[发明专利]紧凑的热声阵列能量转换器

说明书

政府权利

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

本发明总体涉及用于谐振器中将热转换为声音时生成电的系统和方法。更具体地，本发明涉及最小化设备中将热转换为声音时直接生成电的系统和方法，该最小化设备是紧凑的、轻的，并能够处理高功率密度。

背景技术

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。

谐振管中建立的声驻波迫使谐振器内的工作流体(例如气体)经历压缩、加热、膨胀、以及冷却的循环。在此情况下，热能转换为声能并维持了驻波。

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。

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。

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。

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。

在高频操作的另一优点来自与现有技术热声设备的比较，与半导体设备和生物样品相比，现有技术热声设备相对较大。从而，使得热声能量转换器足够小以能够用于该设备和样品是另一优点。

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。

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。

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

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。