CN101346593A - 低温头与谐振驱动器分开的声学制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种声学制冷装置。该声学制冷装置中的低温头与声功率源通过一根长管而分开，所述长管将低温头与声功率源连接在一起，以使得低温末端能够被安装在一定的远程位置处，而常规的单一系统将不适合、将会产生过大的振动、或者要不然是所不希望的。选择管的尺寸以及声功率源的相关参数以保持所述系统在所需的驱动频率条件(例如60Hz)下产生谐振并且将长管对系统效率和容量的影响降至最小程度。

Description

低温头与谐振驱动器分开的声学制冷装置
技术领域
本发明主要涉及高频斯特林和声斯特林制冷机，且更具体而言，本发明涉及一种适用于低温头与声功率源分开的声学制冷装置的解决方案。
背景技术
近年来，高频(≥30Hz)斯特林(Stirling)和声斯特林(或者高频“脉管”)制冷机已经吸引了大量的商业兴趣，这是因为与竞争技术相比，高频斯特林和声斯特林制冷机具有更高的效率、更低的维修成本以及更小的噪音和振动。然而，高频斯特林制冷机的一个主要缺点在于：通常被叫作“低温头”的一组热活性部件(热量放出器(heat rejector)、回热器、和热量接受器或“低温末端”)一般与驱动所述一组热活性部件的声功率源非常接近。该声功率源通常是包括一个或多个与活塞相联接的线性马达的压力波发生器(PWG)，所述活塞交替地使位于低温头的暖端的工作气体受到压缩和产生膨胀。
另一方面，低温头与声功率驱动装置的空间分开则允许在接近要被制冷的区域的空间是珍贵空间和/或必须使低温末端处的振动最小化的这些应用中利用声斯特林制冷。已经做出了一些努力用以使低温头与声驱动装置分开。然而，目前的技术仅允许在最小程度上分开驱动装置与低温头，例如由Thales Cryogenics BV出品的LPT9310型斯特林制冷器。目前的技术都不允许实现比功率波发生器的特征尺寸或者声波长(在运行频率下测得的声波长)的相当大部分的特征尺寸明显更大的分开距离。所有以前的方案利用的是直径非常狭窄的传输线，从而估计可能使由该传输线所增加的体积最小化，正如具有低温头中的置换器(displacer)机构的斯特林制冷机特别要求地那样，所述置换器机构是由工作气体中的压力波进行驱动的且需要使“死”体积或未清扫的体积最小化以便保持该驱动效应。该结构倾向于在管中产生极高的气体速度，从而使得有必要利用短波长以使管壁上的粘滞声(visco-acoustic)损耗最小化。仅有一个专利USPN 5,794,450(Arthur Ray Alexander)提到了对于受到远程驱动的“脉管”制冷器或制冷器阵列而言利用传输线使压力波发生器与声斯特林系统的低温头分开。然而，在Alexander的专利中，传输线与波长相比在长度方面且在压力波发生器尺寸大小方面要小得多。此外，Alexander教导了一种回路系统，其中被连接至回热器的低温侧的相移网络(常规斯特林装置中的置换器机构的声学等效装置)还被连接至压力波发生器作为流体源，这表明预期会产生循环流而不仅是振动流。Alexander的专利还特别地限于制冷电子器件的领域。
Arman的一个专利申请公开US 20050210887描述了一种声驱动器与低温头通过传输线分开以便实现振动隔离目的的分开式系统。
用于声斯特林制冷机中的压力波发生器通常被叫作“压缩机”，但不应与更常用的那些压缩机相混淆，所述更常用的那些压缩机在恒定的低压下获取稳定的气体流并且将其压缩达到更高的恒定压力。该类压缩机出现在竞争制冷技术如Gifford-McMahon制冷机或蒸汽压缩致冷机中。该类压缩机和使用该类压缩机的制冷机的优点在于：压缩机与低温头或低温热交换器可彼此相距很远的距离，且分开的长度对于系统性能而言具有相对较小的影响。工作流体简单地在恒定的低速下单向流动通过连接管或导管，导致在该过程中出现了极小的压力降。相比之下，斯特林或声斯特林系统对于连接主要部件的导管的体积或长度的尺寸是非常敏感的，原因在于整个系统必须在动力学上是谐振的，且每个部件经受了明显的振动压力和/或振动流。
占据波长的相当大部分的长联接管将使系统的谐振频率发生变化、改变由压力波发生器中的活塞经受的阻力并且在管表面上经受了不可忽略的声功率损耗。在60Hz的频率下，在300K的氦气中的声波波长为约17米；振动压力和质点速度在四分之一波长处产生最大变化，从而为了避免了产生波长效应，传输线的长度必须被保持在远小于四分之一波长的长度。为了避免对于压力波发生器马达的冲程或压力波发生器的固有频率产生明显的影响，还必须使传输线的总体积最小化。出于这些原因，分开式系统中的斯特林和声斯特林低温头总是具有用于在60Hz的频率下或在接近60Hz的频率下运行的系统的传输线，所述传输线具有极为狭窄的直径和相对较短的≤50cm的长度。
在该意义下，需要一种适用于低温头与声功率源分开一定距离的声学制冷装置的解决方案，所述低温头与声功率源分开的距离与波长相比并不一定是短的。这样就扩大了高频声斯特林制冷机在需要或希望实现相对较大的分开距离的应用中的有效性。
发明内容
本发明涉及一种声学制冷装置。该声学制冷装置中的低温头与声功率源通过一根长管而分开，所述长管将低温头与声功率源连接在一起，以使得低温末端能够被安装在一定的远程位置处，而常规的单一系统将不适合、将会产生过大的振动、或者要不然是所不希望的。选择管的尺寸以及声功率源的相关参数以保持所述系统在所需的驱动频率条件(例如60Hz)下产生谐振并且将长管对系统效率和容量的影响降至最小程度。
本发明的第一方面提供了一种声学制冷装置，所述制冷装置包括：声功率源；和第一声学制冷头，其中所述声功率源和所述第一声学制冷头通过第一传输线进行连接，所述第一传输线的长度为在运行频率下的工作流体的四分之一波长的至少0.15倍。
本发明的第二方面提供了一种冷冻贮存系统，所述冷冻贮存系统包括：室；和制冷机，所述制冷机包括通过第一传输线连接的声功率源和第一声学制冷头，其中所述第一声学制冷头与所述室的内部热连通，并且所述声功率源位于所述室外部的远程位置处。
本发明图示的多个方面被设计用以解决在本文中所描述的技术问题和本领域的技术人员能够发现的在本文中并未进行讨论的其它一些技术问题。
附图说明
结合示出了本发明的多个实施例的附图且通过以下对本发明的多个方面进行的详细描述，本发明的这些和其它特征更易于得到理解。在所述附图中：
图1示出了具有根据本发明的一个实施例的远程低温头的压力波发生器。
图2示出了相对于相当的单一系统而言的根据本发明的一个实施例的分开式声斯特林制冷机的性能曲线。
应该注意到：本发明的附图并不是按照比例进行绘制的。这些附图旨在仅示出本发明的多个典型方面，并且因此不应被视为限制本发明的范围。在所述附图中使用相似的附图标记表示各图中相似的元件。
具体实施方式
本发明包括一种声学制冷装置，所述声学制冷装置具有处在约60Hz的运行频率下的工作流体。所述声学制冷装置利用了传输线，所述传输线可具有几米的长度且可包含比声学制冷系统的低温头中的气体体积大几倍的总气体体积。此外，声学制冷装置可被优化以便具有与相当的单一系统的效率接近或相等的效率。该设计在现有系统中是不可能的，原因在于增加如此大的体积将会导致压力波发生器在达到有效的压力波振幅之前就会出现超冲程的情况，除非将传输线制得极为狭窄，在这种情况下，在传输线中导致产生的较高的声速将会导致产生禁止出现的较高的声损耗(因此，所有现有的商用系统中使用的是狭窄的短传输线)。
使本发明能够实现的原因在于对声学制冷系统中的部件之间的相关关系的创新性理解。正如已公知地，压力波发生器中的绝热体积在被最小化时并不必然是优化的。而是，可选择活塞直径以便适应给定的绝热体积，且可选择二者以便确保对于给定负载而言在产生必要的压力波时，压力波发生器中的马达将实现其理想冲程(例如从而实现最高效率)。(参见Corey等的美国专利No.6,604,363。)如果该负载包括具有体积不可忽略的长的传输管，则可需要加大活塞以便适应所述传输管。常规的想法将推断认为：这会导致效率更低，原因在于增加了活塞密封周长及相关联的损耗。本发明则认识到由于互补效应的原因而使得情况可能并非如此。例如，声低温头优选在回热器的中心处或接近所述中心的位置处具有压力波腹或者最大声压力的区域。与回热器之间的距离越远，该距离达到四分之一波长，则声压力波幅越小。由于间隙密封件中的消耗(损耗)与声压力的平方成比例关系，因此总体上，长的传输线可能使密封件的损耗(在活塞处，远离回热器的位置处)更低，即使活塞更大，但在比回热器具有更低声压力的位置处也可使密封件损耗更低。这样可抵消传输线本身中出现的损耗中的一些损耗。
参见附图，下面将对本发明的一个实施例进行描述。应该理解：本发明不限于本文中所述的实施例。图1示出了根据本发明的一个实施例的声学制冷装置10，所述声学制冷装置包括电驱动的压力波发生器(PWG)1，所述压力波发生器具有远程低温头2。如图1所示，压力波发生器1通过长的柔性传输线3被连接至低温头2。低温头2对于取向相当不敏感。惯量管(inertance tube)4的一部分沿传输线3进行设置。低温头2进而通过惯量管4被连接至贮存装置如柔顺性罐(compliance tank)5。传输线3具有一定长度(7)，根据一个实施例，该长度为约125cm，超出了约31cm的最长压力波发生器尺寸(6)的四倍。工作流体(未示出)的频率为约60Hz且所述流体是氦，因此传输线7为四分之一波长(此处为4.25米)的约0.3倍。四分之一波长的0.15倍以上的传输线被认为是四分之一波长的相当大部分。基于压力波发生器1的活塞尺寸(未示出)和绝热体积(未示出)选择传输线3的内径8以使总效率最大化。在如图1所示的实施例中，传输线(3)的内径(8)为约0.80cm，且其总体积(未示出)为约61立方厘米(cc)。制冷装置10可进一步包括用于从低温头2中放出热量的制冷流体(未示出)。在一个实施例中，制冷流体的一部分沿传输线3被传导。为了使便利性最大化，可通过惯量管4和位于在压力波发生器1与低温头2之间延伸的共同的保护罩中的用于制冷流体(未示出)的导管中的任何部件来对传输线3进行封闭，所述导管包括柔性线(3)，所述柔性线包括内部波纹部和外部辫状覆盖物，正如本领域已公知地那样。惯量管4和用于制冷流体(未示出)的导管可与传输线3具有共同的路线。
在该实施例中，低温头2(排除了惰性管4和柔顺性罐5)中的所有气体的体积小于约37cc，因此该实施例中的传输线3具有与低温头2相比在相当程度上更多的气体体积。
图2示出了根据本发明的一个实施例的声学制冷装置10(图1)的性能(由线100所示)与相当的单一系统的性能(由线200所示)的关系曲线。单一系统利用了与本发明的声学制冷装置10(图1)相同的压力波发生器和低温头，但不包括传输线。如图2所示，两个系统的性能是近似相同的，这表明与常规预期相反，长的传输线在得到恰当设计的情况下并未使制冷机的性能产生明显劣化。
应该理解：本发明的范围不限于上述实施例，且本发明提供了多个其它可选实施例。例如，根据另一可选实施例，声学制冷装置可进一步包括一个以上的低温头和一条以上的传输线。每个低温头通过传输线被连接至(共用的)压力波发生器，且每条传输线彼此平行(地进行连接)。根据一个实施例，所述一个以上的低温头和一条以上的传输线在长度和体积方面是不相等的。在另一实施例中，惯量管4和相关联的贮存装置(未示出)是低温头(2)组件的一部分，从而使得惯量管4并不像图1中那样从低温头2延伸至压力波发生器1。
在又一实施例中，声学制冷装置包括至少两个低温头。其中一个低温头通过传输线被连接至压力波发生器且另一低温头被直接安装到压力波发生器上。
在又一实施例中，冷冻贮存系统包括室和如上所述的声学制冷装置。声学制冷头与所述室的内部热连通，且声学功率源位于所述室外部的远程位置处。
应该理解：一般而言，对于任何给定的传输线或连接至低温头的过多线而言，可选择压力波发生器1(图1)的活塞尺寸和绝热体积以便确保系统在所需频率下产生谐振且确保足够的冲程以便在低温头2(图1)处达到所需的压力波幅。本发明认识到：如果需要特定的传输线长度，则可选择传输线的直径以及压力波发生器的绝热体积和活塞尺寸以便不仅确保适当的谐振频率和足够的活塞冲程并且使传输线对系统性能的影响降至最小程度。
为了示例和描述性目的，已对本发明的多个方面进行了前述描述。上述描述并不旨在是穷举性的或是将本发明限制为所披露的精确形式，而明显的是，有可能对本发明作出多种改变或变型。这些对于本领域的技术人员而言明显的改变或变型被包括在由所附权利要求书限定的本发明的范围内。

Claims (28)

1、一种声学制冷装置，所述声学制冷装置包括：
声功率源；和
第一声学制冷头，
其中所述声功率源和所述第一声学制冷头通过第一传输线进行连接，所述第一传输线的长度为在运行频率下的工作流体的四分之一波长的至少0.15倍。
2、根据权利要求1所述的制冷装置，其中所述第一传输线中的流体体积为所述第一声学制冷头中的流体体积的至少一半。
3、根据权利要求1所述的制冷装置，其中基于所述声功率源的活塞尺寸和绝热体积来选择所述第一传输线的直径以使总效率最大化。
4、根据权利要求1所述的制冷装置，进一步包括第二不同传输线和第二不同声学制冷头，所述第二不同声学制冷头通过所述第二不同传输线被连接至所述声功率源，其中所述第二不同传输线与所述第一传输线平行地被连接。
5、根据权利要求4所述的制冷装置，其中所述第二不同声学制冷头和所述第二不同传输线在长度和体积中的至少一个方面与所述第一声学制冷头和所述第一传输线是不相等的。
6、根据权利要求1所述的制冷装置，进一步包括被直接安装到所述声功率源上的第二不同声学制冷头。
7、根据权利要求1所述的制冷装置，其中所述第一传输线是柔性的。
8、根据权利要求1所述的制冷装置，进一步包括惯量管，所述惯量管的一部分沿所述第一传输线进行设置。
9、根据权利要求8所述的制冷装置，进一步包括与所述惯量管相关联的贮存装置，其中所述惯量管和所述贮存装置与所述低温头是一体的。
10、根据权利要求1所述的制冷装置，进一步包括用于从所述第一声学制冷头中放出热量的制冷流体，所述制冷流体的一部分沿所述第一传输线被传导。
11、根据权利要求10所述的制冷装置，进一步包括惯量管，其中下面的部件中的至少一个部件与共同的保护性封闭装置内的所述传输线具有共同的路线，所述下面的部件为：用于所述制冷流体的导管和所述惯量管。
12、根据权利要求1所述的制冷装置，其中所述第一声学制冷头对取向基本上不敏感。
13、根据权利要求1所述的制冷装置，其中所述声功率源是电驱动的声源。
14、根据权利要求1所述的制冷装置，其中所述声功率源是热驱动的声源。
15、一种冷冻贮存系统，所述冷冻贮存系统包括：
室；和
制冷机，所述制冷机包括通过第一传输线进行连接的声功率源和第一声学制冷头，
其中所述第一声学制冷头与所述室的内部热连通，并且所述声功率源位于所述室外部的远程位置处。
16、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，其中所述第一传输线中的流体体积为所述第一声学制冷头中的流体体积的至少一半。
17、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，其中基于所述声功率源的活塞尺寸和绝热体积来选择所述第一传输线的直径以使总效率最大化。
18、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，进一步包括第二不同传输线和第二不同声学制冷头，所述第二不同声学制冷头通过所述第二不同传输线被连接至所述声功率源，其中所述第二不同传输线与所述第一传输线平行地被连接。
19、根据权利要求18所述的冷冻贮存系统，其中所述第二声学制冷头和所述第二传输线在长度和体积中的至少一个方面与所述第一声学制冷头和所述第一传输线是不相等的。
20、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，进一步包括被直接安装到所述声功率源上的第二不同声学制冷头。
21、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，其中所述第一传输线是柔性的。
22、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，进一步包括惯量管，所述惯量管的一部分沿所述第一传输线进行设置。
23、根据权利要求22所述的冷冻贮存系统，进一步包括与所述惯量管相关联的贮存装置，其中所述惯量管和所述贮存装置与所述低温头是一体的。
24、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，进一步包括用于从所述第一声学制冷头中放出热量的制冷流体，所述制冷流体的一部分沿所述第一传输线被传导。
25、根据权利要求24所述的冷冻贮存系统，进一步包括惯量管，其中下面的部件中的至少一个部件与共同的保护性封闭装置内的所述传输线具有共同的路线，所述下面的部件为：用于所述制冷流体的导管和所述惯量管。
26、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，其中所述第一声学制冷头对取向基本上不敏感。
27、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，其中所述声功率源是电驱动的声源。
28、根据权利要求15所述的冷冻贮存系统，其中所述声功率源是热驱动的声源。
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