热声驱动机组、热声发动机及热声热泵系统的制作方法

本发明涉及能源利用设备技术领域，尤其涉及一种热声驱动机组、热声发动机及热声热泵系统。

背景技术：

热声发动机是将热能转换为声波形式的机械能的新型动力装置，热能可以包括各种形式，例如太阳能，工业废热，燃烧热等；热声热泵则是将声波形式的机械能转化为热能，实现泵热或者制冷的装置，广义的热泵包括制冷机和供热机，前者是获得冷量，后者是为了获得热量。

在目前现有的热声发动机中，为了能实现能量逐级转换，充分利用低品位热能，通常将多组发动机组件首尾连接，形成串联结构，但是上述的这种结构中，为了便于能量匹配，系统中相邻两级发动机组件的尺寸不同，通常在后一级的发动机组件的直径大于在前一级的发动机组件的直径，但由于每级发动机组件的长度基本保持不变，在热声发动机中，随着多级发动机组件的增设，靠后的发动机组件将变成扁而粗的结构，这种结构对于保持发动机回热器的内横截面上的能量流动均匀性和温度分布均匀性来说，是非常困难的，能量流动不均匀和温度分布不均匀均会严重降低发动机性能，从而导致系统的工作效率下降；此外，各级发动机组件及各级热泵组件的尺寸不同，会导致在工业生产中需要调配不同生产线进行生产，极大的增加了制造成本。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种热声驱动机组、热声发动机及热声热泵系统，通过并联耦合优化系统结构，确保发动机组件中的回热器内横截面上的能量流动均匀、温度分布均匀，从而大幅提高热声发动机及热声热泵系统的工作效率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热声驱动机组，包括多级发动机组件，多级所述发动机组件之间逐级并联耦合，以逐级放大声波能量。

进一步的，每一级所述发动机组件均包括至少一个能量放大单元；以及在相邻的两级所述发动机组件中，后一级的至少两个所述能量放大单元的能量输入端、分别并联耦合在前一级的同一个所述能量放大单元的能量输出端上。

进一步的，多级所述发动机组件中，第一级所述发动机组件的能量输入端和能量输出端之间连接有一个所述能量放大单元，其余各级所述发动机组件的能量输入端和能量输出端之间均连接有至少两个所述能量放大单元。

进一步的，每个所述能量放大单元均预设有能量放大比例，则任一级所述发动机组件中的能量放大单元的数量满足：

m＝A^(n-1)

其中，m为第n级所述发动机组件中的能量放大单元的数量，A为所述能量放大比例。

进一步的，其特征在于，所述能量放大单元包括：顺次连接在所述发动机组件的能量输入端和能量输出端之间的发动机主水冷器、发动机回热器和加热器。

进一步的，所述能量放大单元还包括发动机调相机构，所述发动机调相机构设置于加热器与发动机组件的能量输出端之间。

进一步的，各级所述发动机组件之间通过谐振子逐级并联耦合，所述谐振子用于在各级所述发动机组件之间形成行波声场。

进一步的，所述谐振子包括活塞和支撑弹簧，所述支撑弹簧的一端固定，另一端与活塞连接，所述活塞沿声波能量的流向设置，用于形成行波声场。

本发明还提供了一种热声发动机，包括如上所述的热声驱动机组，所述热声驱动机组的能量输入端和能量输出端分别连接有压缩机和发电机。

本发明还提供了一种热声热泵系统，包括如上所述的热声发动机，所述热声驱动机组的能量输出端和发电机之间连接有多级热泵组件，多级所述热泵组件之间逐级并联耦合，且与多级所述发动机组件对应设置。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的热声驱动机组包括多级发动机组件，多级发动机组件之间逐级并联耦合，以逐级放大声波能量，从而确保发动机组件中的回热器内横截面上的能量流动均匀、温度分布均匀，从而大幅提高热声发动机及热声热泵系统的工作效率。

2、本发明的热声驱动机组通过将多级发动机组件之间并联耦合，使得各个能量放大单元的制造尺寸相同，有利于批量化生产，降低生产成本。

3、本发明的热声驱动机组中，多级发动机组件之间通过谐振子并联耦合，从而在多级发动机组件之间形成行波声场，使得声波能量的传输更加高效，大幅减少能量传输过程中的损失，提高系统工作效率。

4、本发明的热声驱动机组通过增设发动机调相机构，确保系统的工作温度处于合理范围内，进一步提高系统工作的安全性和稳定性。

5、本发明的热声发动机利用压缩机向热声驱动机组内输送压力波，以在热声驱动机组内形成声波能量，并将声波能量逐级放大后转化为电能，从而实现高效回收并转化低品位热能，实现能源的回收利用。

6、本发明的热声热泵系统通过将热声发动机与热声热泵对应耦合连接，先通过热声发动机对来自压缩机的声波能量补充热能，从而逐级放大声波能量，然后通过热声热泵将放大后的声波能量逐级降低、以将声波能量分别转换为热能和电能，使得该系统既能有效利用低品位热量，实现高效的制冷或供热功能，还能利用发电机与谐振子协同工作，将转化的电能通过发电机对压缩机电能进行补充，从而有效提高系统的工作效率，减小系统能量损失。

附图说明

图1为本发明实施例一的热声驱动机组的结构示意图；

图2为本发明实施例二的热声发动机的结构示意图；

图3为本发明实施例三的热声热泵系统的结构示意图；

图4为本发明实施例四的热声热泵系统的结构示意图。

其中，1、发动机主水冷器；2、发动机回热器；3、加热器；4、发动机热缓冲管；5、次水冷器；9、制冷机主水冷器；10、制冷回热器；11、冷头；12、脉管；13、制冷机的层流化元件；18、压缩机；19、发电机；16、25、27、活塞；17、26、28、支撑弹簧；21、主吸热器；22、供热回热器；23、热头；24、供热机热缓冲管；25、供热机的层流化元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

本实施例一提出了一种具有并联耦合结构的热声驱动机组，如图1所示，该热声驱动机组包括多级发动机组件，多级发动机组件之间逐级并联耦合，以逐级放大声波能量，从而确保发动机组件中的发动机回热器2内横截面上的能量流动均匀、温度分布均匀，从而大幅提高热声发动机及热声热泵系统的工作效率，此外，该热声驱动机组通过将多级发动机组件之间并联耦合，还能使得各个能量放大单元的制造尺寸相同，有利于批量化生产，降低生产成本。

一方面，每一级发动机组件均包括至少一个能量放大单元，能量放大单元包括顺次连接在发动机组件的能量输入端和能量输出端之间的发动机主水冷器1、发动机回热器2和加热器3，该能量放大单元在工作时，首先利用加热器3对热声发动机内部进行加热，以使温度升高，然后压缩机18通过运动向热声发动机内输入机械能，由于发动机回热管的一端连接加热器3，另一端连接发动机主水冷器1，使得发动机回热管的两端形成具有温度梯度的热能场，当来自压缩机18的机械能进入回热管时，受到热能场的影响，产生自激的声波震荡，从而使声波能量受到热能补充，具体表现在：与从热声发动机的能量输入端进入的能量相比，从热声发动机的能量输出端输出的声波能量放大了一定比例；同时，加热器3可以充分回收利用低品位余热，将其补充入声波能量中，从而实现低品位余热的回收，转化为高品位能量再次利用。

在上述的能量放大单元中还包括发动机调相机构，以对经过热能补充放大的声波能量进行温控补偿，本实施例一的发动机调相机构优选包括发动机热缓冲管和次水冷器4，发动机热缓冲管和次水冷器4顺次连接在加热器3和发动机组件能量输出端之间，确保在加热器3与谐振子之间形成温度缓冲，避免热声发动机的加热器3与谐振子过近，造成加热器3的工作温度过高，进而造成系统不稳定。

另一方面，在相邻的两级发动机组件中，后一级的至少两个能量放大单元的能量输入端、分别并联耦合在前一级的同一个能量放大单元的能量输出端上，从而形成逐级并联耦合的连接结构。

进一步优选的，第一级发动机组件的能量输入端和能量输出端之间连接有一个能量放大单元，其余各级发动机组件的能量输入端和能量输出端之间均连接有至少两个能量放大单元；在相邻两级发动机组件中，后一级的至少两个能量放大单元的能量输入端分别通过谐振子、对应并联耦合在前一级的任一能量放大单元的能量输出端上。

上述结构热声发动机中，采用并联耦合结构使得每一级能量放大单元的能量输入端的能量输入量相等，从而保证所有的发动机组件可以采用相同的尺寸设计，避免级数靠后的发动机组件尺寸过大而导致系统性能下降的情况，同时有效降低了批量生产的生产成本，具有更好的经济效益。

为了保证多级发动机组件的等比放大，优选的，每个能量放大单元均预设有能量放大比例，则任一级发动机组件中的能量放大单元的数量满足：

m＝A^(n-1)

其中，m为第n级发动机组件中的能量放大单元的数量，A为能量放大比例。

例如图1所示的热声驱动机构中，每个能量放大单元的能量放大比例为2，则第二级发动机组件中的能量放大单元的数量为2个，第三级发动机组件中的能量放大单元的数量为4个，以此类推，第四级发动机组件中的能量放大单元的数量为8个；其中，每个能量放大单元的输入能量和输出能量均相等，从而一方面避免出现发动机组件级数过高后，最后几级发动机组件尺寸过于庞大，而造成发动机组件的回热器2内横截面上的流动均匀性不佳，温度分布不均匀，从而避免发动机效率降低，另一方面可以优化热声发动机的结构，实现批量化流水线生产，降低生产成本。

一般地，根据实验数据表明，能量放大比例A的选取与加热器3的加热温度有关：当加热温度在450℃～700℃之间时，能量放大比例A＝2，当加热温度在700℃～1000℃之间时，能量放大比例A＝3；受到材料的限制，加热温度一般不能超过1000℃；此外，当加热温度在450℃以下时，能量放大比例A＝1。

本实施例一中，为了提高各级发动机组件之间的并联耦合效率，简化结构，优选谐振子包括活塞25和支撑弹簧26，支撑弹簧26的一端固定，另一端与活塞25连接，活塞25沿声波能量的流向设置，用于形成行波声场。

具体的，支撑弹簧26的轴线沿声波能量的流向设置，支撑弹簧26的一端固定在声波能量来源端，即各级发动机组件的能量输出端，支撑弹簧26的另一端固定在活塞25背面，活塞25的正面朝向热声热泵的能量输入端，活塞25在支撑弹簧26的弹力作用下，在各级发动机组件之间发生谐振作用，从而形成行波声场，以促进声波能量的传递效率，有效降低能量输送时的能量损耗。

需要说明的是，设置在热声发动机和热声热泵之间的谐振子的结构中，当支撑弹簧26沿声波能量的流向设置时，活塞25的正面朝向行波声场的能量输出端，其背面朝向行波声场的能量输入端，利用支撑弹簧26的伸缩带动活塞25谐振运动，从而实现声波能量在行波声场中的高效流动；除此之外，还可以设置旁通通道，将支撑弹簧26的一端固定在旁通通道的末端，另一端连接在活塞25的背面，使活塞25在行波声场中通过支撑弹簧26的带动而运动，从而实现声波能量在行波声场中的高效流动。

实施例二

本实施例二提出了一种热声发动机，该热声发动机的结构是在实施例一的热声驱动机组的结构基础上做的改进，故而对该热声发动机与实施例一的热声驱动机组中相同部分不再赘述，不同之处在于：热声驱动机组的能量输入端和能量输出端分别连接有压缩机和发电机，利用压缩机向热声驱动机组内输送压力波，以在热声驱动机组内形成声波能量，并将声波能量逐级放大后转化为电能，从而实现高效回收并转化低品位热能，实现能源的回收利用。

具体的，如图2所示，在热声驱动机组的第一级发动机组件中，能量放大单元的能量输入端与压缩机的活塞连接，利用压缩机活塞运动时产生的压力波输入到第一级发动机组件中，从而形成最初的声波能量；而最后一级发动机组件中，各个能量放大单元的能量输出端分别并联在发电机的活塞上，从而利用各个能量放大单元的能量输出端将逐级放大后的声波能量输送到发电机中，以推动发动机的活塞运动，从而高效驱动发电机发电。

实施例三

本实施例三提出了一种热声热泵系统，该系统的结构是在实施例二的热声发动机的结构基础上做的改进，故而对该系统与实施例二的热声发动机中相同部分不再赘述，不同之处在于：本实施例三的系统如图3所示，热声驱动机组的能量输出端和发电机之间连接有多级热泵组件，多级热泵组件之间逐级并联耦合，且与多级所述发动机组件对应设置。

为了保证能量传输的匹配性，多级热泵组件的并联耦合结构与热声发动机的结构对应，在多级热泵组件中，最后一级热泵组件的能量输入端和能量输出端之间连接有一个能量转换单元，其余各级热泵组件的能量输入端和能量输出端之间均连接有至少两个能量转换单元；在相邻两级发动机组件中，前一级的至少两个能量转换单元的能量输出端同时通过谐振子、并联耦合在后一级的一个能量转换单元的能量输入端上。

其中，能量转换单元包括：作为调温机构的制冷机主水冷器9、作为热泵回热器的制冷回热器10和作为恒温头的冷头11，当热声热泵为制冷机时，能量转换单元用于制冷，此时制冷机主水冷器9、制冷回热器10和冷头11顺次连接在热泵组件的能量输入端和能量输出端之间，声波能量经过谐振子作用进入制冷机后，一部分声波能量被用来将冷头11内的热量经由制冷回热器10泵送到制冷机主水冷器9，从而产生制冷作用，另一部分声波能量通过推动发电机19运动而转化为电能，从而可以利用发电机19为压缩机18供电，使系统得到能量的闭环补充，使系统结构更加紧凑，减少系统能量损失；同时，由于部分能量在系统内循环利用，从而使得系统的工作频率由压缩机18决定，仅控制压缩机18即可控制系统的工作频率，使得系统的控制更为简单。

在上述的能量转换单元中还包括热泵调相机构，以对声波能量转化为热能的过程进行温控补偿，由于本实施力三的多级热泵组件用于制冷，因此热泵调相机构设置于恒温头与热泵组件的能量输出端之间，优选该热泵调相机构包括脉管12和制冷机的层流化元件13，脉管12和制冷机的层流化元件13顺次连接在冷头11和热泵组件的能量输出端之间，确保在冷头11与能量输出端之间形成温度缓冲，避免制冷机因冷头11与发电机19或谐振子过近，造成冷头11温度过高，进而造成系统不稳定。

具体的，以下以系统采用两级并联耦合结构，且热声热泵为制冷机为例，对该系统的各级结构和能量传输进行详细说明。

如图3所示，系统采用两级并联耦合结构，热声发动机和制冷机分别设有两级发动机组件和两级热泵组件，两级发动机组件之间、第二级发动机组件和第一级热泵组件之间、以及两级热泵组件之间分别通过谐振子产生行波声道，从而实现声波能量的高效传输。

其中，第一级发动机组件的能量输入端和能量输出端之间连接有一个能量放大单元，声波能量经过第一级发动机组件后被放大两倍，对应的，第二级发动机组件的能量输入端和能量输出端之间并联连接两个能量放大单元，第二级的两个能量放大单元的能量输入端分别通过谐振子、对应并联耦合在第一级的能量放大单元的能量输出端上，则放大两倍后的声波能量被平均分配到第二级发动机组件的两个能量放大单元中，分别进行二次放大。

对应的，制冷机设有两级热泵组件，热泵组件用于制冷，其中，第二级热泵组件的能量输入端和能量输出端之间连接有一个能量转换单元，而第一级热泵组件的能量输入端和能量输出端之间并联连接有两个能量转换单元，声波能量经过第一级热泵组件后通过制冷耗能，降为输入能量的1/2，第一级的两个能量转换单元的能量输出端同时通过一个谐振子、并联耦合在第二级的一个能量转换单元的能量输入端上；第一级的两个能量转换单元的能量输入端各自通过一个谐振子、与两级发动机组件的两个能量放大单元的能量输出端串联耦合，从而确保能量传输的可靠匹配，则被上一级热泵组件降低后的声波能量被平均分配到第二级热泵组件的两个能量放大单元中，分别进行二次制冷耗能，以进一步降低能量。

该热声热泵系统通过将热声发动机与热声热泵对应耦合连接，先通过热声发动机对来自压缩机的声波能量补充热能，从而逐级放大声波能量，然后通过热声热泵将放大后的声波能量逐级降低、以将声波能量分别转换为热能和电能，使得该系统既能有效利用低品位热量，实现高效的制冷或供热功能，还能利用发电机与谐振子协同工作，将转化的电能通过发电机对压缩机电能进行补充，从而有效提高系统的工作效率，减小系统能量损失。

需要说明的是，可以预设发动机组件的能量放大比例，对应预设热泵组件的能量剩余比例，使能量放大比例与能量剩余比例相对应，且能量放大单元的个数和能量转换单元个数，均对应按能量放大比例设置，即可实现系统的等比放大和等比转换。比如能量放大比例为3时，则在相邻两级发动机组件中，将后一级发动机组件的3个能量放大单元的能量输入端并联耦合在前一级的能量放大单元的能量输出端上，即可实现等比放大；对应的，能量剩余比例为1/3，且在相邻两级热泵组件中，将前一级热泵组件的3个能量转换单元的能量输出端并联耦合在后一级的能量转换单元的能量输入端上，即可实现等比转换。

本实施例三的热声发动机中，设置在发动机组件与热泵组件之间的活塞16和支撑弹簧17、以及设置在多级热泵组件之间的活塞27和支撑弹簧28的结构设置，均可以按照如实施例一所述的两种谐振子的结构中的一种设置，以实现声波能量在行波声场中的高效流动，进而促进系统性能的提高。

实施例四

本实施例四提出了一种热声热泵系统，其结构分别与实施例一、实施例二和实施例三基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例四的系统中，多级热泵组件用于供热，即各个能量转换单元均用于供热。

其中，如图4所示，该能量转换单元包括：作为调温机构的主吸热器21、作为热泵回热器的供热回热器22和作为恒温头的热头23，此时主吸热器21、供热回热器22和热头23顺次连接在热泵组件的能量输出端和能量输入端之间，声波能量经过谐振子作用进入供热机后，一部分声波能量在主吸热器21吸收热量，经由供热回热器22泵送到热头23，从而产生供热作用，另一部分声波能量通过推动发电机19运动而转化为电能，在此过程中，声波能量因转变为热能而逐级减小，最终剩余的声波能量转化为电能输入发电机19中。该热声热泵在供热时可以完成作为供热机取暖、作为加热装置加热特殊部件、实现低品位余热的回收等工作。

在上述的供热机中，每一个能量转换单元中还包括热泵调相机构，以对声波能量转化为热能的过程进行温控补偿，由于本实施例四的热声热泵为供热机，因此热泵调相机构设置于恒温头与热泵组件的能量输入端之间；优选该热泵调相机构包括供热机热缓冲管24和供热机的层流化元件25，供热机热缓冲管24和供热机的层流化元件25顺次连接在热头23和热泵组件的能量输入端之间，确保在热头23与能量输入端之间形成温度缓冲，避免供热机因热头23与谐振子或压缩机18过近，造成温度过高，进而造成系统不稳定。

实施例五

本实施例五提出了一种热声驱动组件、热声发动机和热声热泵系统，其结构分别与实施例一、实施例二、实施例三和实施例四的结构对应相比基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例五中，分别在上述四个实施例所述的结构基础上，卸除发动机调相机构，即将每个能量放大单元的加热器3均直接与能量输出端连接，从而减少发动机中的能量流动的损失，提高系统效率。

或者分别在上述四个实施例所述的系统基础上，卸除热泵调相机构。具体为：当能量转换单元用于制冷时，将每个能量转换单元的恒温头均直接与能量输出端连接，当能量转换单元用于供热时，将每个能量转换单元的恒温头均直接与能量输入端连接，从而减少热声热泵内的能量流动损失，提高系统效率。

或者分别在上述四个实施例所述的系统基础上，按照上述两种方式同时卸除发动机调相机构和热泵调相机构，从而同时减少热声发动机和热声热泵内的能量流动损失，进一步提高系统效率。

本发明所述的所有实施例均是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。