CN101655291A - 采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置 - Google Patents

采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置。它包括依次连接的热声发动机、液柱声压放大器和脉管制冷机。液柱声压放大器为位于热声发动机与脉管制冷机之间的U形连接管段，其中灌注室温离子液体形成液柱，是声功从热声发动机传递至脉管制冷机的通道。本发明的特点在于利用液柱的质量惯性实现声压放大作用，可显著减小声压放大器的长度；同时，由于液柱将热声发动机和脉管制冷机的工质完全分隔开，可在热声发动机和脉管制冷机中分别采用不同工质，以求总体性能最优；此外，室温离子液体具有零蒸气压特性，可避免液体蒸气对气体工质的污染，保证系统可靠运行。

Description

采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置
技术领域
本发明涉及热驱动制冷装置，尤其涉及一种采用热声发动机驱动的制冷装置。
背景技术
热声发动机也称热声压缩机，或者热声驱动器，它通常采用气体作为工质，利用气体声场在回热器(或板叠)中将热能转换为声功，表现为在输入热量的条件下，工质产生自激振荡，可将所产生的声功以压力波的形式输出。而脉管制冷机则与之相反，它能够通过气体声场与回热器的相互作用利用声功实现泵热，表现为通过消耗压力波传递的声功获得制冷效应。
采用热声发动机驱动脉管制冷机是上个世纪80年代末发明的新型制冷技术。由于热声发动机和脉管制冷机仅由换热器、管道以及调节阀构成，不存在传统机械压缩机和机械制冷机中的活塞、排出器、曲柄、连杆等运动部件，采用热声发动机驱动脉管制冷机实现了从室温到低温完全无运动部件的制冷系统，避免了机械磨损、滑动密封等等问题，从而成为能够稳定运行的长寿命低温制冷机。同时，作为热驱动制冷系统，热声驱动脉管制冷装置在热能富集，而电能缺乏的场合具有应用潜力。由于通常采用氦气、氮气等天然工质，良好的环保特性也受到人们青睐。
近年来，热声驱动脉管制冷技术得到了迅速的发展，最低制冷温度已经由发明初期的91K，降低至目前的18.1K，已经进入液氢温区。热声发动机和脉管制冷机各自的创新发展是热声驱动脉管制冷系统性能得以显著提高的重要原因之一；另一个重要原因在于人们根据热声发动机和脉管制冷机各自的运行特点，着力改善二者的匹配，扬长避短，使之和谐耦合运行。热声发动机与脉管制冷机匹配时，压比、工质和频率的匹配是三个关键问题。与传统机械式压缩机相比较，没有运动部件的热声发动机输出的压力波压比相对较小，是限制脉管制冷性能的一个重要因素。2005年发明的声压放大器(也称声学泵)是提升压比，从而改善压比匹配的典范。所谓声压放大器是用于连接热声发动机和脉管制冷机的长管，长管内气体工质近似驻波声场的压力振幅分布可使得其与脉管制冷机连接一端的压比明显大于其与热声发动机相连接的一端，表现出放大声压的作用。由于驱动压比的增大，采用声压放大器的热声驱动脉管制冷机的性能显著提高。值得注意的是，声压放大器的长度通常比较大，例如：文献报道采用氦气工质的热声驱动脉管制冷机，工作频率为45Hz工况下，声压放大器的典型长度约为4m(在1/6波长至1/5波长之间)。对于频率更低的运行工况，波长将更大，要求的声压放大器长度也将更大。过大的长度尺寸制约了声压放大器的实际应用。此外，对于脉管制冷机来讲，氦气是目前公认的最佳工质；然而对于热声发动机而言氦气则不是最佳选择，采用氮气、氩气、二氧化碳等分子量相对较大的气体能够获得更大的压比和更低的工作频率，大压比和低频率的压力波更有利于脉管制冷机获得优越的制冷性能。弹性膜分隔结构的发明实现了热声发动机与脉管制冷机分别采用氮气和氦气两种工质的联合运行，工作频率约为23.4Hz，当脉管制冷机为单级机时制冷温度达到34.1K，而采用两级脉管制冷机获得了18.1K。需要注意的是，弹性膜是一个运动部件，存在破裂导致热声发动机与脉管制冷机中不同气体工质混合而破坏系统正常运行的可能，是整机运行寿命的一个限制因素。
正是在这样的技术背景下，本发明提出了一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置。液柱声压放大器既能够实现传统气体工质声压放大器的放大压比作用，又可显著减小声压放大器的长度尺寸，同时还能够分隔热声发动机与脉管制冷机的气体工质，使二者能够分别采用不同气体工质联合运行，实现各自的工质优化，使整机性能最佳。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置。
一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置包括依次连接的热声发动机、液柱声压放大器和脉管制冷机；所述的热声发动机为行波型热声发动机，它包括依次相连接的第一水冷却器、热致声回热器、加热器、热缓冲管、第二水冷却器、锥形谐振管和圆柱谐振腔，在第二水冷却器与锥形谐振管之间位置引出声功反馈管连接到第一水冷却器的左端；所述的脉管制冷机包括依次连接的第一热端换热器、制冷回热器、冷端换热器、脉管、第二热端换热器、小孔阀、惯性管和气库，在第一热端换热器的左端通过引出管段连接双向进气阀后连接到第二热端换热器与小孔阀之间位置；所述的液柱声压放大器包括U形管和灌注于其中的液柱，U形管的一端与第一水冷却器和声功反馈管之间位置连接，U形管的另一端与脉管制冷机的第一热端换热器的左端连接。
另一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置包括依次连接的热声发动机、液柱声压放大器和脉管制冷机；所述的热声发动机为驻波型热声发动机包括依次连接的高温缓冲器、加热器、热致声板叠、第一水冷却器、锥形谐振管和圆柱谐振腔；所述的脉管制冷机包括依次连接的第一热端换热器、制冷回热器、冷端换热器、脉管、第二热端换热器、小孔阀、惯性管和气库，在第一热端换热器的左端通过引出管段连接双向进气阀后连接到第二热端换热器与小孔阀之间位置；所述的液柱声压放大器包括U形管和灌注于其中的液柱，U形管的一端与第一水冷却器和锥形谐振管之间位置连接，U形管的另一端与脉管制冷机的第一热端换热器的左端连接。
所述的热声发动机中采用的气体工质为氮气、氩气或二氧化碳。所述的脉管制冷机中采用的气体工质为氦气。所述U形管为等直径管、阶梯式变径管或连续变化的变径管。所述液柱为室温离子液体，室温离子液体为三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑或三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑。
所述的液柱声压放大器利用高密度质量惯性可实现声压放大作用，并可显著减小声压放大器的长度，与气体声压放大器相比其声功耗更小。由于液柱声压放大器中的液体能够将热声发动机和脉管制冷机的气体工质完全分隔开，可在热声发动机和脉管制冷机中采用不同工质，例如在热声发动机中采用氮气、氩气或者二氧化碳以获得大振幅和低频压力波，而在脉管制冷机中采用氦气以保证制冷效应，从而实现总体性能最优。与弹性膜分隔结构相比较，液柱声压放大器还具有结构简单、稳定可靠、使用寿命长等优点，可避免弹性膜破裂导致热声发动机和脉管制冷机中不同气体工质混合而破坏系统正常运行的潜在危险。
此外，室温离子液体(例如：三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑或者三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑等)具有零蒸气压特性，可避免液体蒸气对于气体工质的污染，保证系统可靠运行。
附图说明
图1是采用液柱声压放大器的行波型热声发动机驱动脉管制冷装置示意图；
图2是采用液柱声压放大器的驻波型热声发动机驱动脉管制冷装置示意图；
图3是声压放大器和脉管制冷机的声电类比电路图；
图中：第一水冷却器1、热致声回热器2、加热器3、热缓冲管4、第二水冷却器5、声功反馈管6、锥形谐振管7、圆柱谐振腔8、U形管9、液柱10、第一热端换热器11、制冷回热器12、冷端换热器13、脉管14、第二热端换热器15、小孔阀16、惯性管17、气库18、双向进气阀19、高温缓冲器20、热致声板叠21。
具体实施方式
如图1所示，一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置包括依次连接的热声发动机、液柱声压放大器和脉管制冷机；所述的热声发动机为行波型热声发动机包括依次相连接的第一水冷却器1、热致声回热器2、加热器3、热缓冲管4、第二水冷却器5、锥形谐振管7和圆柱谐振腔8，在第二水冷却器5与锥形谐振管7之间位置引出声功反馈管6连接到第一水冷却器1的左端；所述的脉管制冷机包括依次连接的第一热端换热器11、制冷回热器12、冷端换热器13、脉管14、第二热端换热器15、小孔阀16、惯性管17和气库18，在第一热端换热器11的左端通过引出管段连接双向进气阀19后连接到第二热端换热器15与小孔阀16之间位置；所述的液柱声压放大器包括U形管9和灌注于其中的液柱10，U形管9的一端与第一水冷却器1和声功反馈管6之间位置连接，U形管9的另一端与脉管制冷机的第一热端换热器11的左端连接。
如图2所示，另一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置，包括依次连接的热声发动机、液柱声压放大器和脉管制冷机；所述的热声发动机为驻波型热声发动机包括依次连接的高温缓冲器20、加热器3、热致声板叠21、第一水冷却器1、锥形谐振管7和圆柱谐振腔8；所述的脉管制冷机包括依次连接的第一热端换热器11、制冷回热器12、冷端换热器13、脉管14、第二热端换热器15、小孔阀16、惯性管17和气库18，在第一热端换热器11的左端通过引出管段连接双向进气阀19后连接到第二热端换热器15与小孔阀16之间位置；所述的液柱声压放大器包括U形管9和灌注于其中的液柱10，U形管9的一端与第一水冷却器1和锥形谐振管7之间位置连接，U形管9的另一端与脉管制冷机的第一热端换热器11的左端连接。
热声发动机中采用的气体工质为氮气、氩气或二氧化碳。脉管制冷机中采用的气体工质为氦气。U形管9为等直径管、阶梯式变径管或连续变化的变径管。液柱10为室温离子液体，室温离子液体为三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑或三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑。
下面根据声电类比理论定性说明声压放大器的工作原理。根据声电类比理论，声压放大器和其末端连接的脉管制冷机可以类比为图3所示感(L)-阻(R1)阻(R2)-容(C)串联电路，其中R2-C部分可以表示脉管制冷机的声阻抗特性，而声压放大器则由L-R1类比。由此可见，声压的放大作用主要源于声压放大器的声感L。声感L源于工质的质量惯性，其计算式为：L＝ρl/A，其中ρ为工质的密度，l为管段长度，A为管段流通面积。由于液体的密度远大于气体(例如：水的密度近似为1×103kg/m3，室温离子液体三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑的密度约为1.385×103kg/m3，在300K，3MPa下氦气的密度为4.7kg/m3，氮气的密度为33.8kg/m3)，采用相同直径的管段实现同样的声感，液体工质管段的长度将远小于采用气体工质的管段。可见本发明的重要特点在于利用液柱的高密度质量惯性实现声压放大作用，可显著减小声压放大器的长度。需要注意的是，声压放大器中工质的粘滞声阻R1是限制声压放大作用的因素，由于实现相同声感时，液柱声压放大器的长度远小于气体声压放大器，因此虽然液体的粘度大于气体，但液柱声压放大器的声功率消耗可以低于气体声压放大器，实现更显著的声压放大作用。
为了获得更大的压比和更低的工作频率，同时保证良好的环保特性，在热声发动机系统中应采用分子量相对较大的天然气体工质，如：氮气、氩气、二氧化碳等。而在脉管制冷机中采用氦气以保证优越的制冷性能。液柱声压放大器中的液体需采用零蒸气压、粘度较小的工质，室温离子液体(例如：三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑、三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑等)是较理想的选择。声压放大器中的液柱10将热声发动机和脉管制冷机中的不同气体工质分隔开。
采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置的驱动热能由热声发动机的加热器3进入系统，制冷量由冷端换热器13输出。驱动热源可以是电加热、太阳能加热、燃气加热以及其他余热、废热。脉管制冷机的第一热端换热器11和第二热端换热器15可以采用水冷形式，也可以采用风冷形式。
采用液柱声压放大器的行波型热声发动机驱动脉管制冷装置运行时，由于加热器3向系统输入热量，热声发动机中热致声回热器2的热端温度升高，而其冷端由于第一水冷却器1的冷却作用而基本保持在室温，当热致声回热器2两端温差超过一定阈值时，由于气体工质与热致声回热器2的相互热作用产生热声转换效应，使得热声发动机中产生自激振荡。U形管9声压放大器中的液柱10在压力波的作用下往复运动，将热声发动机中产生的声功传递到脉管制冷机，并实现压比放大作用以及分隔热声发动机和脉管制冷机气体工质的作用。液柱10推动氦气工质在脉管制冷机的制冷回热器12中产生制冷效应。而小孔阀16、惯性管17、气库18以及双向进气阀19的作用是调节制冷回热器12中压力波和质量流的相位，以便优化其制冷性能。采用液柱声压放大器的驻波型热声发动机驱动脉管制冷装置运行时，由于加热器3向系统输入热量，热声发动机中热致声板叠21的热端温度升高，而其冷端由于第一水冷却器1的冷却作用而基本保持在室温，当热致声板叠21两端温差超过一定阈值时，由于气体工质与热致声板叠21的相互热作用产生热声转换效应，使得热声发动机中产生自激振荡。其连接液柱声压放大器驱动脉管制冷机的机理同采用液柱声压放大器的行波型热声发动机驱动脉管制冷装置。
此外，本发明提出的液柱声压放大器，其中的液柱10是作往复运动，而这种往复运动必须限制在U形管9中。也就是说，在U形管9中液柱10的液面以上必须为其往复运动留有足够的长度空间，否则液柱10溢出U形管9，特别是进入到脉管制冷机中，将导致制冷装置无法正常工作。液柱10往复运动的位移受脉管制冷机的声阻抗、平均工作压力等多种参数的影响，需要综合考虑、系统设计。

Claims (6)

1.一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置，其特征在于包括依次连接的热声发动机、液柱声压放大器和脉管制冷机；所述的热声发动机为行波型热声发动机包括依次相连接的第一水冷却器(1)、热致声回热器(2)、加热器(3)、热缓冲管(4)、第二水冷却器(5)、锥形谐振管(7)和圆柱谐振腔(8)，在第二水冷却器(5)与锥形谐振管(7)之间位置引出声功反馈管(6)连接到第一水冷却器(1)的左端；所述的脉管制冷机包括依次连接的第一热端换热器(11)、制冷回热器(12)、冷端换热器(13)、脉管(14)、第二热端换热器(15)、小孔阀(16)、惯性管(17)和气库(18)，在第一热端换热器(11)的左端通过引出管段连接双向进气阀(19)后连接到第二热端换热器(15)与小孔阀(16)之间位置；所述的液柱声压放大器包括U形管(9)和灌注于其中的液柱(10)，U形管(9)的一端与第一水冷却器(1)和声功反馈管(6)之间位置连接，U形管(9)的另一端与脉管制冷机的第一热端换热器(11)的左端连接。
2.一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置，其特征在于包括依次连接的热声发动机、液柱声压放大器和脉管制冷机；所述的热声发动机为驻波型热声发动机包括依次连接的高温缓冲器(20)、加热器(3)、热致声板叠(21)、第一水冷却器(1)、锥形谐振管(7)和圆柱谐振腔(8)；所述的脉管制冷机包括依次连接的第一热端换热器(11)、制冷回热器(12)、冷端换热器(13)、脉管(14)、第二热端换热器(15)、小孔阀(16)、惯性管(17)和气库(18)，在第一热端换热器(11)的左端通过引出管段连接双向进气阀(19)后连接到第二热端换热器(15)与小孔阀(16)之间位置；所述的液柱声压放大器包括U形管(9)和灌注于其中的液柱(10)，U形管(9)的一端与第一水冷却器(1)和锥形谐振管(7)之间位置连接，U形管(9)的另一端与脉管制冷机的第一热端换热器(11)的左端连接。
3.根据权利要求1或2一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置，其特征在于所述的热声发动机中采用的气体工质为氮气、氩气或二氧化碳。
4.根据权利要求1或2一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置，其特征在于所述的脉管制冷机中采用的气体工质为氦气。
5.根据权利要求1或2所述的一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置，其特征在于所述U形管(9)为等直径管、阶梯式变径管或连续变化的变径管。
6.根据权利要求1或2所述的一种采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置，其特征在于所述液柱(10)为室温离子液体，室温离子液体为三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑或三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑。
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