CN101236025B - 双驱动斯特林行波制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种行波热声热机(制冷机)。双驱动斯特林行波制冷机，其特征在于它包括第一激振器(1)、第一热声制冷元件(3)、环形通道壳体(4)、第二热声制冷元件(6)、第二激振器(8)；环形通道壳体(4)内为环形行波传输通道(5)；第一激振器(1)设在环形通道壳体(4)上的第一个端口处，第二激振器(8)设在环形通道壳体(4)上的第二个端口处；第一热声制冷元件(3)、第二热声制冷元件(6)分别布置在环形行波传输通道(5)内，第一热声制冷元件(3)的近第一激振器(1)的一端为热端换热器(9)，第二热声制冷元件(6)的近第二激振器的一端为热端换热器。本发明具有结构简单、效率高的特点；可以实现双、单对象冷却。

Description

双驱动斯特林行波制冷机
技术领域
本发明属于制冷与低温工程技术领域，具体涉及一种行波热声热机(制冷机)。
背景技术
热声制冷是利用热声效应进行泵热的制冷技术。在一定条件下，热能与声能相互转换的现象叫热声效应。它指的是可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的时均能量效应。按能量转换的方向，热声效应可以分为两类：一类是由热产生声，即热驱动的声振荡；另外一类是由声产生热，即声驱动的泵热或制冷。热声效应可以在驻波声场、行波声场或两者混合的声场中产生和发生作用。声驱动的热声制冷机是一种直接利用声源产生的声场，通过热交换器、回热器、谐振管等的优化配置和相位调节，来产生制冷效应的装置。
和传统的制冷技术相比，热声制冷机具有结构简单，可靠性高，寿命长，无(或少有)运动部件，无环境污染等诸多优点。另一方面，禁用CFC国际公约的签订以及高温超导、红外电子器件和高速高密集成电路的快速发展，都迫切需要高效、可靠、灵活及与环境友好的低温制冷技术。
热声热机回热器内的流体振荡通过相位调节来实现声场和温度场的相干协同耦合。热声热机(制冷机)按照其工作声场可分为驻波热声热机(制冷机)和行波热声热机(制冷机)两类。驻波热声热机(制冷机)由于其本征特性限制了效率；行波热声热机(制冷机)是在不断地追求消除和简化斯特林机运动部件的努力过程中发展起来的。目前，国际国内所采用的热声制冷机通常为单声波发生器驱动的驻波型制冷系统。如美国专利US4722201“AcousticCooling Engine”提出了在单一声源驱动下，由布置在谐振管中的热声叠产生冷量；日本专利JP8014679“Thermoacoustic Freezing Cycle and Cooling Device”描述了四分之一波长的单制冷系统；日本专利JP2000337724“Acoustic Refrigeration System”同样介绍了单声源驱动的单制冷系统；中国专利CN1657842A“多声波制冷机”能够达到多点制冷的目的，但仍为单一声源(扬声器)驱动的驻波型制冷系统。这些系统的缺点一是冷量体积比较低，很难用于要求紧凑的场合；二是热声转换效率较低，影响了装置的能量利用效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、效率高的双驱动斯特林行波制冷机。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：双驱动斯特林行波制冷机，其特征在于它包括第一激振器、第一热声制冷元件、环形通道壳体、第二热声制冷元件、第二激振器；环形通道壳体内为环形行波传输通道，环形行波传输通道的长度为一个波长，环形通道壳体上对称设有第一个端口、第二个端口，第一个端口、第二个端口分别与环形行波传输通道相通；第一激振器设在环形通道壳体上的第一个端口处，第一激振器的输出端朝向第一个端口，第二激振器设在环形通道壳体上的第二个端口处，第二激振器的输出端朝向第二个端口；第一热声制冷元件、第二热声制冷元件分别布置在环形行波传输通道内，第一热声制冷元件的近第一激振器的一端为热端换热器，第二热声制冷元件的近第二激振器的一端为热端换热器。
所述的环形行波传输通道内对称布置有第一反行波抑制器、第二反行波抑制器，第一反行波抑制器位于靠近第一激振器的环形行波传输通道的弯角处，第二反行波抑制器位于靠近第二激振器的环形行波传输通道的弯角处；第一反行波抑制器与第二反行波抑制器将第一热声制冷元件与第二热声制冷元件分隔开；第一反行波抑制器内为锥形通道，第二反行波抑制器内为锥形通道，第一反行波抑制器近第一激振器的一端为锥形通道的小口端，第二反行波抑制器近第二激振器的一端为锥形通道的小口端。
本发明的有益效果是：1、采用内为环形行波传输通道的环形通道壳体，在环形通道壳体4上对称的两个端口设激振器，提供较大振幅的压力波，以行波的方式同向传播作用于环形行波传输通道内的两个热声制冷元件，实现行波制冷；利用行波声场产生热声效应的强度大于驻波声场的优点，来提高制冷系统的品质因素；具有结构简单、效率高(大振幅高效率)、冷量体积比大的特点。
2、采用两个热声制冷元件，可以实现双对象冷却(两个热声制冷元件的冷端换热器分别输出)。第一热声制冷元件的冷端换热器与第二热声制冷元件的冷端换热器对齐，两个冷端换热器用联结管连接形成单一冷头(单对象冷却)，增大单一冷源的有效冷量。特别适用双目标制冷及局部低温环境的获取。
3、激振器采用动磁式激振器，动磁式激振器的结构简单、损耗小、比推力大，且易于对振荡的频率和振幅进行控制；振幅的增大有利于提高输入的声功率，从而有利于提高冷量。
4、采用两个反行波抑制器抑制驻波分量，以减少驻波声场的影响。
5、本发明采用与环境友好的氮气或氦气作为工质，有效解决了现有制冷工质对环境的污染问题。
6、使用寿命长、操作方便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1-第一激振器，2-第一反行波抑制器，3-第一热声制冷元件，4-环形通道壳体，5-环形行波传输通道，6-第二热声制冷元件，7-第二反行波抑制器，8-第二激振器，9-热端换热器，10-回热器，11-冷端换热器。
具体实施方式
如图1所示，双驱动斯特林行波制冷机，它包括第一激振器1、第一反行波抑制器2、第一热声制冷元件3、环形通道壳体4、第二热声制冷元件6、第二反行波抑制器7、第二激振器8；环形通道壳体4内为环形行波传输通道5，环形行波传输通道5的长度为一个波长，环形通道壳体4上对称设有第一个端口、第二个端口，第一个端口、第二个端口分别与环形行波传输通道5相通；第一激振器1设在环形通道壳体4上的第一个端口处(第一激振器1与环形通道壳体4固定连接)，第一激振器1的输出端朝向第一个端口，第二激振器8设在环形通道壳体4上的第二个端口处(第二激振器8与环形通道壳体4固定连接)，第二激振器8的输出端朝向第二个端口；第一热声制冷元件3、第二热声制冷元件6、第一反行波抑制器2、第二反行波抑制器7分别对称布置在环形行波传输通道5内，第一热声制冷元件3的近第一激振器1的一端为热端换热器9，热端换热器9将热量向环境放出，第一热声制冷元件3的远第一激振器1的另一端为冷端换热器11，冷端换热器11向冷却对象输出冷量，第二热声制冷元件6的近第二激振器的一端为热端换热器，第二热声制冷元件6的远第二激振器的另一端为冷端换热器。
第一反行波抑制器2位于靠近第一激振器的环形行波传输通道5的弯角处，第二反行波抑制器7位于靠近第二激振器的环形行波传输通道5的弯角处；第一反行波抑制器2与第二反行波抑制器7将第一热声制冷元件3与第二热声制冷元件6分隔开；第一反行波抑制器2内为锥形通道，第二反行波抑制器7内为锥形通道(第一反行波抑制器2与第二反行波抑制器7的结构相同，采用内为锥形通道的梯形圆柱体)，第一反行波抑制器2近第一激振器的一端为锥形通道的小口端，第二反行波抑制器7近第二激振器的一端为锥形通道的小口端。第一反行波抑制器2、第二反行波抑制器7的作用是抑制驻波分量，以减少驻波声场的影响。
所述的第一激振器1、第二激振器8为动磁式激振器(或称动磁式热声激振器)或动圈式激振器(或称动圈式热声激振器)。两个激振器由芯片自动控制。
所述的第二热声制冷元件6与第一热声制冷元件3的结构相同，第一热声制冷元件3由热端换热器9、回热器10和冷端换热器11组成，回热器10位于热端换热器9与冷端换热器11之间，回热器10分别与热端换热器9、冷端换热器11相接触。回热器10的填料可以是不锈钢丝网、钢丝绒、板叠或针束等。环形行波传输通道5内的工质为氮气或氦气，环形行波传输通道5内的工质压力为5-10个大气压。环形通道壳体4由不锈钢或铜制成，并采用内抛光工艺。
第一热声制冷元件3的冷端换热器与第二热声制冷元件6的冷端换热器对齐(图1中的虚线表示对齐)，两个冷端换热器用联结管连接形成单一冷头(单对象冷却)，增大单一冷源的有效冷量。特别适用双目标制冷及局部低温环境的获取。
本发明也可以用声波扬声器替换激振器，或采用电动膜作为声压源，即利用微型平面线圈驱动导磁薄膜振动的方式来提供声场，以实现微型化应用的需要。
本发明的依据是热声效应原理。处于声场和温度场作用下的流相工质，可以认为是由许多微团所组成。它们通过和与之相接触的固相工质(回热器填料管壁)发生横向热交换，完成热力学循环，称为热声微热力学循环。热流、功流和熵流，靠微团之间的相位接力来输运。热声元件的通道中气体是等焓流的，故功流和热流的方向相反。第一激振器、第二激振器产生的压力波，经环形行波传输通道以行波的方式同向(在图1中是逆时针)传播。通过控制线路可以控制两个激振器的频率和振幅。当两个激振器产生的压力波的频率和振幅大致相当时，两列压力波因干涉而增强；当两列压力波的频率和振幅相差较大时，为双波制冷。特别设置的两个反行波抑制器，减少了反行波的份额，从而减少了驻波的份额。在压力波的驱动下，热声制冷元件中的热流逆功流方向，即从冷端换热器至热端换热器的方向传播，热量通过热端换热器向环境放出，而冷端换热器温度降低，达到制冷的目的。两个热声制冷元件对齐放置，因此可以利用两个冷端实现双对象冷却，也可用联结管连接形成单一冷头，增大有效冷量。

Claims (4)

1.双驱动斯特林行波制冷机，其特征在于它包括第一激振器(1)、第一热声制冷元件(3)、环形通道壳体(4)、第二热声制冷元件(6)、第二激振器(8)；环形通道壳体(4)内为环形行波传输通道(5)，环形行波传输通道(5)的长度为一个波长，环形通道壳体(4)上对称设有第一个端口、第二个端口，第一个端口、第二个端口分别与环形行波传输通道(5)相通；第一激振器(1)设在环形通道壳体(4)上的第一个端口处，第一激振器(1)的输出端朝向第一个端口，第二激振器(8)设在环形通道壳体(4)上的第二个端口处，第二激振器(8)的输出端朝向第二个端口；第一热声制冷元件(3)、第二热声制冷元件(6)分别布置在环形行波传输通道(5)内，第一热声制冷元件(3)的近第一激振器(1)的一端为热端换热器(9)，第二热声制冷元件(6)的近第二激振器的一端为热端换热器。
2.根据权利要求1所述的双驱动斯特林行波制冷机，其特征在于：所述的第一激振器(1)为动磁式激振器或动圈式激振器，第二激振器(8)为动磁式激振器或动圈式激振器。
3.根据权利要求1所述的双驱动斯特林行波制冷机，其特征在于：所述的第二热声制冷元件(6)与第一热声制冷元件(3)的结构相同，第一热声制冷元件(3)由热端换热器(9)、回热器(10)和冷端换热器(11)组成，回热器(10)位于热端换热器(9)与冷端换热器(11)之间，回热器(10)分别与热端换热器(9)、冷端换热器(11)相接触。
4.根据权利要求1所述的双驱动斯特林行波制冷机，其特征在于：环形行波传输通道(5)内的工质为氮气或氦气，环形行波传输通道(5)内的工质压力为5-10个大气压。
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