CN100572986C - 利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置：包括：同轴结构的行波热声发动机和行波热声制冷机；及连接在行波热声发动机和行波热声制冷机的室温换热器之间的谐振管；还包括：安装在行波热声发动机的热端换热器前方的聚光装置；还包括安装在行波热声发动机的室端换热器上，位于谐振管之内的第一惯性弹性膜；安装在行波热声制冷机的室端换热器上，位于所述谐振管之内的第二惯性弹性膜。本发明采用同轴结构的行波热声发动机和制冷机，利用弹性膜的自身质量代替现有行波热声制冷系统中的惯性管，具有结构紧凑，完全消除环路直流损失的优点；以太阳能为驱动源，行波热声发动机的热端换热器壳体表面涂有光谱选择性吸收涂层；可高效利用太阳能。

Description

利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置
技术域
本发明主要涉及制冷与低温技术，特别涉及一种利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置。
背景技术
热驱动行波热声制冷装置是一种以对环境没有污染的惰性气体为工质、完全无运动部件的制冷装置。它运行稳定可靠、使用寿命长，可以利用工业废热、太阳能等低品味热源，理论上可以达到卡诺效率，具有广阔的发展前景。
2000年，美国海军研究生院的Adeff和Hofler设计制造了一台太阳能驱动的驻波热声制冷机[1]。他们使用一个直径为18inch(0.457m)的菲涅尔透镜聚光，在热端达到450℃的最高温度，并在冷端温度为5℃时获得2.5W的制冷量。该制冷机采用本质不可逆的驻波热声制冷流程，热效率不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的行波发动机驱动的行波热声制冷机均采用环形回路布置，结构不紧凑、重量重，不利于某些实际场合的应用；现有的行波热声制冷技术中没有关于利用太阳能作为驱动源的技术方案用于空间冷却技术等缺陷，而提出一种利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷的方案，它特别适合于空间冷却；比现有的利用太阳能工作的空间冷制冷技术，如辐射式制冷机或者机械式压缩机驱动的脉冲管制冷机、斯特林制冷机更可靠和更高效。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置：包括：一同轴结构的行波热声发动机；一同轴结构的行波热声制冷机；和
连接在所述同轴结构的行波热声发动机的室温换热器和同轴结构的行波热声制冷机的室温换热器之间的谐振管；
所述同轴结构的行波热声发动机由行波热声发动机热端换热器、行波热声发动机回热器、行波热声发动机室温换热器和行波热声发动机反馈管组成；所述行波热声发动机热端换热器、行波热声发动机回热器和行波热声发动机室温换热器依次相连；所述行波热声发动机回热器和行波热声发动机反馈管按同轴结构布置；
所述同轴结构的行波热声制冷机由行波热声制冷机室温换热器、行波热声制冷机回热器和行波热声制冷机冷端换热器以及行波热声制冷机反馈管组成；行波热声制冷机室温换热器、行波热声制冷机回热器和行波热声制冷机冷端换热器依次相连；所述的行波热声制冷机回热器和行波热声制冷机反馈管为同轴结构布置；其特征在于，还包括：
安装在所述行波热声发动机热端换热器前方的聚光装置；所述聚光装置包括一聚光镜，和一一端固定于行波热声发动机室温换热器之上，另一端固定支撑所述聚光镜的支撑支架；以及
安装在所述同轴结构的行波热声发动机室温换热器上，位于所述谐振管之内的第一惯性弹性膜；
安装在所述同轴结构的行波热声制冷机室温换热器上，位于所述谐振管之内的第二惯性弹性膜。
所述同轴结构的行波热声发动机的热端换热器为一内部封装有相变蓄热材料的密闭不锈钢壳体，所述不锈钢壳体表面涂有用于强化吸收太阳辐射的光谱选择性吸收涂层。
所述的光谱选择性吸收涂层为304不锈钢化学转换涂层，Cr2O3涂层、碳化钴/Co涂层，黑镍涂层或黑铬镀层；所述的相变蓄热材料为LiNO3、Na2O2、50％LiOH/50％LiF、KClO4或LiH。
所述的聚光装置中的聚光镜为石英或树脂材质的凸透镜；或者为凹面上涂有金属反射涂层的凹面镜。
所述的第一惯性弹性膜和第二惯性弹性膜均为橡胶或金属材质的弹性膜，其形状均为波浪形或等厚度平面形。
所述的谐振管由直管或由直管和锥管过渡连接构成的过渡管。
所述行波热声发动机的热端换热器和室温换热器的截面面积相等，并且等于行波热声发动机的回热器截面面积和行波热声发动机的反馈管的截面面积之和。
所述行波热声制冷机冷端换热器和室温换热器的截面面积相等，并且等于行波热声制冷机的回热器截面面积和行波热声制冷机的反馈管的截面面积之和。
所述行波热声发动机热端换热器和室温换热器的外壳均采用氩弧焊焊接；所述行波热声制冷机冷端换热器和室温换热器的外壳均采用氩弧焊焊接。
所述行波热声发动机和行波热声制冷机内的工作介质相同；其工作介质可选自氦气、氮气、二氧化碳、氩气和氢气中的一种、两种或者多种。
与现有技术相比，本发明提供的行波热声发动机和制冷机均采用同轴结构，与传统的环形回路布置相比，其结构紧凑简单，易于制作；
与现有技术相比，在本发明采用了第一惯性弹性膜和第二惯性弹性膜代替传统的惯性管：一方面，惯性弹性膜的弹性能传递声功，同时由于它自身具有一定的质量，惯性弹性膜可以取代传统的惯性管，使得结构简单、可靠；另一方面，惯性弹性膜能从根本上消除直流，大幅度改善其性能；
与现有技术相比，本发明采用的聚光装置若为凸透镜，则选用透射率高的材料制作；若为凹面镜，则其表面涂有反射率高的材料；在热声发动机的热端换热器外表面涂上光谱选择性吸收涂层强化其吸收效果，在其内填充相变蓄热材料以适应太阳辐射的周期性变化并能强化传热。
纵上所述，本发明的优点在于：
(1)它采用同轴结构布置，利用弹性膜的自身质量代替现有行波热声系统中的惯性管，具有结构紧凑，可完全消除环路直流损失的优点；(2)本发明利用太阳能作为驱动源，设计了涂有光谱选择性吸收涂层，具有蓄热性能和温度均匀化的热端换热器，可以高效地利用太阳能；(3)与现有的其它空间制冷技术如辐射式制冷机或者机械式压缩机驱动的脉冲管制冷机、斯特林制冷机相比，不存在任何机械运动部件，能量转换环节少，可靠性高，结构紧凑，重量轻且制冷效率高。
为了进一步说明本发明所示用的聚光装置，同时也进一步说明在进行本发明结构设计时所需要遵循的一些原则，下面将从理论上对其工作原理进行描述：
对于一个接受太阳辐射的物体，由光学知识知道，
λ+ρ+τ＝1    (1)
其中，λ为物质的吸收率，ρ为物质的反射率，τ为物质的透射率。由(1)可知，若选用凸透镜聚焦，为了增加其透射效果，要求其透射率τ尽可能高；若采用凹面镜进行聚焦，为了增强其反射效果，要求其表面材料的反射率ρ尽可能高。
另外，由于太阳辐射能量的90％集中在0.3-2微米波长范围内，而吸热端温度大约在为700-1000K，其黑体辐射能量主要分布在2-30微米波长范围内。若采用一种光谱选择性吸收涂层，它存在一截止频率λc≈2μm，对低于λc的辐射其吸收系数近似为1，对高于λc的辐射其发射系数为0，可以使吸收效率有明显的提高。这也是光谱吸收性涂层的原理。
附图说明
图1为使用凸透镜进行聚光的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置。凸透镜1将平行入射的太阳光汇聚到行波热声发动机的热端换热器2上，同时在行波热声发动机室温换热器4处采用冷却水冷却，于行波热声发动机回热器3建立一温度梯度，当达到临界值时，系统起振，产生的声功通过第一惯性弹性膜5、谐振管7、第二惯性弹性膜8传到行波热声制冷机，在行波热声制冷机回热器10处产生制冷效应，使行波热声制冷机冷端换热器11处形成低温；
图2为行波热声发动机的热端换热器，其结构为一外表面涂有光谱选择性吸收涂层、内填相变蓄热材料的不锈钢壳体；
图3为使用凹面镜进行聚光的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置。凹面镜1将平行入射的太阳光汇聚到行波热声发动机的热端换热器2上，同时在行波热声发动机室温换热器4处采用冷却水冷却，于行波热声发动机回热器3建立一温度梯度，当达到临界值时，系统起振，产生的声功通过第一惯性弹性膜5、谐振管7、第二惯性弹性膜8传到行波热声制冷机，在行波热声制冷机回热器10处产生制冷效应，使行波热声制冷机冷端换热器11处形成低温；
图4为两种不同形式的惯性弹性膜，第一种为等厚度平面形的惯性弹性膜，其中心部位有一定的质量，其他部位为等厚度；第二种为波浪形惯性弹性膜，其中心部位也有一定的质量，其他部位为波浪形。
具体实施方式
制作一外表面涂有光谱选择性吸收涂层、其内填充蓄热材料的不锈钢壳体作为热端换热器2；
制作一个与上述换热器截面面积相同的行波热声发动机室温换热器4，另外制作截面面积比上述换热器较小的行波热声发动机回热器3，并将三者用真空钎焊焊接起来，保证三者的空隙率接近，并在行波热声发动机室温换热器4后用螺栓连接一惯性弹性膜5，然后将以上部件固定到不锈钢圆管上，这样就制作了同轴结构的行波热声发动机；
制作相同面积的行波热声制冷机室温换热器9和行波热声制冷机冷端换热器11，另外制作截面面积比上述换热器较小的行波热声制冷机回热器10，并将三者用真空钎焊焊接起来，保证三者的空隙率接近，并将行波热声制冷机冷端换热器11用螺栓连接一惯性弹性膜8，然后将以上部件固定到不锈钢圆管，这样就制作了同轴结构的行波热声制冷机；
制作一半波长的谐振管，并保证其截面面积在两端与上述行波热声发动机和行波热声制冷机相等，使用“法兰+O型圈”密封；
制作一聚光效率高、可调节姿势的聚光装置。
下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明：
实施例1：采用图1所示的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置。其中1为截面面积为1m2的凸透镜，2为行波热声发动机热端换热器，其表面涂有304不锈钢化学转换涂层，内部填充有LiNO3，3为填充有200目丝网的行波热声发动机回热器，4为采用水冷形式的行波热声发动机室温换热器，5为第一惯性弹性膜，6为行波热声发动机反馈管，7为谐振管，它由长1m的Φ80mm圆管构成，8为第二惯性弹性膜，9为行波热声制冷机室温换热器，10为填充有400目丝网的行波热声制冷机回热器，11为采用水冷形式的行波热声制冷机冷端换热器，12为行波热声制冷机反馈管。
上述行波热声发动机和制冷机均采用氦气作为工质，频率为500Hz，热声发动机端采用内径为30mm的不锈钢管，热声制冷机端采用内径为10mm的不锈钢管。
实施例2：采用图3所示的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置。其中1为截面面积为1m2的凹面镜，2为行波热声发动机热端换热器，其表面涂有Cr2O3涂层，内部填充有Na2O，3为填充有200目丝网的行波热声发动机回热器，4为采用水冷形式的行波热声发动机室温换热器，5为第一惯性弹性膜，6为行波热声发动机反馈管，7为谐振管，它由0.2m长的Φ80mm圆管和1.8m长的锥管构成，8为第二惯性弹性膜，9为行波热声制冷机室温换热器，10为填充有400目丝网的行波热声制冷机回热器，11为采用水冷形式的行波热声制冷机冷端换热器，12为行波热声制冷机反馈管。
上述行波热声发动机和制冷机均采用氮气作为工质，频率为350Hz，热声发动机端采用内径为30mm的不锈钢管，热声制冷机端采用内径为10mm的不锈钢管；
实施例3：采用图1所示的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置。其中1为截面面积为1m2的凸透镜，2为行波热声发动机热端换热器，其表面涂有“碳化钴/Co”涂层，内部填充有组分为“50％LiOH/50％LiF”的相变蓄热材料，3为填充有200目丝网的行波热声发动机回热器，4为采用水冷形式的行波热声发动机室温换热器，5为第一惯性弹性膜，6为行波热声发动机反馈管，7为谐振管，它由2m长的Φ80mm圆管构成，8为第二惯性弹性膜，9为行波热声制冷机室温换热器，10为填充有400目丝网的行波热声制冷机回热器，11为采用水冷形式的行波热声制冷机冷端换热器，12为行波热声制冷机反馈管。
上述行波热声发动机和制冷机均采用二氧化碳作为工质，频率为270Hz，热声发动机端采用内径为30mm的不锈钢管，热声制冷机端采用内径为10mm的不锈钢管；
实施例4：采用图3所示的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置。其中1为截面面积为1m2的凹面镜，2为行波热声发动机热端换热器，其表面镀有黑镍镀层，内部填充有KClO4，3为填充有200目丝网的行波热声发动机回热器，4为采用水冷形式的行波热声发动机室温换热器，5为第一惯性弹性膜，6为行波热声发动机反馈管，7为谐振管，它由0.2m长的Φ80mm圆管和1.8m长的锥管构成，8为第二惯性弹性膜，9为行波热声制冷机室温换热器，10为填充有400目丝网的行波热声制冷机回热器，11为采用水冷形式的行波热声制冷机冷端换热器，12为行波热声制冷机反馈管。
上述行波热声发动机和制冷机均采用氩气作为工作介质，频率为320Hz，热声发动机端采用内径为30mm的不锈钢管，热声制冷机端采用内径为10mm的不锈钢管；
实施例5：采用图1所示的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置。其中1为截面面积为1m2的凸透镜，2为行波热声发动机热端换热器，其表面镀有黑铬镀层，内部填充有LiH，3为填充有200目丝网的行波热声发动机回热器，4为采用水冷形式的行波热声发动机室温换热器，5为第一惯性弹性膜，6为行波热声发动机反馈管，7为谐振管，它由1m长的Φ80mm圆管构成，8为第二惯性弹性膜，9为行波热声制冷机室温换热器，10为填充有400目的丝网的行波热声制冷机回热器，11为采用水冷形式的行波热声制冷机冷端换热器，12为行波热声制冷机反馈管。
上述行波热声发动机和制冷机均采用氢气作为工作介质，频率为650Hz，热声发动机端采用内径为30mm的不锈钢管，热声制冷机端采用内径为10mm的不锈钢管
Figure C20061005844300091

Claims (10)

1、一种利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置：包括：一同轴结构的行波热声发动机；一同轴结构的行波热声制冷机；和
连接在所述同轴结构的行波热声发动机的室温换热器和同轴结构的行波热声制冷机的室温换热器之间的谐振管(7)；
所述同轴结构的行波热声发动机由行波热声发动机热端换热器(2)、行波热声发动机回热器(3)、行波热声发动机室温换热器(4)和行波热声发动机反馈管(6)组成；所述行波热声发动机热端换热器(2)、行波热声发动机回热器(3)和行波热声发动机室温换热器(4)依次相连；所述行波热声发动机回热器(3)和行波热声发动机反馈管(6)按同轴结构布置；
所述同轴结构的行波热声制冷机由行波热声制冷机室温换热器(9)、行波热声制冷机回热器(10)、行波热声制冷机冷端换热器(11)以及行波热声制冷机反馈管(12)组成；所述行波热声制冷机室温换热器(9)、行波热声制冷机回热器(10)、行波热声制冷机冷端换热器(11)依次相连；所述的行波热声制冷机回热器(10)和行波热声制冷机反馈管(12)为同轴结构布置；
其特征在于，还包括：
安装在所述行波热声发动机热端换热器(2)前方的聚光装置(1)；所述聚光装置(1)包括一聚光镜，和一个一端固定于行波热声发动机室温换热器(4)之上，另一端固定支撑所述聚光镜的支撑支架；以及
安装在所述同轴结构的行波热声发动机室温换热器(4)上，位于所述谐振管(7)之内的第一惯性弹性膜(5)；
安装在所述同轴结构的行波热声制冷机室温换热器(9)上，位于所述谐振管(7)之内的第二惯性弹性膜(8)。
2、按权利要求1所述的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置，其特征在于，所述同轴结构的行波热声发动机热端换热器(2)为一内部封装有相变蓄热材料的密闭不锈钢壳体，所述不锈钢壳体表面涂有用于强化吸收太阳辐射的光谱选择性吸收涂层。
3、按权利要求2所述的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置，其特征在于，所述的光谱选择性吸收涂层为304不锈钢化学转换涂层，Cr2O3涂层、碳化钴/Co涂层，黑镍涂层或黑铬镀层；所述的相变蓄热材料为LiNO3、Na2O2、50％LiOH/50％LiF、KClO4或LiH。
4、按权利要求1所述的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置，其特征在于，所述的聚光装置(1)中的聚光镜为石英或树脂材质的凸透镜；或者为凹面上涂有金属反射涂层的凹面镜。
5、按权利要求1所述的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置，其特征在于，所述的第一惯性弹性膜(5)和第二惯性弹性膜(8)均为橡胶或金属材质的弹性膜，其形状均为波浪形或等厚度平面形。
6、按权利要求1所述的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置，其特征在于，所述的谐振管(7)由直管或由直管和锥管过渡连接构成的过渡管。
7、按权利要求1所述的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置，其特征在于，所述行波热声发动机热端换热器(2)和行波热声发动机室温换热器(4)的截面面积相等，并且等于行波热声发动机回热器(3)截面面积和行波热声发动机反馈管(6)的截面面积之和。
8、按权利要求1所述的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置，其特征在于，所述行波热声制冷机冷端换热器(11)和行波热声制冷机室温换热器(9)的截面面积相等，并且等于行波热声制冷机回热器(10)截面面积和行波热声制冷机反馈管(12)的截面面积之和。
9、按权利要求1所述的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置，其特征在于，所述行波热声发动机热端换热器(2)和行波热声发动机室温换热器(4)的外壳均采用氩弧焊焊接；所述行波热声制冷机冷端换热器(11)和行波热声制冷机室温换热器(9)的外壳均采用氩弧焊焊接。
10、按权利要求1所述的利用太阳能的同轴结构的热驱动行波热声制冷装置，其特征在于，所述行波热声发动机和行波热声制冷机内的工作介质相同；其工作介质选自氦气、氮气、二氧化碳、氩气和氢气中的一种、两种或者多种。
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