本發明涉及發電裝置技術領域，尤其涉及一種利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機，具體涉及一種結構簡單、制造成本低且能提高生產效率的利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機。

背景技術：

熱聲發動機是將熱能轉換為機械能的新型動力裝置，如果將其與發電機相連，將機械能轉化為電能就構成了一種熱聲發電機。熱聲發電機是一種外燃式的發電設備，可以利用廢熱、太陽能、工業余熱等進行發電，因此具有廣泛的應用前景。如圖1為一種雙作用熱聲發電機結構，它由三個單元組成，每個單元包括熱聲發動機和直線電機。熱聲發動機的核心部件包括主水冷器1、回熱器2、加熱器3、熱緩沖管4及次水冷器5；直線電機包括膨脹活塞11、膨脹腔11’、壓縮活塞12、壓縮腔12’、動子13及定子14等。熱聲發動機的次水冷器5跟直線電機的膨脹腔11’相連，直線電機的壓縮腔12’再跟另一個單元中熱聲發動機的主水冷器1相連，這樣各單元之間首尾相連構成一個環路。直線電機的活塞和動子13起到諧振子的作用，決定系統的工作頻率。系統工作時，熱聲發動機的加熱器3溫度升高到一定值，系統就會產生自激的聲波振蕩，聲波消耗部分能量波推動膨脹活塞11往復運動，將聲波形式的機械能轉變為電能，聲波的剩余能量通過電機的動子13傳遞到壓縮活塞12，再以聲波的形式進入另一個單元的發動機，聲波在回熱器2中能量被放大后再推動該單元中的膨脹活塞11工作。

采用上述結構的熱聲發電機，直線電機的膨脹活塞11及壓縮活塞12和動子13采用板簧支撐，且膨脹活塞11及壓縮活塞12與氣缸之間采用精密的間隙密封以消除二者之間的摩擦，這對加工工藝提出了很高的要求，加工成本高且生存效率低下；另外直線電機的磁路、線圈等制作成本高，這些因素最后導致熱聲發電機生產成本較為昂貴，難以實用化。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是：提供一種結構簡單、制造成本低且能提高生產效率的利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機，以解決現有的熱聲發電機結構復雜、對加工工藝要求高而造成的成本高、生產效率低及實用性差的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機，包括至少三組熱聲發電單元，每組所述熱聲發電單元均包括熱聲發動機、內部設有液態金屬的儲液管及至少一個摩擦發電機；所述熱聲發動機包括依次連接的主冷水器、回熱器及與所述儲液管的進口端連接的加熱器；該組所述熱聲發電單元的儲液管的出口端通過連接管與下一組熱聲發電單元的主冷水器連通，該組所述熱聲發電單元的主冷水器通過連接管與末組熱聲發電單元的儲液管的出口端連通，以形成閉合環路；所述摩擦發電機包括連接形成導電環路的外接負載及兩個電極，所述兩個電極設于所述儲液管內且其中一個所述電極始終與所述儲液管內的液態金屬接觸，另一個所述電極的外表面設有發電材料層，所述熱聲發動機推動所述儲液管內的液態金屬做升降往復運動，以使得所述設有發電材料層的電極與所述液態金屬在接觸狀態和分離狀態之間切換。

其中，所述摩擦發電機的數量為兩個，其中一個所述摩擦發電機的兩個電極設于靠近所述儲液管的進口端的端口處，另一個所述摩擦發電機的兩個電極設于靠近所述儲液管的出口端的端口處。

其中，所述熱聲發動機還包括設于所述加熱器與所述儲液管的進口端之間的熱緩沖管及次水冷器，所述熱緩沖管與所述加熱器連接，所述次水冷器與所述儲液管的進口端連接。

其中，所述儲液管的進口端和出口端均設有浮子，且設于所述儲液管出口端的浮子構造有兩個用于穿設所述兩個電極的通孔。

其中，所述外表面設有發電材料層的電極的下端為針尖結構。

其中，所述儲液管的剖面形狀為U型或V型或W型。

其中，所述液態金屬為汞或鈉鉀混合物或鎵或鈉或鉀。

其中，所述發電材料層為具有多個凸起結構的發電材料層。

其中，所述發電材料層采用聚酰亞胺或聚四氟乙烯或聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯或聚二甲硅氧烷或聚對二甲苯材質制成。

(三)有益效果

本發明的上述技術方案具有如下優點：本發明提供了一種利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機，包括至少三組熱聲發電單元，每組熱聲發電單元均包括熱聲發動機、內部設有液態金屬的儲液管及至少一個摩擦發電機；熱聲發動機包括依次連接的主冷水器、回熱器及與儲液管的進口端連接的加熱器；該組熱聲發電單元的儲液管的出口端通過連接管與下一組熱聲發電單元的主冷水器連通，該組熱聲發電單元的主冷水器通過連接管與末組熱聲發電單元的儲液管的出口端連通，以形成閉合環路；摩擦發電機包括連接形成導電環路的外接負載及兩個電極，兩個電極設于儲液管內且其中一個電極始終與儲液管內的液態金屬接觸，另一個電極的外表面設有發電材料層，熱聲發動機推動儲液管內的液態金屬做升降往復運動，以使得設有發電材料層的電極與液態金屬在接觸狀態和分離狀態之間切換。本申請提供的儲液管替代傳統電機結構中的活塞動子，起到諧振子的作用，決定熱聲發電機的工作頻率，大大簡化了傳統電機結構，降低了對加工工藝的要求及生產成本，經濟性好，實用性強，利于進行標準化生產及推廣；同時利用液態金屬導電，導電性能優異且性質穩定，在保證發電效率的前提下又提高了發電機的可靠性。

附圖說明

圖1是現有技術中熱聲發電機的結構示意圖；

圖2是本發明一種利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機實施例一的雙作用熱聲發電機的結構示意圖；

圖3中(a)至(d)為本發明一種利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機實施例一的利用液態金屬將機械能轉換為電能的狀態變化圖。

圖中：1：主冷水器；2：回熱器；3：加熱器；4：熱緩沖管；5：次水冷器；6：儲液管；7、9：電極；8：發電材料層；10：外接負載；11：膨脹活塞；11’：膨脹腔；12：壓縮活塞；12’：壓縮腔；13：動子；14：定子；15：液態金屬；16：浮子。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例一

特別的，為表述方便，本申請提供的一種利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機，將儲液管與熱聲發動機連接的一端定義為儲液管的進口端，相應的，將儲液管的另一端定義為儲液管的出口端。

如圖2至圖3所示，本發明實施例提供了一種利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機，包括至少三組熱聲發電單元，每組熱聲發電單元均包括熱聲發動機、內部設有液態金屬15的儲液管6及至少一個摩擦發電機；利用液態金屬15導電，導電性能優異且性質穩定，在保證發電效率的前提下又提高了發電機的可靠性；熱聲發動機包括依次連接的主冷水器1、回熱器2及與儲液管6的進口端連接的加熱器3，主冷水器1形成低溫，加熱器3形成高溫，這樣在回熱器2的兩端形成溫度梯度，當回熱器2達到一定溫度梯度時，就會產生自激的聲波振蕩；該組熱聲發電單元的儲液管6的出口端通過連接管與下一組熱聲發電單元的主冷水器1連通，該組熱聲發電單元的主冷水器1通過連接管與末組熱聲發電單元的儲液管6的出口端連通，以形成閉合環路，其中，當回熱器2達到一定溫度梯度時，產生的一部分聲波用于推動液態金屬15在儲液管6內做升降往復運動，剩余部分聲波通過連接管進入下一組熱聲發電單元，在下一組熱聲發電單元中回熱器2兩端溫度梯度作用下，該聲波被放大，以再次用于推動該組的液態金屬15往復運動，依次傳遞形成循環；摩擦發電機包括連接形成導電環路的外接負載10及兩個電極，即電極7和電極9，兩個電極設于儲液管6內且其中一個電極始終與儲液管6內的液態金屬15接觸，另一個電極的外表面設有發電材料層8，熱聲發動機推動儲液管6內的液態金屬15做升降往復運動，以使得設有發電材料層8的電極與液態金屬15在接觸狀態和分離狀態之間切換。本申請提供的儲液管6替代傳統電機結構中的活塞動子，起到諧振子的作用，決定熱聲發電機的工作頻率，大大簡化了傳統電機結構，降低了對加工工藝的要求及生產成本，經濟性好，實用性強，利于進行標準化生產及推廣。

在本實施例中，摩擦發電機的數量為一個，具體包括外接負載10、電極7和電極9，電極7和電極9設于儲液管6內且設于靠近儲液管6出口端的端口處；其中電極9較長，始終與儲液管6內的液態金屬15接觸，電極7較短，在熱聲發動機推動儲液管6內的液態金屬15做升降往復運動時，與液態金屬15在接觸狀態和分離狀態之間切換。

具體地，本申請提供的一種利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機工作過程為：主冷水器1形成低溫，加熱器3形成高溫，這樣在回熱器2的兩端形成溫度梯度，當回熱器2達到一定溫度梯度時，就會產生自激的聲波振蕩，聲波推動儲液管6內的液態金屬15使其做升降往復運動；液態金屬15在做升降往復運動的過程中，不斷地與電極7表面的發電材料層8接觸，具體如圖3中的圖(a)，液態金屬15與發電材料層8接觸時會發生電荷的轉移，發電材料層8表面帶負電，液態金屬15帶正電；當液態金屬15與電極7上的發電材料層8分離時，液態金屬15中的正電荷通過電極9和外部負載轉移到電極7上(見圖3中的圖(b))；當液態金屬15與電極7上的發電材料層8完全分離時，電極7上的正電荷達到最大(見圖3中的圖(c))；當液態金屬15再次與電極7上的發電材料層8接觸時(見圖3中的圖(d))，電極7上的正電荷通過外接負載10和電極9再次回到液態金屬15中，再重新回到圖3中圖(a)的狀態，如此不斷循環往復，實現機械能向電能的轉換。

進一步地，若采用熔點較低的液態金屬15，熱聲發動機還包括設于加熱器3與儲液管6的進口端之間的熱緩沖管4及次水冷器5，熱緩沖管4與加熱器3連接，次水冷器5與儲液管6的進口端連接。其中，次水冷器5主要是使液態金屬15工作在較低的溫度，熱緩沖管4則是用來連接高溫的加熱器3和處于較低溫度的次水冷器5，起到熱緩沖、減少熱量損失的作用。

特別的，如果采用熔點較高的液態金屬15，則可以取消熱緩沖管4和次水冷器5，這樣液態金屬15與加熱器3相鄰，可以利用加熱器3對液態金屬15進行加熱，保持其熔融狀態。

進一步地，為防止液態金屬15在震蕩過程中如果加速度過大造成的液面破壞及液體飛濺現象，在本實施例中，儲液管6的進口端和出口端均設有浮子16，且設于儲液管6出口端的浮子構造有兩個用于穿設兩個電極的通孔。優選地，浮子16依靠浮力漂浮于液態金屬15的液面上，浮子16的形狀與儲液管6的內壁面僅存在微小的間隙，以起到最大化防止液面破壞和液體飛濺現象。

優選地，外表面設有發電材料層的電極的下端為針尖結構。其中，下端指的是靠近液態金屬15的一端；在本實施例中，通過將電極7的下端設計為針尖結構，以防止電極7的下端面與液面撞擊時使液體飛濺。

優選地，儲液管6的剖面形狀為U型或V型或W型。在本實施例中，儲液管6選用U型管，工藝簡單，結構簡便，生產成本低，經濟性好。

優選地，液態金屬15為汞或鈉鉀混合物或鎵或鈉或鉀。儲液管6內的液態金屬15的材料可以為汞、鈉鉀混合物、鎵等常溫下呈液態的材料，也可以是通過適當加熱后變成液態的金屬材料，例如鈉、鉀等低熔點材料。

優選地，為了獲得更高的發電量和發電效率，發電材料層8為具有多個凸起結構的發電材料層8，以此增大了發電材料層8與液態金屬15之間的摩擦接觸面積。其中，多個凸起結構既可以以一定的規則均勻設置，也可以隨機布置，具體根據實際實施條件來選擇凸起結構的數量、形狀及布置方式。

優選地，發電材料層8采用聚酰亞胺或聚四氟乙烯或聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯或聚二甲硅氧烷或聚對二甲苯材質制成。除上述之外，在實際應用時，也可選擇其它摩擦發電材料。

實施例二

另外，本申請提供的利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機還包括下述技術方案：摩擦發電機的數量為兩個，其中一個摩擦發電機的兩個電極設于靠近儲液管的進口端的端口處，另一個摩擦發電機的兩個電極設于靠近儲液管的出口端的端口處。采用兩個摩擦發電機，以滿足更高的發電量和發電效率需求，應用領域更廣，實用性更強，利于進行標準化生產及推廣。其它技術方案與實施例一中的技術方案相同，為避免贅述，在這不做額外的闡述。

綜上所述，本發明提供了一種利用液態金屬導電的雙作用熱聲發電機，包括至少三組熱聲發電單元，每組熱聲發電單元均包括熱聲發動機、內部設有液態金屬的儲液管及至少一個摩擦發電機；熱聲發動機包括依次連接的主冷水器、回熱器及與儲液管的進口端連接的加熱器；該組熱聲發電單元的儲液管的出口端通過連接管與下一組熱聲發電單元的主冷水器連通，該組熱聲發電單元的主冷水器通過連接管與末組熱聲發電單元的儲液管的出口端連通，以形成閉合環路；摩擦發電機包括連接形成導電環路的外接負載及兩個電極，兩個電極設于儲液管內且其中一個電極始終與儲液管內的液態金屬接觸，另一個電極的外表面設有發電材料層，熱聲發動機推動儲液管內的液態金屬做升降往復運動，以使得設有發電材料層的電極與液態金屬在接觸狀態和分離狀態之間切換。本申請提供的儲液管替代傳統電機結構中的活塞動子，起到諧振子的作用，決定熱聲發電機的工作頻率，大大簡化了傳統電機結構，降低了對加工工藝的要求及生產成本，經濟性好，實用性強，利于進行標準化生產及推廣；同時利用液態金屬導電，導電性能優異且性質穩定，在保證發電效率的前提下又提高了發電機的可靠性。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。