，但不需要运动部件。
适于制冷应用的Backhaus/Swift发动机的样式在
图1中示出，该图取自美国专利US6032464(原图6)，该专利授予Swift，Backhaus& Gardner。发动机1包括连接于压力容器3的驱动器或声源2(在这种情况下为固有的不可逆的热声发动机)。发动机包括由惯性管4，次级腔室(柔性壳(compliance))5，和热缓冲管6形成的环形路径。柔性隔膜7连接于热缓冲管6的一端，用作质量流抑制器。声能顺时针循环经过环形路径，如箭头A所示。热部件8设在环形路径中，且包括蓄热器10，第一热交换器9和第二热交换器11。惯性管4和顺从性壳5形成声相网络，产生压力振荡和流经发动机的蓄热器的同相的气流，如斯特林循环所需要的一样。本领域的技术人员在完整地回顾美国专利US6032464和本发明人的上述文章后，将可以了解Backhaus/Swift发动机的其他方面。不象授予Peter Ceperley专利的“行波热力发动机”的原始设计[参见“行波热力发动机”，美国专利US4114380(1978年9月19日)；“分离模式的行波环形谐振器”，美国专利US4686407(1987年8月11日)；和“谐振的行波热力发动机”，美国专利US4355517(1982年)]，Swift，Backhaus & Gardner认识到在蓄热器内经历斯特林循环的气体压力与体积速度(声阻抗)的比值必须远大于作为声学行波特征的声阻抗。
用于热声斯特林发动机或制冷机的Swift，Backhaus和Gardner方案的一个缺点是它们的声学网络产生了环形的流动路径，包括蓄热器及相应的热交换器。环形流动路径也出现在Ceperley的设计中。这种流动路径在图1中示出。环形流动路径可以使通过声能流驱动的工作流体稳定地循环流经蓄热器(箭头A)。这种声学诱发的流动称为Gedeon流动，且它可能通过“错误”方向上的对流热造成发动机或制冷机的效率明显下降。
对于Backhaus/Swift发动机应用，Swift等发明了一种“喷射泵”，使用流经锥形孔的入流和出流的不对称性，产生时间上平均的背压，从而限制有害的流动。在制冷应用中，他们插入了柔性隔膜(图1中的7)，以阻挡声学诱发的稳定质量流。
声学诱发的流动被认为对发动机的性能非常有害，洛斯阿拉莫斯热声工作组，以Swift博士为首，最近放弃了用于他们下一代发动机的环形几何结构，且已经返回到直线形谐振器。他们的新设计，取消了环形流动路径，称为“Cascade”，且已经在最近的出版物中描述[参见S.Backhaus和G.Swift，“热声发动机的新变化”，第9届声学和振动国际会议论文集(2002年7月)]。
除了流经蓄热器的稳流之外，Swift等的热声装置的另一缺点是使用气柱来产生惯性元件(图1中的4)，结合起顺从性元件5作用的气体刚度，形成亥姆霍兹谐振的“声相网络”。流经惯性元件的振荡气流产生三种类型的流体动力损耗，减小了热泵过程的总效率。在任何振幅下，在惯性管4的内表面上都有粘性边界层损失。随着振幅的增加，振荡的边界层变得不稳定，流体变得紊乱，进一步增加了功率损耗，这可以从公知的穆迪图中给出的相关数计算出。
在商业上可接受的体积功率密度所需的高振幅下，还存在着惯性管4两端的出口-入口损失。在长管道系统中，这些出口-入口损失称为“较小损失”或“压头损失”。在热声装置中，比如上面由Swift等描述的和下面由Blok和Van Rijt描述的，这些损失构成总输入功率的主要部分。对于Backhaus和Swift描述的发动机来说，在惯性管4中的热粘损失为总输入功率的4.9％[参见S.Backhaus和G.W.Swift，“热声-斯特林循环热力发动机详细研究”，美国声学学会期刊107(6)，3148-3166(2000)]。在惯性管出口和入口的“较小损失”构成总输入功率的10％的损失。
De Blok/Van Rijt发动机大概在Backhaus/Swift发动机发明的同时，C.M.(Kees)de Blok和N.A.H.J.Van Rijt，在荷兰取得另一种样式的行波相变的、阻抗增强的热声-斯特林发动机的专利。这种发动机/制冷机的一个实施例在图2中示出，该图最初出现在美国专利US6314740中(也为图2)。这种设计包括通过柔性波纹管连接于刚性围壳的活塞。机电致动器16连接于活塞-波纹管组合17，且连接于刚性围壳15。刚性围壳15容纳该制冷系统的热声元件。声相控制旁路18由内部连接管19形成。冷热交换器示为20，设有冷输送流体入口20a和出口20b，用于连接制冷负载。热热交换器示为21，设有热输送流体入口21a和出口21b，提供用于排放由蓄热器22泵送的废热。虽然在物理上表现为与Swift，Backhaus和Gardner的制冷机类似，但De Blok/Van Rijt的方案还引入了有效的环形流路。本说明书并没有解决这种路径必然伴随的有害后果，或者由“气体填充的旁路元件”18产生的所述损失，所述旁路元件18用作声相网络中的惯性元件。
TRITON项目在Swift等以及de Blok和Van Rijt研制上述热声-斯特林装置的同时，美国海军通过海军研究部，资助宾夕法尼亚州立大学的应用研究试验室，生产舰载电子热声冷却器(SETAC)的大型模型。SETAC装置如图3所示，该图来自美国专利US5647216(原图1)。如图所示，该热声装置是双端装置，在每一端装有驱动器。热部件邻近每个驱动器放置，所述热部件包括叠层，和分别位于每一端的一对热交换器。1995年4月，在大西洋舰队的Spruance驱逐舰USS Deyo(DD-989)上测试了SETAC装置。它表现出最大419瓦的冷却能力。TRITON项目是试图将SETAC之类装置的冷却能力提升到10千瓦；该冷却能力相当于每天熔化3吨冰所吸收的潜热(因此，称为TRI TON(三吨))。(每吨冷却定义为36000Btu/hr＝3517瓦)作为TRITON项目的一部分，研制了采用金属波纹管的挠曲密封，该密封可以在声频下使用而不会疲劳失效。这些波纹管与机械弹簧和运动磁体线性马达组合，产生具有功率控制能力高达5kw，电声转换效率接近90％的电动扬声器(参见美国专利US6307287)。使用表征电磁力因数和电机损耗的运动磁体线性马达参数的测量值，发现这些运动磁体“扬声器”的测量效率非常符合Wakeland的理论性能预测[参见R.S.Wakeland“电动驱动器在热声制冷机中的应用”，美国声学学会期刊107(2)，827-832(2000)]。
TRITON装置还使用了类似于SETAC中使用的双亥姆霍茨谐振器几何结构。在TRITON的测试中，高速振荡的气体运动带来的声学功率损耗，尤其是通过亥姆霍茨谐振器的颈部和通过在所述颈部和所述双“泡”之间的过渡部分，导致产生不可接受的非线性液力损失。这些液力损失显著降低了制冷单元的整体性能。
波纹管振动热声装置从TRITON项目中学到两个重要的内容，(i)研制了波纹管来提供低损失、可靠的动态压力挠曲密封，(ii)认识到高雷诺数的且在不同截面积的谐振器部分之间的过渡部分处振荡气流带来的非线性液力损失，该损失也称为“小损失”或“压头损失”。本发明人认为如果所述热声芯(蓄热器和热交换器)以及相位网络(惯性和顺从性)完全包含在波纹管中，那么所述谐振器损失可以完全消除，且对于给定的冷却能力，热声冷却装置的尺寸可以显著减小。而且，本发明人认为通过利用所述波纹管中容纳的气体的弹性刚度和线性马达的运动质量及其连接的活塞，形成机械谐振器而不是TRITON中以及所有早期的热声制冷机中使用的纯共鸣器，可以复制双亥姆霍茨谐振器产生的压力振荡的谐振增强，而没有经过所述颈部的高速气体运动固有的非线性液力损失。这种新颖的谐振器被其发明人称为“波纹管振动”压缩机，且是2002年4月10日提交的美国临时专利申请60/372008的主题，和2003年4月9日提交的名称为“用于热声装置的顺从性围壳”的未决美国申请的主题，在此通过引用而包含其全部内容。
还研制了普通波纹管的替代品，它是2002年4月10日提交的美国临时专利申请60/371967的主题，2003年4月9日提交的名称为“带有整体式动态气体密封的圆柱形弹簧”的未决美国专利申请的主题，在此通过引用而包含其全部内容。所述带有整体式动态气体密封的圆柱形弹簧提供了一种更典型的波纹管替代品，与类似高度和直径的相同体积的普通波纹管相比，能够提供更大的设计柔性，更低的生产成本和明显更小的表面积。
发明内容
本发明提供了利用主体积和次级倍增器体积的多个热声装置实施例，它们分别与所述热部件连通。这些热部件包括蓄热器，第一和第二热交换器。所述次级倍增器体积用作振动机械倍增器，提供声相网络，该网络还用于抑制Gedeon流动，而不需要插入Swift，Backhaus和Gardner的柔性隔膜(图1中的7)，也不需要引入在Backhaus/Swift发动机中使用的“喷射泵”。
在本发明的一个实施例中，所述热声装置包括壳体，其中热芯支撑在所述壳体内且具有第一和第二表面。所述热芯包括形成所述热芯第一表面的第一热交换器，和形成所述热芯第二表面的第二热交换器。在所述两个热交换器之间是蓄热器或其他多孔蓄热介质。主腔室与所述热芯的第一表面流体连通，次级倍增器腔室与所述热芯的第二表面流体连通。气态工作流体的工作体积在压力下填充所述主腔室，所述倍增器腔室和所述热芯。平衡压力定义为在所述热声装置处于非工作模式时，气态工作流体的工作体积的压力。所述主腔室包括第一振荡部件，该部件可以在所述热声装置处于工作模式时振荡，而使倍增器腔室内的压力在大于平衡压力的峰值压力和小于平衡压力的最小压力之间正弦振荡。主压力振幅定义为在主腔室内峰值压力和最小压力之间差值的一半。次级倍增器腔室包括第二振动部件，该部件可以在所述热声装置处于工作模式时振荡，而使倍增器腔室内的压力在大于平衡压力的峰值压力和小于平衡压力的最小压力之间正弦振荡。倍增器压力振幅定义为在倍增器腔室内峰值压力和最小压力之间差值的一半。第一和第二振动部件以基本上相同的频率振荡，而使主腔室和倍增器腔室内的压力振荡基本上互相同相。倍增器压力振幅大于主压力振幅。
在另一实施例中，一种热声装置包括具有第一端和第二端的壳体。冷头热交换器形成所述壳体的第一端。冷头热交换器具有与内部热交换器表面热连通的外部热交换表面。倍增器腔室位于所述壳体内，且其中形成倍增器体积。所述倍增器体积包括可以运动而使所述倍增器体积增加和减小的倍增器振荡部件。主腔室位于所述壳体内，且其中形成主体积。所述主腔室包括可以运动而使所述主体积增加和减小的主振荡部件。支撑件位于所述壳体内，邻近冷头热交换器的内部热交换表面。所述支撑件在所述倍增器体积和所述冷头热交换器的内部热交换表面之间形成第一通道，在所述主体积和所述冷头热交换器的内部热交换表面之间形成第二通道。所以，所述主体积和所述倍增器体积通过第一和第二通道流体连通。蓄热元件位于所述通道之一内。蓄热元件具有第一表面和第二表面，其中第一表面邻近所述冷头热交换器的内部热交换表面。热热交换器位于所述蓄热元件的第二表面附近。在某些样式中，所述倍增器腔室位于所述主腔室内。
附图简要说明图1是现有技术的热声装置的剖面图；图2是另一现有技术的热声装置的剖面图；图3是另一现有技术的热声装置的剖面图；图4是本发明的热声装置的第一优选实施例的剖面图；图5是图4的热声装置的剖面透视图；图6是图4和5的热声装置的某些部分的透视图；图7是图4-6的热声装置的某些热部件的详图；图8是本发明的热声装置的一个实施例的模型图；图9是本发明的热声装置的第一优选实施例的能量流图；图10是本发明的热声装置的第二优选实施例的剖面侧视图；图11是本发明的热声装置的第三优选实施例的剖面侧视图；图12是本发明的热声装置的第四优选实施例的剖面侧视图；图13是本发明的热声装置的第五优选实施例的侧视图；图14是本发明的热声装置的第六优选实施例的侧视图；图15是本发明的热声装置的第七优选实施例的剖面侧视图。
本发明的详细描述本发明提供了一种具有热芯的热声装置，其中热芯包括蓄热器或其他夹在第一和第二热交换器之间的蓄热介质。可取的是，主体积由顺从性围壳形成，且与热交换器之一流体连通。活塞形成所述顺从性围壳的一部分，且振荡而改变围壳内的体积。第二倍增器腔室与所述另一热交换器流体连通，且也具有用于使所述倍增器腔室内的体积振荡的振荡部件。所述活塞和所述振荡部件大致同相地运动，而使进入所述腔室的压力大约同时和同相地上升。利用热声斯特林效应，振荡的压力波将热量从所述热交换器之一泵送到另一热交换器。或者，可以给热交换器之一提供热量，通过使所述活塞连接于交流发电机或某些其他装置提取的功率产生电能，或通过使所述活塞连接于某些其他装置而提供往复机械运动形式的能量。
第一优选实施例-概述图4示出了本发明的热声装置110的一个优选实施例的剖面侧视图。图5示出了同一热声装置110，其中部分切除，为简化起见某些部件在视野之外。该装置110设计为通过组合的冷头热交换器112吸收热量并将该热量以较低的温度输送给蓄热器114，产生制冷作用，所述蓄热器装在绝热的支撑件或平台118内。声波的能量用于泵送热量，直到在蓄热器114热端的较高温度。该热量，加上通过热声热量泵送过程积累的任何声能，累积在热热交换器116上。累积在热热交换器116上的热量通过流经热交换器116的热交换输送流体从所述系统中排出。
可取的是，热声装置110的部件容纳在压力容器120内。压力容器120通过在其“下”端由基板124封闭的大致圆柱形的壁或壳122形成。应当指出的是，描述词比如“上”和“下”仅为了易于描述附图而使用，并非限制本发明实施例的结构或位置。实际上，可取的是图4和5的实施例以与所示位置相比颠倒的位置工作。它也可以定位在其他位置。在本文中使用的位置描述词指的是所示的方位。壁或壳122的上端通过平台或支撑件118和冷头热交换器112的组合而封闭，这参照下面对冷头热交换器112的进一步描述将更为清楚。
线性马达126连接于底板124，线性马达126的运动部分通过连接部件130(图5中未示出)连接于主活塞或动力活塞128。波纹管132在动力活塞128和支撑件118之间延伸。根据美国临时专利申请No.60/372008的公开内容，和2003年4月9日提交的名称为“用于热声装置的顺从性围壳”的未决专利申请，这形成顺从性围壳的一部分，在此通过引用而包含所述专利的全部内容。这种顺从性围壳的其他论述和优点在这些申请中给出。当动力活塞128向上运动时，顺从性围壳内的工作流体受压缩，当动力活塞128向下运动时，顺从性围壳内的工作流体解除压缩。
根据本发明，倍增器体积134限定在顺从性围壳内部。该倍增器体积134由倍增器圆柱体136限定，该倍增器圆柱体具有连接于支撑件1 18的上端，和由倍增器锥体或活塞138封闭的下端。柔性密封140使锥体或活塞138与圆柱体136互连。当倍增器锥体138向上和向下运动时，倍增器体积的体积，和其中容纳的气体压力增加和减小。
图6是连接于倍增器圆柱体136的支撑件118的视图。图7是热热交换器116的一部分，平台118，在冷热交换器112下侧的翅片142的详图。
在顺从性围壳内部和倍增器体积134外部的工作流体体积可称为主体积144。主体积144和倍增器体积134通过热部件流体连通。即，形成从倍增器体积134，经热热交换器116，经蓄热器114，经冷热交换器112的翅片142，经支撑件118上的窗口146的流体路径。所以，气体可以从主体积144流经窗口146，经翅片142形成U形转弯，进入蓄热器114。在工作时，倍增器活塞138和动力活塞128大致同相运动，或接近同相运动。所以，在倍增器体积134和主体积144之间的气流受到限制，因为压力波从蓄热器114的两“侧”会聚和发散。
现在将给出热声装置110各部件的详细描述。
热芯热声热泵过程在热部件或热芯内发生，所述热部件或热芯包含由绝热平台118支撑的蓄热器116，组合的冷热交换器112，和热热交换器116。蓄热器116可以说具有热或下表面113以及冷或上表面115。组合的冷头热交换器112具有内部热交换表面，在该实施例中该表面由翅片142形成，和外部热交换表面111。这些热交换表面互相热接触，从而将热量从外部热交换表面111传递到由翅片142形成的内部热交换表面。如图所示，热热交换器116邻近蓄热器114的热表面113，而冷头热交换器112邻近蓄热器114的冷表面115。在该实施例中，热热交换器116固定在绝热平台118上，通过平台热热交换输送流体从入口管150进入热热交换器116，并从出口管152排出(图6)。组合的冷头热交换器112与蓄热器114的冷表面和绝热平台118的上表面直接物理接触。O形环放在组合的冷头热交换器112和绝热平台118之间的O形环凹槽154内，形成气密密封。可取的是，如果需要，用于制成绝热平台118的材料强度足以用作压力容器的一部分，且具有足够低的导热率，而在处于低温状态的组合的冷头热交换器112，和通常处于较高温度状态的圆柱形压力容器壁122之间形成高热阻路径。
热芯，包括蓄热器114和热交换器112和116可以具有第一和第二表面，或者作为选择，具有冷和热表面。在所示实施例中，热热交换器116形成热芯的热表面，而冷头热交换器112的翅片142形成冷表面。倍增器体积134可以与热芯的热表面流体连通，因为它与热热交换器116流体连通，且部分容纳热热交换器116。主体积144可以与热芯的冷表面流体连通，因为它与冷头112的由翅片142形成的内部热交换表面流体连通。如图所示，支撑件118形成通道119，其中设有蓄热器114。该第一通道119在倍增器体积134和冷头112的冷表面142之间形成流体连通。窗口146和支撑件118形成第二通道，且在主体积144和冷头112的冷表面142之间形成流体连通。所以，主体积144和倍增器体积134通过第一和第二通道119和146流体连通。通道的结构致使工作流体流经热芯。对于本领域的技术人员来说显然通道119和146可以与所示不同的方式构成。而且，热芯可以不同于所示构成，且可以不同地定位，比如通过将蓄热器和热热交换器放在不同的位置或第二通道内。热芯的表面不必互相平行或平面。此外，热芯的单个部件可以不同于所示构成。可以将筛网或其他流体校直机构放在冷头的出口处，在此气体进入所述窗口，产生流经所述窗口的、具有基本上均匀的流速分布的流体。这种均匀的流体可以使声能流动，而不产生与进入和排出冷头的冷气体混和的大量紊乱，冷头可以与冷头和窗口之外的其他部件利用气体热连通，所述窗口可以处于较温热的温度。如果出现了大量的这种混和，那么它通过将不需要的热量传递给冷头，降低制冷机的冷却能力。
热热交换输送流体的选择取决于在热热交换器116的结构及其入口集管156和出口集管158中使用的材料。如果热热交换器由铜或黄铜制成，典型的热热交换器输送流体可以是水。如果热热交换器由铝构成，它可以是乙二醇和水的混和物，也可以包含防腐剂。热热交换流体的选择对于普通的紧凑型热交换器设计领域的技术人员来说是显而易见的。
工作流体可取的是，整个制冷设备装在压力容器120内，如果正确地设计，该容器容纳在任何压力下的多变指数γ大于1的任何气态工作流体。所容纳的气体起热声-斯特林循环的工作流体的作用[参见，G.W.Swift，热声某些发动机和制冷机的统一展望，(美国声学学会，2002)ISBN 0-7354-0065-2]，产生所需的制冷作用。一种优选的气态工作流体是压力在大气压( 100kPa)至30倍的大气压( 3.0MPa)范围内的氦气。氦气是非常好的工作流体选择，因为它化学稳定；因此，不易燃，不爆炸，利于环境。氦气也具有非常高的导热率，使其易于设计高效率、紧凑的热交换器的热物理性能。
气密压力容器120包含基板124，组合的冷头热交换器112，和圆柱形压力容器壁122。绝热平台112可以位于组合的冷头热交换器112和圆柱形压力容器壁122之间，作为可以容纳气密的供电通路或供流体通路的压力容器的一部分，比如热热交换输送流体入口管150和出口管152。基板124也可以容纳气密的供应通路160，而形成在压力容器内的线性马达126及其位于压力容器外侧的正弦电流源之间的电连接。通路160也可以容纳在压力容器内的位置传感器162和在压力容器外侧的传感器信号调整电子设备之间的电连接。在所述压力容器的部件之间可拆卸的界面可以通过橡胶O形环密封，所述O形环放在组合的冷头热交换器112、绝热平台118、基板124和圆柱形压力容器壁122的O形环凹槽154内。
如图所示，压力容器120还用作装置110的各部件的壳体。作为选择，可以提供不作为压力容器的壳体。
线性马达需要机械功将热量从组合的冷头热交换器112经蓄热器114泵送，并经热热交换器116送出。该机械功由线性马达126提供，该马达将适当频率和振幅的交流(正弦)电流转换成交变(正弦)作用力。许多不同的线性马达机构可以在市场上得到，且基于其参数马达的选择已经由Wakeland论述[参见R.S.Wakeland，“电动驱动器在热声制冷机中的使用”，美国声学学会期刊，107(2)，827-832(2000)]，且在早期的专利中描述[参见美国专利US6307287]。对于该实施例来说，采用比如由Yarr和Corey[参见美国专利US5389844]，或由Froeschle和Carreras[参见美国专利US5216723]描述的运动磁体、电动线性马达，但使用其他机构(比如压电效应)的其他线性马达也可以。对于本发明来说，“马达”指的是可以使热声装置的动力活塞振荡的任何机械装置。
如前所述，对于电驱动应用来说，线性马达是使本发明的各实施例中的活塞振荡的优选选择。多个原因支持这一选择。
首先，如前所示，在本文引用的文献中，波纹管的工作频率对工作应力有重要的影响，因此在可以实现连续工作的活塞运动范围上有重要影响，而后者直接影响可达到的压力比。为了优化波纹管以便对于给定的体积来说获得最高的可能轴向位移，需要在固定的工作频率下工作。虽然转动运动转换成往复运动通常由凸轮或其他机械装置执行，但通常转动马达不能瞬间达到特定角度的转动速度，所以波纹管可能在达到最终工作点的过程经历一个频率范围，所述频率对波纹管来说都可能是次优的。
有利于线性马达的第二特征是在示例性实施例中设想种类的热声装置的比例控制可以通过改变活塞的振幅实现(没有改变频率)。普通的凸轮或偏心驱动装置不能改变活塞的振幅。而且，可以产生能够将转动运动转换成往复运动，并提供在固定的转速下改变振幅的手段的机械机构，但这种机构显然太复杂。
而且，广泛地认识到电动线性马达的效率、行程和功率密度明显在高功率时较大(≥100W)，如果磁体振荡且线圈固定不动[参见R.S.Wakeland，美国声学学会杂志，107(2)，827-832(2000)，表I.]。因为运动磁体结构的质量可能大于在普通电动扬声器中使用的运动线圈(音圈)的质量，所以可能需要提供较大的刚度，使较大磁体的运动质量在热声装置感兴趣的频率下共振。由顺从性凹腔(以及如果在图2中的第一实施例中采用压力容器时，波纹管的外部)内容纳的气态工作流体提供的较大气体刚度提供了使所述运动磁体结构的质量，以及电声转换系统的其他部件(例如活塞，连接管等)的运动质量共振所需刚度的全部，或至少主要部分。
与运动磁体线性马达的兼容性也认为是优点，因为已经表明[参见R.W.M.Smith，用于热声制冷机的高效率的2千瓦声源，宾夕法尼亚州应用研究实验室技术报告No.TR01-001(2000年11月)]，运动磁体线性马达的机电转换效率随着对马达的需求功率减小而增加。这种效率上的增加与普通转动式马达观测到的相反[参见E.A.Avallone和T.Baumeister III，机械工程师马克标准手册，第10版，(McGraw-Hill，1996)，表15.1.13]。如果通过连续改变对马达的功率需求，用比例控制方案控制制冷空间的温度，则运动磁体线性马达的效率增加尤具吸引力。所以，推荐线性马达用于本发明。然而，可以使用其他的装置，比如转动马达。
代替马达126与基板124的刚性连接，弹性马达安装座可以产生两个自由度。因此，马达126可以以与马达的运动部件相反的相位运动。这种方案可以减轻振荡传递给装有热声发动机或制冷机的结构的其他部件。
活塞动力活塞128和倍增器锥体或活塞138可以大体上都称作活塞或振荡部件。术语“振荡部件”也可以指不同的结构，比如运动隔膜，具有间隙密封而不是柔性密封的部件，或其他设计。在任一实施例中活塞也可以形成不同于所述的形状。通常推荐大致截锥形状，因为它具有刚度，且有助于除去主体积144和倍增器体积134内的某些体积。然而，可以使用其他的形状，比如等腰梯形或半椭圆形的截面，且在除去邻近活塞的某些体积的同时可以保持刚性和低质量。作为另一种替代方案，活塞可以是扁平的。虽然在所示的实施例中，它们具有大致圆形的形状，但它们可以代之以其他形状，尤其是在倍增器腔室或主腔室壁基本上不是圆柱形的情况。
压缩机体积顺从性围壳线性马达126产生的作用力通过刚性连接部件130与动力活塞128连通。动力活塞128刚性固定在波纹管132的运动端，在动力活塞128和波纹管132的运动端之间形成气密密封。波纹管132的固定端以气密的方式与绝热平台118密封。在该实施例中，波纹管132利用粘结剂连接于波纹管凸缘133，形成气密密封。波纹管凸缘133使用装在O形环凹槽154内的O形环密封，确保与绝热平台118的气密密封。
在图4中示出的本发明实施例利用了“顺从性围壳”，这在美国临时专利申请No.60/372008，和2003年4月9日提交的名称为“热声装置的顺从性围壳”的未决专利申请中更为充分地描述。所述顺从性围壳主要由波纹管132形成，该波纹管形成所述围壳的侧壁。冷头热交换器112和支撑件或平台118共同形成所述顺从性围壳的上端，而活塞128封闭所述顺从性围壳的下端。
波纹管132可以更一般地定义为“挠曲密封”，具有一对端部和在两者之间延伸的挠曲本体。一端由活塞128密封封闭，而另一端由支撑件118和冷头112的组合封闭，所述组合作为所述顺从性围壳的刚性部分。挠曲体积可以定义为挠曲密封内容纳的体积。它等于挠曲密封或波纹管132的平均截面面积和挠曲密封或波纹管132的端到端长度的乘积。如图所示，某些挠曲体积被位于或伸入所述挠曲体积内的部件所占据。例如，活塞128形成截锥形状，部分向上伸入挠曲体积内。类似地，倍增器圆柱体136和倍增器锥体138向下伸入挠曲体积内。热热交换器116和/或其他热芯部件，也可以向下伸入挠曲体积内。
装置110的工作体积可以定义为顺从性围壳内容纳的气态工作流体的体积。在所示实施例中，可取的是，工作体积小于波纹管的体积，因为波纹管或挠曲体积很多都被其他物品占据。工作体积可以定义为波纹管或挠曲体积减去被伸入波纹管或挠曲体积内的部件所占据的任何体积，加上在波纹管外侧的任何附加体积。例如，附加体积在蓄热器114，翅片142和通道146内提供。应当指出的是，倍增器体积134不认为从所述体积排除，因为它也容纳装置110的一部分工作体积。作为选择，工作体积也等于主体积144，加上倍增器体积134，加上在通道146，翅片142和蓄热器114内包含的任何附加体积。当热热交换器116部分伸入倍增器体积134时，其中包含的体积可以认为是倍增器体积的一部分。作为选择，它可以认为是附加体积的一部分。
根据所结合的公开内容的论述，顺从性围壳设计可以在主体积144和倍增器体积134内实现更大的体积变化，以及更高的压力波动。可取的是，工作体积小于或等于波纹管体积，但在某些实施例中，工作体积可以大于波纹管体积。例如，工作体积可以小于或等于1.0或5.0倍的波纹管体积。在另一些实施例中，工作体积等于或小于0.9倍的波纹管体积，或小于0.85倍的波纹管体积。根据所结合的公开内容，推荐压力振幅(定义为峰值压力和最小压力之间差值的一半)至少是平衡压力的百分之五。平衡压力定义为当所述装置处于非工作模式时装置内的压力。如下所述，已知的挠曲密封通常限于位移不超过其长度的10％的应用，比如本发明中。利用多变系数为5/3的气体可以实现约17％的压力振幅，如果工作体积约等于波纹管体积。根据本发明，推荐压力振幅至少为5％。所以，工作体积可以为3.4倍的波纹管体积。通过利用改进的挠曲密封，比如在所结合的两份公开内容中公开的，或通过优化挠曲密封设计，使用美国临时专利申请No.60/445866中的方案，可以想象挠曲密封位移可以增加到其总长度的15％。这可以使工作体积增加到波纹管体积的5.1倍，同时仍然提供5％的压力振幅。考虑上述情况，本发明提供了一种工作体积小于或等于5倍波纹管体积的装置。更为优选的是，工作体积小于或等于4倍的波纹管体积。甚至3倍的波纹管体积或2倍的波纹管体积更为优选。
本文中所述的各种体积，包括倍增器体积134，主体积144，工作体积，和波纹管挠曲体积，可以变化，当装置110工作时通常正弦振荡，然而，为明确的目的，这些体积都可以说具有平均或平衡体积，该体积是所述装置不工作且处于平衡时的体积。例如，波纹管体积可以说具有平衡的波纹管或挠曲体积，该体积等于平均截面积和端到端的长度。在工作过程中，波纹管体积将在平衡体积上、下正弦振荡。体积波动可以说在峰值体积和最小体积之间振荡。对于倍增器体积134，主体积144和工作体积也同样。
装置110示为具有传统的波形侧面的圆柱形波纹管132。在一个优选实施例中，波纹管为具有盘旋侧面的薄金属。作为选择，可以使用具有整体式动态密封的圆柱形弹簧。具有整体式动态气体密封的圆柱形弹簧的设计在美国临时专利申请No.60/371967，和2003年4月9日提交的名称为“具有整体式动态气体密封的圆柱形弹簧”的未决美国专利申请中公开，在此通过引用而包含其全部内容。对于用低损失弹性体密封的金属弹簧(比如所包含的公开内容中提供的具有整体式动态气体密封的圆柱形弹簧)，圆柱形弹簧的表面积可以是3至4倍，小于普通形式的金属波纹管，致使如图9所示的谐振表面损失类似降低。
本发明也可以利用其他类型的挠曲密封。为了本发明的目的，挠曲密封定义为至少可部分弯曲且至少部分阻塞(密封)比如用作热声装置中的工作流体的气体通道的部件。其他示例包括形成为真空吸尘器软管的挠曲密封，其中增强或弹簧部件螺旋缠绕在侧壁上，而使得在波纹管的压缩时，弹簧扭转地抵抗偏转。其他挠曲密封包括比如在美国专利US6461695，US6237922，US5236204中描述的装置及其他。其他的波纹管设计，以及对于本领域的技术人员来说已知的任何等同设计也落入这一定义中。对于本发明来说，“挠曲”包括弯曲和扭转，且它不是将“挠曲密封”的定义限于应力仅是弯曲的那些。用于本发明的挠曲密封通常是大体圆柱形的，但它们可以具有非直线或非平行的侧面，比如截锥体，且可以是其他形状。它们将通常具有一对端部，其中之一由相应部件封闭，比如活塞，而另一端由热声装置的某些其他部分封闭。挠曲密封将围绕一定的体积，当其端部封闭时，它将围绕波纹管体积或挠曲体积。在比如图4的波纹管的情况下，挠曲密封可以说具有一对端部，其中活塞封闭一端。另一端通常位于平面内，其中波纹管体积或挠曲体积定义为在波纹管内部和包含波纹管端部的两平面之间的体积。
金属波纹管，具有整体式动态气体密封的圆柱形弹簧，及其他挠曲密封通常认为具有均匀的轴向刚度、密度、匝数(对于波纹管来说)或束数(对于圆柱形弹簧来说)分布。2003年4月9日提交美国临时专利申请No.60/445866还提供了一种改进的波纹管设计，其中波纹管或圆柱形弹簧具有从为最高值的固定端向为最低值的运动端单调性变化的刚度和/或密度。所形成的波纹管或圆柱形弹簧可以在较低的应力下工作，或可以允许比恒定刚度和/或密度的比较波纹管更高的活塞运动，导致更高的抗疲劳性，使波纹管的材料和结构的潜在成本更低，或可以设计出在本发明的装置中具有更高的功率和压力比。
波纹管设计的其他论述在这些申请中给出，以及在2003年4月9日提交的名称为“热声装置的顺从性围壳”的未决美国专利申请中给出。
振动机械倍增器热声-斯特林循环的运行需要在蓄热器114内振荡的工作流体的体积速度基本上与蓄热器内容纳的工作流体的压力振荡同相。在该实施例中，振动机械倍增器确保这种正确的相位关系。图4-6所示的振动机械倍增器包括容纳在倍增器圆柱体136内的倍增器体积134。倍增器圆柱体136的一端与绝热平台118密封，且容纳热热交换器116。倍增器圆柱体136的另一端由刚性活塞或锥体138密封。调谐的质量元件139连接于倍增器活塞138，该活塞通过柔性悬垂边缘和密封140与倍增器圆柱体136密封。振动机械倍增器建立蓄热器114内的工作流体压力和经过蓄热器的工作流体体积速度之间必需的相位关系。
对于本领域的技术人员来说，显然倍增器圆柱体136可以具有不是圆柱形的形状。它可以更一般地称为倍增器腔室，包括用于增加和减小倍增器体积的振荡部件。在这种情况下，振荡部件是活塞或锥体138。振荡部件或活塞138也可以是非圆形的，特别是在倍增器腔室136是非圆柱形的实施例中。
蓄热器克服温度梯度泵送热量的能力，从而产生有效制冷功率的能力取决于经过蓄热器的压力和气体速度的正确相位调整。该示例性实施例通过在蓄热器114的热端产生振荡压力而产生所需的相位调整，该振荡压力稍大且基本上与蓄热器冷端的振荡压力同相。在蓄热器的热端和冷端之间的压力差，Δp1=p1hot-p1cold,]]>产生经过蓄热器114的平均体积流速(质量流)<U1>，该值与所述压力差成正比，且大致与所述压力同相，如执行斯特林循环所需的[参见P.H.Ceperley，“无活塞的斯特林发动机-行波热力发动机”，美国声学学会期刊，66，1508-1513(1979)]。蓄热器的有效的流阻Rreg，决定体积流速的所述部分，<U1>之间的比例常数，其中所述流速<U1>与蓄热器的压力差Δp1同相。
<U1>≅Δp1/Rreg---(1)]]>在早期的设计中，比如由Swift(见图1)或de Blok(见图2)提供的那些设计中，充气的旁路元件形成亥姆霍茨谐振器的颈部，该谐振器调节压力和流速之间的相位关系。在亥姆霍茨谐振器中，封闭的气体产生刚度，且在亥姆霍茨谐振器的“颈部”的管道内流动的气体提供惯性。流动的气体，用作亥姆霍茨谐振器中的惯性元件，产生在粘性振荡边界层的线性损失和非线性液力损失(最小损失和紊流)，且提供用于稳态气流的流动路径，所述气流必须受到抑制，而使其性能不降低。振动机械倍增器消除了这些不利的作用(液力损失和流动)，通过使用具有调谐质量139的倍增器活塞或锥体138，与倍增器体积134内容纳的气态工作流体的刚度相互作用，产生单自由度的简谐振荡器。
振荡机械倍增器在蓄热器的热端产生压力振幅。该倍增器是简谐振荡器，在频率f下工作，远低于其谐振频率fA。
fA=ωA2π=12πkgasmdisk---(2)]]>具有调谐质量139的活塞或锥体138(例如，在截锥体的顶点处具有质量的扬声器锥体)通过柔性悬垂边缘和密封140与倍增器圆柱体136密封。柔性悬垂边缘和密封140可以是弹性构件(通常由SantopreneTM制成)，类似于扬声器围绕部分，或可以由低损失弹簧钢制成的薄金属构件制成(例如17-7时效硬化不锈钢)，或具有非常长的疲劳寿命的任何其他的柔性密封。具有调谐质量139的活塞138，和柔性悬垂边缘和密封140一起形成刚性活塞组件，具有有效的投影面积Adisk，具有必须的质量mdisk。刚性活塞组件的惯性与倍增器体积134，Vmult所提供的刚度谐振，kgas=γpmA2diskVmrlt---(3)]]>
平均压力Pm，恒定压力下的比热与恒定体积下的比热的比值(多变系数)，γ，的气态工作流体装在倍增器体积Vmult内。
振动机械倍增器所提供的增益系数，p1hot/p1cold，由马达126的驱动频率f与倍增器谐振频率的比值决定，fA≠f。
p1hotp1cold≅11-(ffA)2---(4)]]>该关系式是有用的近似值，但它忽视了经蓄热器114进入和排出倍增器体积134的平行振荡气流。
在另一设计中，活塞和倍增器质量连接刚性或顺从性的部件，如在替代例部分所述的，等式(4)不适于计算主体积和倍增器体积内的压力比值。在这种情况下压力比值的计算可以直接根据施加在所述腔室上的体积变化进行，相对于非工作状态。
在本发明的某些实施例中，在倍增器体积内的压力振幅比主体积内的压力振幅高约6％。也可以使用更大或更小的压力差。虽然大于2％的压力差是优选的，但在某些实施例中1％或更大的压力差可以发挥作用。
蓄热器形成蓄热器114的材料应当是多孔的固体，具有较高的单位体积热容，且含有许多微孔。虽然形成沿声功率流的方向，从蓄热器的热端到冷端的笔直视线路径平行排列的孔产生最佳的性能，但不锈钢筛网或金属毡填料或多孔烧结金属的叠层制成的多孔介质都可以用作适当且成本合算的替代例，替代直线孔。对于本发明来说，“多孔”定义为可以形成气态工作流体流经所述材料的通道。典型微孔的特征尺寸定义为液压半径，rh。它由微孔的截面积A和微孔的周长П的比值，或蓄热器的体积与接触气体的表面积的比值决定。蓄热器通常具有特征微孔尺寸，其中表现典型微孔特征的液力半径小于热渗透深度的厚度。
蓄热器必须具有两种稍稍冲突的性能。第一，蓄热器必须具有足够的热容，以将振荡气体的温度固定在谐振器温度。仅蓄热器的热边界层的一部分δk内的气体可以保持接近谐振器温度。气体中的热渗透深度δk由气体的导热系数k、恒定压力下的气体比热cp、和气体质量密度ρ决定。
δk=kπfρcp---(6)]]>设计者必须将足够的材料放入蓄热器空间内，而使所有的气体都容纳在热边界层内。液压半径，rh，表现蓄热器微孔的物理尺寸的特征。对于有效截面积A和有效周长П的微孔，液压半径由该面积与该周长的比值给出，rh＝A/П。蓄热器114需要微孔的液压半径远小于工作流体的热渗透深度，rh＜δk。
然而，这么多材料进入高振幅声波中导致由于沿蓄热器材料刮擦的气体摩擦产生明显的粘滞损失。粘性边界层的厚度δv与热边界层的厚度δk通过普朗特数σ的平方根相关δk/δv=σ.]]>对于纯气体，σ≅2/3,]]>所以粘性和热的影响在超出实际上对于两种作用相同的距离上发生。蓄热器材料的非零导热率也降低了蓄热器的性能，因为它可以使热量从热端流至冷端。
在该示例性实施例中，已经发现利用不锈钢筛网叠层可以在粘性流阻，高蓄热器热容，和低轴向导热率之间实现良好的三相折中。由于每层丝网之间较大的接触热阻，不锈钢不是高导热性的，且在轴向上的导热率进一步减小。然而，不锈钢蓄热器材料具有足够的热容，即使当充满加压的氦气时，它也可以很好地完成迫使所述气体到达局部蓄热器温度的功能。虽然在筛网床中流阻不是特别低，但立即可用性和良好的热性能使层叠的筛网蓄热器为该示例性实施例的方便选择。而且，在层叠的筛网蓄热器的情况下有试验相关性和经验。虽然其他的蓄热器材料可能进一步改善性能，但对于该实施例，可采用不锈钢筛网叠层。
热热交换器从蓄热器的冷端泵送到蓄热器的热端的热量，与泵送所述热量所需的蓄热器吸收的声功率一起，累积在热热交换器上，以便从所述系统中排出。对于该优选实施例，热热交换器116包括市售的(从Thermalex公司，蒙哥马利，亚拉巴马州，36109)多个平行的扁铝管164(在图7中示出)，它们挤制而成，在管内包括多个平行的流体流道。平行扁铝管164以不漏的方式利用粘结剂，比如环氧树脂或通过炉中铜焊，连接于入口集管156和出口集管158，环氧树脂或炉中铜焊通常由汽车工业中使用的散热器制造商实施。如果使用粘结技术，分离的集管盖159可以在多个管164已经连接于入口集管156和出口集管158之后安装。如果使用炉中铜焊，盖159可以是入口集管156的一整体部分。在图7中给出了热热交换器116的一部分的三维视图，示出了几个扁铝管164和组合的冷头热交换器112的一些气体侧翅片142。
热热交换器116具有优良的导热性，且容易大批量制造。它可以使用目前大批量生产汽车散热器的可用技术，除了它不需要通常放在用于汽车散热器应用的管子之间的翅片材料。紧密间隔开、独立的扁平挤制铝管164，具有多个内部平行的流体流道，可以以竞争性的价格在市场上得到。它们在宽度、长度和厚度上的变化可以使其针对宽范围的设计参数，工作温度区间，和必需的有效热泵能力优化热侧的废热去除。
组合的冷头热交换器冷侧热交换器112用于将从压力容器边界外侧的源提取的有效热负载输送到蓄热器114的冷侧。在冷却器热芯(蓄热器114热端和热侧热交换器116)的温热部分位于振动机械倍增器体积134内的情况下，对于接触振荡进入和排出蓄热器114冷端的冷气态工作流体放置的冷侧热交换器的设计，有完全的自由度。通过这种方案实现的设计灵活性提供了在压力容器内容纳的蓄热器114的冷端产生的冷却功率，和通过通常位于压力容器外侧的冷却器冷却的热负载之间的低热阻路径。这种提供冷侧热交换器，使用组合的冷头热交换器112的方案，还消除了对流经圆柱形压力容器壁122，而接近蓄热器冷侧的需要。这种方案还直接利用所述冷却功率，可没有任何次级流体，连接于冰激凌盒，瓶装饮料冷却器，饮料售卖机或其他适当的热负载内的空气，或直接连接于电子“芯片”，这是前一没有利用热声制冷的方案设计的目的[参见G.M.Chrysler和D.T.Vader，“具有通过热声热量泵送的改进的热量管理的电子器件封装”，美国专利US5303555]。
组合的冷头热交换器112起压力容器边界和冷侧热交换器的作用。此外，在图4的所示实施例中，冷头热交换器112形成装置110的壳体的一端。所以，没有妨碍直接从冷头112进行冷却的利用。实际上，组合的冷头热交换器用作热交换器，热声装置的热部件的一部分，且还提供外部热交换器的一部分，用于为远程冷负载提供冷却功率。可取的是，冷头热交换器112由单片金属制造，从而实现内表面和外表面之间的热连通，且还使其用作压力容器边界的一部分。
这种设计可以使热量到达由蓄热器114的冷端冷却的气态工作流体，和在大气压力下的有效热传递表面，该表面可以用于将冷却器的冷却功率传递给次级热传递表面。所述次级热传递表面也可以用于提供热管或热虹吸管的凝聚表面。如图5所示，次级热传递表面可以是流体侧的翅片部分166，用于接触冷侧的次级热传递流体(比如乙醇)。冷头的下或内表面可以是气体侧翅片部分142，如图7所示，该部分接触蓄热器114冷侧的气态氦工作流体。这样，冷头通过强制或自由对流对周围的空气直接冷却，或可以使待冷却的热源(例如计算机芯片)直接连接于组合的冷头热交换器112。在所示实施例中，次级热传递表面是位于外盖168附近的翅片部分166。盖168利用限定在盖168下侧和翅片部分166之间的冷侧次级热传递流体，比如乙醇与冷头112密封。所以，热量从盖168虹吸至冷头112。作为选择，冷头112可以具有直接接触待冷却的外部区域的翅片外表面。作为另一选择，传统的热交换器可以设有流体入口和出口，而去除远距离放置的热源的热量。
正交翅片式热交换器对可取的是，在组合的冷头热交换器气体一侧上的翅片方向，和在热热交换器中使用的扁平管的方向优选为垂直。这种方位有助于抑制在蓄热器内形成环流圈。而且在组合的冷头热交换器气体一侧翅片的方向优选垂直于组合的冷头热交换器的流体侧翅片的方向，从而为也用作压力容器边界的组合冷头提供附加的强度和刚度。本发明的这一方面可以延至其他应用场合，其中热和冷热交换器都具有流体填充管或都是翅片。通常，所述翅片或管可以称为热传递元件。所以，本发明的该方面可以更广泛地称为具有一组通常平行的位于第一平面内的热传递元件的第一热交换器和具有第二组多个通常平行的位于第二平面内的热传递元件的第二热交换器。所述两个平面通常互相平行，且第一组多个热传递元件沿第一方向对齐，而第二组多个热传递元件沿第二方向对齐，其中两方向不同。可取的是，所述两方向互相垂直。
控制系统对于本领域的技术人员来说显然通常需要某种类型的控制系统来控制线性马达126，以优化装置110的运行。因为当所述系统在谐振状态下驱动时马达将电能转换为机械能效率最高，所以希望有某些机构来调节驱动频率，而使所述系统机械谐振或接近接近谐振。在压力容器包围的工作气体的温度，比如氦的温度随着环境条件或制冷负载的变化而变化时，气体的刚度将变化，所以系统的谐振频率也变化。
包括现有技术的大多数热声制冷机倾向于连接两个自由度的系统，其中马达质量代表一个自由度，气体惯性代表另一个自由度。因此，对这些系统来说，有两种模式，或两个谐振频率。上述系统，另一方面，可以模型化为一个自由度的系统(在机械方面，被驱动质量通过弹簧连接于地面)。虽然振动机械倍增器用作另一自由度，但它相当弱地连接于主动力活塞质量和波纹管气体弹簧。
在传统的系统中，有两个自由度，通常希望使自然频率尽可能地互相接近(所谓的“共同谐振”)。这样，最有效的工作频率大致是这些谐振频率的平均值。该工作频率使在驱动器端看到的无功阻抗值最小化[参见R.S.Wakeland，“电动驱动器在热声制冷机中的使用”，美国声学学会期刊，107(2)，827-832(2000)]。不仅在使负载的无功部分最小化方面有最佳频率，而且具有由谐振器提供给驱动器的最佳有效机械负载。该有效负载是频率的强函数，因此至今在热声机器中跟踪的频率必须发现通过提供最佳的机械负载匹配使效率最大，同时使施加给马达的无功负载最小的最佳频率。这在不使用传感器的情况下是难以实现的。
本发明的系统更简单，因为机械负载的无功部分不是频率的强函数，且所述系统表现为仅有一个自由度。这种简化可以使设计者忽视寻求对最佳无功机械负载的折中，代之以仅控制频率，使动力活塞阻抗的无功部分最小化。
完美的解决方案仍需要寻找使最小的无功阻抗与正确的机械负载对换的频率，但忽视有效负载的最佳部分不会在上述设计中牺牲效率过多。所以，节省成本的频率控制电路可以包括相敏惠斯通电桥，该电路忽视马达端子的电力负载的阻性部分。图8所示的是本系统的等效电路，该电路提供了制冷机的电子、机械和声学部分的示意图。
该示意图示出了在左侧的马达电阻(Re)和感抗(Le)，在中心的马达机械质量(Mm)，顺从性(Cm)和机械阻力(Rm)，以及在右侧的波纹管内封装的气体顺从性(CA)和热芯内气体的液压-热动力损失(RA)。该系统的总阻抗可以表示为Ze=EI=Re+jωLe+(Bl)2Rm+jωMm-j1ωCm+Re{ZA}+Im{ZA}]]>其中ZA表示电路的转换成声阻抗的声学部分。
在不考虑Ze的有效部分(是频率的强函数)的频率依赖性的情况下，本发明设计的最佳工作频率出现在Ze的虚部等于ωLe时，马达线圈的感抗。这是使所述系统的机械声学部分的阻抗完全有效的工作频率，因此，Ze的正交分量的值等于ωLe。
因为Le是马达的可测量参数，所以设想测量马达端子的电阻抗的正交分量值的多种方式是容易的事情，比较已知频率的信号和乘积ωLe的已知值，然后调节ω，匹配目标值。一种利用模拟电子的方式是利用马达线圈的感抗作为电桥的一个分支，固定的电感作为另一分支的相敏惠斯通电桥。当电桥不平衡时产生的错误信号可以积分，并反馈给电压控制的振荡器，该振荡器决定马达的驱动频率。
在较大的装置中，或不同的设计中，最高的效率可能证明额外的复杂性，或用于控制偏离最佳设计工作点的运行，可以使用2002年11月12日提交的名称为“调谐驱动的线性往复电动机器的无传感器控制”的未决美国专利申请60/426048中描述的方法，选择最佳的工作频率，在此通过引用而包含其全部公开内容。
振动机械倍增器功率流如前所述，在亥姆霍茨谐振器中，封闭的气体产生谐振刚度，且在作为亥姆霍茨谐振器的“颈部”的管道内运动的气体产生惯性。作为惯性元件的运动气体产生非线性液力损失，且提供用于稳态气流的流动路径。本发明的振动机械倍增器通过使用具有调谐质量139的刚性盘或活塞138消除了这两种作用(非线性损失和流动)，所述调谐质量139与倍增器体积134内容纳的气体相互作用。这种相位网络的低损失性能在图9的功率流图中明显看出。
图9示出了所述示例性实施例的一种实施方式的功率流图。在图中示出的功率是以DELTAE计算机模型为基础的。在振动机械倍增器元件中，在这里标为“锥体”，包括刚性盘138及其柔性悬垂边缘和密封140，具有调谐的质量139，和“顺从部分”，包括倍增器圆柱体136，该圆柱体限定了倍增器体积140，在上述部分中的损失仅构成输入电力的非常小的一部分(3.6％)。
振动机械倍增器还通过使用调谐质量简化了倍增器的正确调谐。它还包含温暖的气态工作流体，该流体围绕倍增器体积134内的热热交换器116，且使其与波纹管136内部和倍增器圆柱体136和刚性活塞组件138外部空间内更冷的气态工作流体绝热。
示例性尺寸对于本领域的技术人员来说很清楚，本发明的装置可以以变化的尺寸和结构构成。现在将给出图4的装置的一种工作实施例的示例性尺寸。在该示例性实施例中，压力容器120具有约13英寸的顶到底高度，和约9英寸的外径。压力容器122通常是圆柱形的，内径约8英寸。挠曲密封132是外径7英寸，内径6英寸，且平均长度7英寸的金属波纹管。所以，这给出约200立方英寸的挠曲体积。活塞128通常是直径7英寸的圆形。如图所示，活塞为截锥体的形状。且与可忽略厚度的扁平活塞相比占用约30立方英寸的体积。倍增器圆柱体136通常是高约4英寸，内径约43/4英寸的圆柱形。热热交换器116稍向下延伸入该圆柱体136内，且是平行装配的流体型热交换器。倍增器锥体138具有约4英寸的直径，且通常截面为圆形的。支撑件118具有约1英寸的厚度，而冷头112具有约1英寸的厚度。翅片142具有约英寸的高度，且间隔约0.03英寸，具有0.05英寸的厚度。可取的是冷头112由具有高导热率的铝或其他材料加工。设有总共约45个翅片。在次级热传递表面上的翅片具有约英寸的高度，0.05英寸的宽度，且间隔0.03英寸。设有总共50个翅片。装置110的工作体积填充有约10个大气压(150psia)的压力的氦气。马达126使活塞128以约100Hz的频率振荡。在工作过程中，倍增器体积134内的压力振幅比主体积144内的压力振幅高约6％。蓄热器114是超过200层不锈钢丝网形成的叠层，液力半径， 总厚度等于支撑件118(11/4英寸)的厚度，截面积为12平方英寸。
替代实施例本发明的前述优选实施例的各个方面可以包括在其他热声装置中。图10示出了热声制冷装置180的另一实施例。装置180是对称的复式装置，具有中心线性马达182，驱动一对动力活塞184a和184b。这种设计可用于提供更大的制冷功率，或可以用作层叠设计，其中在装置180一端的热交换器用于冷却从另一端交换的废热。或者，两端可以针对不同的冷却温度优化，使一端冷却普通家用或商用制冷机/冰箱的冷冻部分，另一部分冷却保鲜部分。在所示实施例中，冷头热交换器186a和186b具有外露的冷却翅片188a和188b，用于直接冷却暴露于翅片188a和188b的空气。另外，装置180的内部部件基本上与前述实施例的部件相同。
图11示出了热声装置190的另一实施例。该装置也是对称复式，但两个半部分是翻转的，使冷头192a和192b连接在装置190的中心。不象图10的装置180，装置190利用一对马达194a和194b。装置190可以输出更大的冷却功率，且使一定程度的振动抵消。而且，因为由192a和192b组合形成的冷头热交换器上的静态和动态压力现在得到平衡，所以冷头热交换器的许多结构需求放松，可以进一步优化其传热功能。
可逆性在本文中公开的所有设计都是功能上可逆的。通过将高温度的热量施加在组合的冷头热交换器上，将产生声能，这将使动力活塞振荡。动力活塞的运动可以通过刚性轴连接于“线性马达”，该马达将用作产生电力的“线性交流发电机”。而且，虽然本文所述的热声装置已经通常描述为制冷机，但它们也可以用于提供热量，而不是提供制冷功率。通常，所述装置可以称为热泵，无论它们提供制冷功率还是热量。
热驱动实施例至此论述的本发明的实施例已经使用电动马达，来提供装置的驱动动力。或者，一个装置产生的声能可以由第二个装置来使用。图12示出了装置200的实施例，具有热输入端和冷输出端。在图12的实施例中，热量可以加在热交换器202上并从热交换器204排出。这样产生振荡的声波，使活塞206运动。活塞206又可以用于驱动装置200的右端。这样，如果热量从热交换器208排出，那么冷却负载可以施加在热交换器210上。热交换器202，204，208和210可以不同于所示构成。例如，热交换器202和/或210可以构成为传统的热交换器，而不是前一实施例论述的“冷头”设计。可取的是，活塞206以某种方式支撑，以实现振荡的线性运动。
仍然参照图10，热声装置180也可以用作热驱动装置。在该示例中，热量可以提供给热交换器188B，并从热交换器189B排出。这样产生驱动活塞184B的振荡声波。因为活塞184B通过公共轴连接于活塞184A，所以装置的右半部分由左半部分驱动。多余的功率可以利用马达182作为交流发电机提取。或者，所述马达可以用于补充热驱动端的功率，或在缺少热输入时提供右端所需的所有功率。
无波纹管设计至此所述的热声装置都利用如美国专利申请No.60/372008和名称为“热声装置的顺从性围壳”的未决美国专利申请所述的顺从性围壳。然而，本发明不限于使用顺从性围壳。代之以，可以使用间隙密封方案。图13示出了热声装置220。装置220包括具有安装在一端的线性马达224的压力容器222。所述马达与活塞226互连，该活塞紧密地装配在压力容器222的侧壁内径中。在活塞226的侧面和压力容器222的壁之间形成径向密封228。如本领域技术人员所公知，径向密封可包括间隙密封，动态O形环或其他方案。主体积230限定在压力容器222的壁内部和活塞226上方。倍增器体积232限定在倍增器腔室234内部和倍增器部件或活塞236上方。虽然倍增器活塞236示为使用柔性边缘密封与倍增器腔室234的其余部分密封，但它也可以使用径向密封，比如间隙密封，动态环，或其他方案。或者，倍增器腔室234可以具有形成其侧壁的一部分或全部的挠曲密封，如图14所示。对于本领域的技术人员来说显然热声装置的设计者可以选择“混和和匹配”挠曲密封，边缘密封，径向密封，和任何其他的方案，使本文的任一实施例中主腔室和倍增器腔室的体积和压力振荡。装置220以类似于针对热交换器和蓄热器设计的图4的实施例的方式工作。
互连的主活塞和倍增器活塞如前所述，可取的是，图4的装置110中的动力活塞128和倍增器锥体或活塞138基本上同相地运动。在另一实施例中，主动力活塞128和倍增器活塞138可以互连，从而迫使它们同相移动，且具有相同的位移。这可以通过提供互连两活塞128和138的刚性部件实现。或者，顺从性部件可以互连活塞128和138。该顺从性部件可以是比如塑料或橡胶材料形成的柔性件，或比如塑料或金属材料制成的弹簧。
图14给出了在活塞之间互连的另一种方案。图14提供了具有内设动力活塞254的压力容器252的热声装置250。线性马达256连接于动力活塞254，且可以使活塞254振荡。外波纹管258从动力活塞254延伸至支撑件260。内波纹管262位于外波纹管258内部且同轴。内波纹管262具有密封于动力活塞254的下端，和密封于支撑件260的上端，从而封闭热热交换器264。对于本领域的技术人员来说显然图14的实施例与图4的实施例功能类似，其中较小的倍增器体积266为热芯提供同相的压力波，且稍大于主体积268内的压力波。为清楚起见，倍增器体积266由内波纹管262和动力活塞254的一部分封闭，所述活塞也称为振荡部件。主体积268可以说封闭在外波纹管258和内波纹管262，和动力活塞254的一部分之间。而且，动力活塞的该部分可以认为是振荡部件。在这种情况下，两振荡部件可以认为互相成为一体。
也可以利用互连的主活塞和倍增器活塞来形成使倍增器体积内的压力振幅小于主体积内的压力振幅的装置。对于这些实施例，类似的压力振幅差别是有利的，且在两腔室内的压力基本上同相。对于这种装置来说流经蓄热器的气流方向与倍增器腔室的压力振幅较高的实施例相反。这样，对于这种类型的实施例来说，热和冷热交换器位置是颠倒的，所以冷热交换器具有形成倍增器体积的表面，且此时热热交换器形成主腔室的体积。
展开的实施例图15提供了一种热声装置280，其中倍增器体积282不位于活塞284和支撑件286之间。而是，倍增器体积282在支撑件286一侧上。如图所示，装置280具有压力容器288，其中线性马达290位于下端。线性马达使动力活塞284振荡，该活塞为间隙密封设计，在活塞284的周边有间隙密封292。或者，可以使用顺从性围壳设计，其中波纹管在活塞284和支撑件286之间延伸。通道294经支撑件286形成，实现装置280的上下半部分之间的流体连通。倍增器体积282装在倍增器圆柱体296内部，所述倍增器圆柱体在其上端由倍增器活塞298封闭。热热交换器300邻近倍增器体积282，且可以装在倍增器体积282内。如图所示，热热交换器可以在支撑件286的顶侧。冷热交换器302位于支撑件286的下侧，其中蓄热器304位于两者之间。不象前述的设计，冷热交换器302没有部分地位于压力容器288外部。所以，冷热交换器302在设计上更传统，其中热交换流体从热交换器302来回运动。
附加实施例本发明的上述实施例可以多种方式变化。作为一个示例，许多实施例可以省去压力容器，用波纹管或挠曲密封代替，用于容纳工作流体的动态和静态压力。作为另一示例，本文所述的多个实施例的某些部件可以组合或整体地形成，或可以另外提供较小的零件。作为一个示例，在图4的实施例中支撑件118可以与冷头热交换器112整体地形成，或认为是冷头热交换器的一部分。这样，冷头热交换器可以认为具有通道，其中设置蓄热器和/或热热交换器。对于本领域的技术人员来说，显然可以设想和产生其他的替代例，而不脱离本发明的范围或启示。
权利要求
1.一种具有工作模式和非工作模式的热声装置，所述装置包含壳体；支撑在所述壳体内且具有第一和第二表面的热芯，所述热芯包括形成所述热芯的第一表面的第一热交换器和形成所述热芯的第二表面的第二热交换器；与所述热芯的第一表面流体连通的主腔室；与所述热芯的第二表面流体连通的次级倍增器腔室；在压力下填充所述主腔室，所述倍增器腔室，和所述热芯的气态工作流体形成的工作体积，平衡压力定义为当热声装置处于非工作模式时气态工作流体的工作体积的压力；所述主腔室包括第一振荡部件，所述第一振荡部件可以在热声装置处于工作模式时振荡，而使倍增器腔室内的压力在大于平衡压力的峰值压力和小于平衡压力的最小压力之间振荡，主压力振幅定义为在主腔室内峰值压力和最小压力之间差值的一半；次级倍增器腔室包括第二振荡部件，所述第二振荡部件可以在热声装置处于工作模式时振荡，而使倍增器腔室内的压力在大于平衡压力的峰值压力和小于平衡压力的最小压力之间振荡，部倍增器压力振幅定义为倍增器腔室内的峰值压力和最小压力之间差值的一半；其中第一和第二振荡部件以基本上相同的频率振荡，且主腔室内和倍增器腔室内的压力振荡基本上同相；所述倍增器压力振幅大于主压力振幅。
2.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述倍增器压力振幅至少大于所述主压力振幅2％。
3.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述倍增器压力振幅至少大于所述主压力振幅4％。
4.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述倍增器压力振幅至少大于所述主压力振幅6％。
5.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于还包含连接于所述第一振荡部件的马达，所述马达可以使第一振荡部件正弦振荡，从而使热声装置用作热泵。
6.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于还包含连接于所述第一振荡部件的交流发电机，所述热声装置用作热驱动发动机。
7.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述倍增器腔室位于所述主腔室内。
8.如权利要求7所述的热声装置，其特征在于，所述第一热交换器包含热热交换器；所述第二热交换器包含冷头热交换器，该热交换器形成所述壳体的一端，所述冷头热交换器具有与内部热交换表面热连通的外部热交换表面；所述热声装置还包含位于所述壳体内邻近所述冷头热交换器的内热交换表面的支撑件，所述支撑件在所述倍增器体积和所述冷头热交换器的内部热交换表面之间形成第一通道，在所述主体积和所述冷头热交换器的内部热交换表面之间形成第二通道，从而使所述主体积和所述倍增器体积通过第一和第二通道流体连通；位于所述第一通道内的多孔蓄热元件，所述蓄热元件具有第一表面和第二表面，所述第一表面邻近所述冷头热交换器的内部热交换表面，且所述热热交换器位于所述蓄热元件的第二表面附近。
9.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述第一振荡部件包含活塞，所述主腔室包括具有一对端部和在两端部之间延伸的挠曲本体的挠曲密封，所述挠曲密封的一端与活塞密封，另一端与所述热芯的第一表面密封。
10.如权利要求9所述的热声装置，其特征在于所述挠曲密封包含波纹管。
11.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述主腔室具有周长侧壁，所述振荡部件包含具有可滑动啮合所述侧壁的周长的活塞。
12.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述倍增器腔室具有周长侧壁，其中边缘与所述热芯的第二表面隔开，所述第二振荡部件包含通过柔性密封与所述边缘互连的活塞。
13.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述第二振荡部件包含活塞，所述倍增器腔室包括具有一对端部和在两端部之间延伸的挠曲本体的挠曲密封，所述挠曲密封的一端与活塞密封，另一端与所述热芯的第二表面密封。
14.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述第一和第二振荡部件互连，而使其位移相同。
15.如权利要求14所述的热声装置，其特征在于所述第一和第二振荡部件整体地形成。
16.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述壳体包含压力容器，所述主腔室和倍增器腔室位于所述压力容器内，气态工作流体的附加体积填充所述压力容器。
17.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于还包含位于所述第一和第二热交换器之间的蓄热元件。
18.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于，所述第一热交换器包含一组通常平行的大致位于第一平面内且通常沿第一方向对齐的热传递元件；所述第二热交换器包含第二组通常平行的大致位于第二平面内且通常沿第二方向对齐的热传递元件，所述第二平面大致与第一平面平行，所述第二方向与所述第一方向成一定角度。
19.如权利要求18所述的热声装置，其特征在于所述第一热交换器的热传递元件是翅片，所述第二热交换器的热传递元件是流体填充的管道。
20.如权利要求18所述的热声装置，其特征在于所述第一和第二方向大致垂直。
21.一种热声装置，包含动力活塞；可以使所述动力活塞振荡的马达；与所述动力活塞间隔的冷头热交换器；具有一对端部和在两端部之间延伸的挠曲本体的挠曲密封，所述端部之一与所述动力活塞密封互连，另一端与所述冷头密封互连，在所述动力活塞和所述冷头之间在所述挠曲密封内形成主体积；位于所述主体积内的倍增器腔室，所述腔室具有与所述冷头密封互连的第一端和敞开的第二端；封闭所述倍增器腔室的开口端定位的倍增器活塞，在所述倍增器活塞和所述冷头之间在所述倍增器腔室内形成倍增器体积；所述冷头在所述主体积和所述倍增器体积之间形成通道；位于所述通道的多孔蓄热元件，所述蓄热元件具有第一和第二侧；第一和第二热交换器，所述第一热交换器位于所述蓄热元件的第一侧，所述第二热交换器位于所述蓄热元件的第二侧。
22.一种热声装置，包含具有第一端和第二端的壳体；形成所述壳体的第一端的冷头热交换器，所述冷头热交换器具有与内部热交换表面热连通的外部热交换表面；位于所述壳体内且其中形成倍增器体积的倍增器腔室，所述倍增器腔室包括倍增器振荡部件，所述倍增器振荡部件可以运动，而使所述倍增器体积增加和减小；位于所述壳体内且围绕所述倍增器腔室的主腔室，所述主腔室具有在倍增器腔室和主腔室之间形成的主体积，所述主腔室包括主振荡部件，所述主振荡部件可以运动而使所述主体积增加和减小；位于所述壳体内邻近所述冷头热交换器的内部热交换表面的支撑件，所述支撑件在所述倍增器体积和所述冷头热交换器的内部热交换表面之间形成第一通道，在所述主体积和所述冷头热交换器的内部热交换表面之间形成第二通道，从而使所述主体积和所述倍增器体积通过第一和第二通道流体连通；位于所述第一通道内的多孔蓄热元件，所述蓄热元件具有第一表面和第二表面，所述第一表面邻近所述冷头热交换器的内部热交换表面，且所述热热交换器位于所述蓄热元件的第二表面附近。
23.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于还包含连接于所述主振荡部件的马达，所述马达可以使所述主振荡部件振荡，从而使所述热声装置用作热泵。
24.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于还包含连接于所述主振荡部件的交流发电机，所述热声装置用作热驱动发动机。
25.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述主振荡部件包含活塞，所述主腔室包括具有一对端部和在两端部之间延伸的挠曲本体的挠曲密封，所述挠曲密封的一端与活塞密封，另一端与所述第二通道流体连通。
26.如权利要求25所述的热声装置，其特征在于所述挠曲密封包含波纹管。
27.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述主腔室具有周长侧壁，且所述主振荡部件包含具有可滑动地啮合所述侧壁的周长边缘的活塞。
28.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述倍增器腔室具有周长侧壁，其中边缘与所述第一通道隔开，所述倍增器振荡部件包含通过挠曲密封与所述边缘互连的活塞。
29.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述倍增器振荡部件包含活塞，所述倍增器腔室包括具有一对端部和在两端部之间延伸的挠曲本体的挠曲密封，所述挠曲密封的一端与活塞密封，另一端与所述第一通道流体连通。
30.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述主和倍增器振荡部件互连，而使其位移相同。
31.如权利要求30所述的热声装置，其特征在于所述主和倍增器振荡部件整体地形成。
32.如权利要求30所述的热声装置，其特征在于所述壳体包含压力容器，所述主腔室和倍增器腔室位于所述压力容器内，气态工作流体的附加体积填充在主腔室和倍增器腔室之外的压力容器部分。
33.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述蓄热元件位于所述第一通道内。
34.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述内部热交换表面包括从所述冷头热交换器垂直延伸的翅片。
35.如权利要求34所述的装置，其特征在于所述外部热交换表面包括从所述冷头热交换表面垂直延伸的翅片，所述内表面上的翅片和所述外表面上的翅片通常互相垂直。
36.一种热声装置，包含具有第一端和第二端的壳体；形成所述壳体的第一端的冷头热交换器，所述冷头热交换器具有与内部热交换表面热连通的外部热交换表面；位于所述壳体内且其中形成倍增器体积的倍增器腔室，所述倍增器体积包括倍增器振荡部件，所述倍增器振荡部件可以运动，而使所述倍增器体积增加和减小；位于所述壳体内且其中形成主体积的主腔室，所述主腔室包括主振荡部件，所述主振荡部件可以运动，而使所述主体积增加和减小；位于所述壳体内靠近所述冷头热交换器的内部热交换表面的支撑件，所述支撑件在所述倍增器体积和所述冷头热交换器的内部热交换表面之间形成第一通道，在所述主体积和所述冷头热交换器的内部热交换表面之间形成第二通道，从而使所述主体积和所述倍增器体积经第一和第二通道流体连通；位于所述通道之一内的多孔蓄热元件，所述蓄热元件具有第一表面和第二表面，所述第一表面邻近所述冷头热交换器的内部热交换表面，所述热热交换器邻近所述蓄热元件的第二表面。
37.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于还包含连接于所述主振荡部件的马达，所述马达可以使所述主振荡部件振荡，从而使所述热声装置用作热泵。
38.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于还包含连接于所述主振荡部件的交流发电机，所述热声装置用作热驱动发动机。
39.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述主振荡部件包含活塞，所述主腔室包括具有一对端部和在两端部之间延伸的挠曲本体的挠曲密封，所述挠曲密封的一端与活塞密封，另一端与所述第二通道流体连通。
40.如权利要求39所述的热声装置，其特征在于所述挠曲密封包含波纹管。
41.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述主腔室具有周长侧壁，且所述主振荡部件包含具有可滑动地啮合所述侧壁的周长边缘的活塞。
42.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述倍增器腔室具有周长侧壁，其中边缘与所述第一通道隔开，所述倍增器振荡部件包含通过挠曲密封与所述边缘互连的活塞。
43.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述倍增器振荡部件包含活塞，所述倍增器腔室包括具有一对端部和在两端部之间延伸的挠曲本体的挠曲密封，所述挠曲密封的一端与活塞密封，另一端与所述第一通道流体连通。
44.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述主和倍增器振荡部件互连，而使其位移相同。
45.如权利要求44所述的热声装置，其特征在于所述主和倍增器振荡部件整体地形成。
46.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述壳体包含压力容器，所述主腔室和倍增器腔室位于所述压力容器内，气态工作流体的附加体积填充在主腔室和倍增器腔室之外的压力容器部分。
47.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述蓄热元件位于所述第一通道内。
48.如权利要求22所述的热声装置，其特征在于所述内部热交换表面包括从所述冷头热交换器垂直延伸的翅片。
49.如权利要求48所述的装置，其特征在于所述外部热交换表面包括从所述冷头热交换表面垂直延伸的翅片，所述内表面上的翅片和所述外表面上的翅片通常互相垂直。
50.一种热声装置，具有具有位于其中的气态工作流体形成的工作体积的腔室；形成所述腔室的一部分且可以运动而是所述腔室的所述体积增加和减小的振荡部件；位于所述腔室内的热芯，所述热芯包括第一热交换器和第二热交换器；所述改进包含第一热交换器具有一组通常平行的大致位于第一平面内且通常沿第一方向对齐的热传递元件；第二热交换器具有第二组通常平行的大致位于第二平面内且通常沿第二方向对齐的热传递元件；其中所述第二平面通常平行于所述第一平面，且所述第二方向与所述第一方向成一角度。
51.如权利要求50所述的热声装置，其特征在于所述第一和第二方向通常互相垂直。
52.如权利要求50所述的热声装置，其特征在于所述第一热交换器的热传递元件是翅片，所述第二热交换器的热传递元件是流体填充的管道。
53.如权利要求50所述的热声装置，其特征在于所述第一热交换器的热传递元件和所述第二热交换器的热传递元件都是流体填充的管道。
54.一种具有工作模式和非工作模式的热声装置，所述装置包含壳体；支撑在所述壳体内且具有第一和第二表面的热芯，所述热芯包括形成所述热芯的第一表面的第一热交换器，和形成所述热芯的第二表面的第二热交换器；与所述热芯的第一表面流体连通的主腔室；与所述热芯的第二表面流体连通的次级倍增器腔室；在一定压力下填充所述主腔室，所述倍增器腔室和所述热芯的气态工作流体的工作体积，平衡压力定义为当所述热声装置处于非工作模式时气态工作流体的工作体积的压力；所述主腔室包括第一振荡部件，所述第一振荡部件在所述热声装置处于工作模式时振荡，而使所述倍增器腔室内的压力在大于平衡压力的峰值压力和小于平衡压力的最小压力之间振荡，主压力振幅定义为主腔室内峰值压力和最小压力之间差值的一半；所述次级倍增器腔室包括第二振荡部件，所述第二振荡部件在所述热声装置处于工作模式时振荡，而使所述倍增器腔室内的压力在大于平衡压力的峰值压力和小于平衡压力的最小压力之间振荡，倍增器压力振幅定义为倍增器腔室内峰值压力和最小压力之间差值的一半；其中所述第一和第二振荡部件以基本上相同的频率振荡，且使所述主腔室和所述倍增器腔室内的压力振荡基本上同相；所述倍增器压力振幅小于所述主压力振幅。
55.如权利要求54所述的热声装置，其特征在于所述倍增器压力振幅至少小于所述主压力振幅2％。
56.如权利要求54所述的热声装置，其特征在于所述倍增器压力振幅至少小于所述主压力振幅4％。
57.如权利要求1所述的热声装置，其特征在于所述倍增器压力振幅至少小于所述主压力振幅6％。
58.如权利要求54所述的热声装置，其特征在于还包含连接于所述第一振荡部件的马达，所述马达可以使第一振荡部件正弦振荡，从而使热声装置作为热泵工作。
59.如权利要求54所述的热声装置，其特征在于还包含连接于所述第一振荡部件的交流发电机，所述热声装置作为热驱动发动机工作。
60.如权利要求54所述的热声装置，其特征在于所述倍增器腔室位于所述主腔室内。
全文摘要
一种热声装置(110)，包括壳体(120)，其中热芯支撑在所述壳体内且具有第一和第二表面。所述热芯包括形成所述热芯的第一表面的第一热交换器(112)和形成所述热芯的第二表面的第二热交换器(116)。主腔室与所述热芯的第一表面流体连通，次级倍增器腔室与所述热芯的第二表面流体连通。气态工作流体的工作体积(144)在压力下填充所述主腔室，所述倍增器腔室和所述热芯。平衡压力定义为在所述热声装置处于非工作模式时气态工作流体的工作体积的压力。
文档编号F02G1/043GK1659411SQ03813294
公开日2005年8月24日 申请日期2003年4月10日 优先权日2002年4月10日
发明者罗伯特·W·M·史密斯, 马修·E·伯泽, 史蒂文·L·加勒特, 雷·S·韦克兰德 申请人:宾西法尼亚州研究基金会