CN101706169A - 一种热声驱动的热耦合型两级脉管制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统。它包括依次连接的U形双边驱动热声发动机、连接管和热耦合型两级脉管制冷机。本发明的特点在于由U形谐振管连接两个热声核，声功流从热声板叠的冷端和热端两个方向流出，分别驱动U形谐振管中的声振荡和脉管制冷机；两个热声核输出的反相压力波通过连接管分别驱动热耦合型两级脉管制冷机的两级，脉管制冷机连接在热声发动机的两端压力波腹位置，较大的输出压比有利于脉管制冷机获得更佳的低温制冷性能；采用热声板叠与热声回热器联合运行方式，以提升声功输出能力和整机效率；U形谐振管中引入液体活塞形成气液耦合振荡系统，降低谐振频率并增大压比，进而提升驱动脉管制冷机性能。

Description

一种热声驱动的热耦合型两级脉管制冷系统
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低温制冷装置。
背景技术
热声驱动脉管制冷系统是采用热声发动机(也称热声压缩机)驱动脉管制冷机获取制冷效应的一种热驱动制冷系统。热声发动机在热能驱动下使工质产生自激振荡，即将热能转换为声功，并以压力波的形式输出；脉管制冷机则消耗压力波传递的声功实现泵热，获得制冷效应。由于热声驱动脉管制冷系统仅由换热器和管道组成，不包含曲柄、连杆、活塞等机械运动部件而具有运行稳定可靠、寿命长等优点；其工质通常为氦、氮等气体，具有良好的环保性能；同时，采用热能驱动，可实现对太阳能、工业废热等低品位热能的利用，顺应目前可持续发展、节能减排的社会发展要求，因而备受关注。
从制冷温区来看，热声驱动脉管制冷系统朝着室温温区和低温温区两个方向发展，前者主要针对冰箱和空调应用，后者主要针对气体液化应用。目前，在室温温区，热声驱动脉管制冷系统在-20℃温度制冷量达到340W；在低温温区，热声驱动单级脉管制冷机制冷温度达到34.1K，而采用两级脉管制冷机获得了18.1K制冷温度，进入液氢温区，正努力向液氦温区进军。研究表明，大压比、大声功率、低频率对于提升热声驱动脉管制冷性能，尤其是低温温区的制冷性能显得非常重要。上述18.1K制冷温度的获得正是采用弹性膜分隔双工质以及声压放大器技术使得工作频率减低至23.4Hz，并大幅提升压比而获得的突破。
目前热声驱动脉管制冷系统中的热声发动机主要有驻波型热声发动机和行波型热声发动机两种。对于驻波型热声发动机，通常在位于热声板叠冷端的水冷却器与谐振管的连接位置与脉管制冷机相连接，因为该位置压比相对较大。但从发动机内部的声场分布看，该位置并不是压比最大的压力波腹位置；压力波腹位于发动机端部，通常由于临近加热器而处于高温，如果在这里连接脉管制冷机将由于进气温度过高而无法获得良好的制冷性能。因此即使热声发动机端部的压比最大，也不选择在该位置连接脉管制冷机。此外，上述驻波型热声发动机与脉管制冷机的连接方式下，热声板叠产生的声功几乎全部从其冷端流出，以维持谐振管中的声振荡和驱动脉管制冷机工作。用于驱动脉管制冷机的行波型热声发动机通常是热声斯特林发动机，其热声核位于环路结构中，虽然在理想情况下热声斯特林发动机能够实现高效的热声转换，但由于环路结构中产生的Gedeon直流会将热量直接从热端带到冷端而不参与热声转换，会使得性能严重恶化。为了获得高效率，各国研究者在环路Gedeon直流的抑制方面开展了大量工作，提出了喷射泵、膜隔离等技术方案，各有优缺点。此外，环路结构中的热膨胀问题也需慎重考虑，并加以解决，否者将造成结构的扭曲甚至破坏。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，提出一种新型热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统.
热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统包括U形双边驱动热声发动机、第一连接管、第二连接管和热耦合型两级脉管制冷机；所述的U形双边驱动热声发动机由U形谐振管连接两个热声核构成；热声核从下到上包括依次连接的第一水冷却器、热声板叠、第一加热器、第一热缓冲管和第二水冷却器；所述的热耦合型两级脉管制冷机包括依次连接的第一级脉管制冷机、热桥和第二级脉管制冷机；第一级脉管包括依次连接的第一级制冷回热器热端换热器、第一级制冷回热器、第一级冷头、第一级脉管、第一级脉管热端换热器、第一级小孔阀、第一级惯性管和第一级气库，第一级制冷回热器热端换热器引出管通过第一级双向进气阀与第一级脉管热端换热器引出管连接；第二级脉管包括依次连接的第二级制冷回热器热端换热器、预冷回热器、预冷换热器、第二级制冷回热器、第二级冷头、第二级脉管、第二级脉管热端换热器、第二级小孔阀、第二级惯性管和第二级气库，第二级制冷回热器热端换热器的引出管通过第二级双向进气阀与第二级脉管热端换热器引出管连接；第一级冷头下部设有热桥连接到预冷换热器的下部；一热声核上端引出管通过第一连接管与热耦合型两级脉管制冷机的第一级制冷回热器热端换热器的引出管连接；另一热声核上端引出管通过第二连接管与热耦合型两级脉管制冷机的第二级制冷回热器热端换热器的引出管连接。
所述的两个热声核的第二水冷却器上方从下到上分别依次设有热声回热器、第二加热器、第二热缓冲管和第三水冷却器。所述的U形谐振管中设有液体活塞。所述的制冷系统采用的气体工质为氦气。所述的液体活塞采用的液体为室温离子液体，室温离子液体为[EMIM][(CF3SO2)2N](1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺)、[EEIM][(CF3SO2)2N](1，3-二乙基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺)和[PMIM][(CF3SO2)2N](1-丙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺)。
本发明相对通常的驻波型热声发动机驱动脉管制冷机系统，将脉管制冷机连接到发动机的两端压比最大位置，通过增加热缓冲管和水冷却器结构使连接位置的温度维持在室温，以保证脉管制冷机的制冷性能。由于热声发动机两端的压力波几乎为反相，即左端压力最大时刻，右端的压力为最小，因此本发明中的脉管制冷机为热耦合型两级脉管制冷机，其第一级与第二级的气路是独立的，仅通过热桥连接第一级冷头和第二级预冷换热器，实现第一级对第二级的预冷作用。如果采用传统气耦合型两级脉管制冷机，由于第一级与第二级的气路是连通的，热声发动机的两端与气耦合型两级脉管制冷机的第一级和第二级连接时，反相的压力波将在脉管制冷机中相遇而相互抵消，无法获得制冷效应。
本发明中，热声板叠中产生的声功将从其冷端和热端两个方向流出，分别驱动谐振管中的声振荡和脉管制冷机工作，相比传统系统声功几乎全部从热声板叠冷端流出的方式更为合理，有利于增大热声发动机的声功输出并提升效率。热声板叠与热声回热器的差别在于前者的水力半径一般为工质热渗透深度的二至五倍；而后者的水力半径小于工质热渗透深度。分析表明，对于热声回热器，声功从其冷端流入，热端流出，实现声功放大，难以实现声功同时从其冷端和热端流出；而热声板叠则能够将其产生的声功从其冷端和热端两个方向输出。因此，本发明中必须采用热声板叠。
但如前所述，热声板叠中水力半径大于工质热渗透深度，为有限热接触，有限温差传热是其热声转换的效率限制因素；热声回热器中水力半径小于工质热渗透深度，热接触良好，热声转换效率较高.因此本发明在采用热声板叠的基础上，增加热声回热器，将热声板叠热端流出的声功经热声回热器进一步放大，这样既能够增大声功输出能力，又可通过热声板叠和热声回热器的联合运行提升整机效率.
低频率、大压比运行条件对于热声驱动脉管制冷机实现低温制冷非常有利。热声驱动脉管制冷机系统中通常采用的氦气工质虽然对于脉管制冷机是目前公认的最佳工质，但其声速高，导致其在热声发动机中工作时谐振频率也较高，不利于脉管制冷机实现深低温制冷。本发明在U形谐振管中引入液体活塞，液体相对气体具有更大的质量惯性，通过氦气工质与液体活塞的耦合振荡能够实现低于10Hz的谐振频率，同时可显著提升压比，有利于获得良好的低温制冷性能。液体活塞为室温离子液体，具有“零”蒸气压特性，可使其与氦气联合工作时不会由于蒸发而污染氦气工质，进而保证系统的长期稳定运行。
附图说明
图1是热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统示意图；
图2是采用热声回热器的热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统示意图；
图3是采用液体活塞的热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统示意图；
图4是采用热声回热器和液体活塞的热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统示意图；
图中：U形谐振管1、第一水冷却器2、热声板叠3、第一加热器4、第一热缓冲管5、第二水冷却器6、第一连接管7、第一级制冷回热器热端换热器8、第一级制冷回热器9、第一级冷头10、第一级脉管11、第一级脉管热端换热器12、第一级小孔阀13、第一级惯性管14、第一级气库15、第一级双向进气阀16、第二连接管17、第二级制冷回热器热端换热器18、预冷回热器19、预冷换热器20、第二级制冷回热器21、第二级冷头22、第二级脉管23、第二级脉管热端换热器24、第二级小孔阀25、第二级惯性管26、第二级气库27、第二级双向进气阀28、热桥29、热声回热器30、第二加热器31、第二热缓冲管32、第三水冷却器33、液体活塞34。
具体实施方式
本发明针对低温温区，提出了一种新型的热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统。该系统中，热声发动机采用U形谐振管连接两个直线布置的热声核，脉管制冷机为气路相互独立的热耦合型两级脉管制冷机，热声发动机的两个热声核分别驱动脉管制冷机的第一级和第二级。脉管制冷机的两级分别被连接在热声发动机两端压力波腹位置，以利用热声发动机的最大压比，同时无环路结构，避免了Gedeon直流对效率的影响以及热膨胀可能导致的相关结构破坏问题。同时，该系统中，热声板叠产生的声功分别从其冷端和热端流出，前者维持谐振管中的声振荡，后者驱动脉管制冷机运行。为了提升整机性能，本发明还进一步引入热声回热器，以放大从热声板叠热端流出的声功；引入液体活塞，以便减低谐振频率并提升压比。
如附图所示，热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统包括U形双边驱动热声发动机、第一连接管7、第二连接管17和热耦合型两级脉管制冷机；所述的U形双边驱动热声发动机由U形谐振管1连接两个热声核构成；热声核从下到上包括依次连接的第一水冷却器2、热声板叠3、第一加热器4、第一热缓冲管5和第二水冷却器6；所述的热耦合型两级脉管制冷机包括依次连接的第一级脉管制冷机、热桥29和第二级脉管制冷机；第一级脉管包括依次连接的第一级制冷回热器热端换热器8、第一级制冷回热器9、第一级冷头10、第一级脉管11、第一级脉管热端换热器12、第一级小孔阀13、第一级惯性管14和第一级气库15，第一级制冷回热器热端换热器8引出管通过第一级双向进气阀16与第一级脉管热端换热器12引出管连接；第二级脉管包括依次连接的第二级制冷回热器热端换热器18、预冷回热器19、预冷换热器20、第二级制冷回热器21、第二级冷头22、第二级脉管23、第二级脉管热端换热器24、第二级小孔阀25、第二级惯性管26和第二级气库27，第二级制冷回热器热端换热器18的引出管通过第二级双向进气阀28与第二级脉管热端换热器24引出管连接；第一级冷头10下部设有热桥29连接到预冷换热器20的下部；一热声核上端引出管通过第一连接管7与热耦合型两级脉管制冷机的第一级制冷回热器热端换热器8的引出管连接；另一热声核上端引出管通过第二连接管17与热耦合型两级脉管制冷机的第二级制冷回热器热端换热器18的引出管连接.
所述的两个热声核的第二水冷却器6上方从下到上分别依次设有热声回热器30、第二加热器31、第二热缓冲管32和第三水冷却器33。
所述的U形谐振管1中设有液体活塞34。所述的制冷系统采用的气体工质为氦气。所述的液体活塞34采用的液体为室温离子液体，室温离子液体为[EMIM][(CF3SO2)2N](1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺)、[EEIM][(CF3SO2)2N](1，3-二乙基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺)和[PMIM][(CF3SO2)2N](1-丙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺)。
热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统运行过程如下：
如附图1所示，开启第一水冷却器2、第一加热器4和第二水冷却器6；在第一水冷却器2和第一加热器4的作用下，沿热声板叠3轴向将逐渐建立温度梯度，当该温度梯度超过一定阈值时，系统中的氦气工质将产生自激振荡；振荡的氦气工质在热声板叠3中通过热声效应将热能转换为声功，声功同时从热声板叠3的冷端和热端流出，前者用于维持U形谐振管1中的声振荡，后者经第一热缓冲管5和第二水冷却器6输出；第二水冷却器6用于保证输出压力波的工质为室温，防止进气温度过高而影响脉管制冷机性能；从热声发动机输出的压力波通过第一连接管7和第二连接管17分别进入脉管制冷机的第一级和第二级，驱动其制冷；脉管制冷机的第一级冷头通过热桥29将第一级的制冷量传递至预冷换热器20，实现对第二级的预冷作用；通过调节布置在第一级热端的第一级小孔阀13、第一级惯性管14、第一级气库15和第一级双向进气阀16等调相结构，可调节第一级脉管制冷机中压力波和质量流之间的相位关系，进而优化第一级脉管制冷机的性能；同样，通过调节布置在第二级热端的第二级小孔阀25、第二级惯性管26和第二级气库27和第二级双向进气阀28等调相结构，可调节第二级脉管制冷机中压力波和质量流之间的相位关系，进而优化第二级脉管制冷机的性能；由于热耦合型两级脉管制冷机的第一级和第二级的气路是相互独立的，因此能够分别利用来自热声发动机两端近乎反相的压力波实现制冷，同时，由于气路相互独立，两级脉管制冷机的优化调节也相对容易。
如附图2所示，由于热声板叠3中工质与固体边界的有限温差传热导致热声转换效率相对较低.为了增大声功输出能力、提升整机效率，热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统中在第二水冷却器后依次增加了热声回热器30、第二加热器31、第二热缓冲管32和第三水冷却器33.该系统运行时，需开启第一水冷却器2、第一加热器4、第二水冷却器6、第二加热器31和第三水冷却器33；在第一水冷却器2和第一加热器4的作用下，沿热声板叠3轴向将逐渐建立温度梯度；在第二水冷却器和第二加热器的作用下，沿热声回热器30轴向建立温度梯度；当温度梯度超过一定阈值时，系统中的氦气工质将产生自激振荡；振荡的氦气工质在热声板叠3中通过热声效应将热能转换为声功，声功同时从热声板叠3的冷端和热端流出，前者用于维持U形谐振管1中的声振荡，后者经第一热缓冲管5和第二水冷却器6后进入热声回热器30进一步放大，之后经第二热缓冲管32和第三水冷却器33输出；第三水冷却器33用于保证输出压力波的工质为室温，防止进气温度过高而影响脉管制冷机性能；热耦合型两级脉管制冷机部分与图1方案相同.
如附图3所示，为了降低谐振频率、提升压比，可在谐振管中引入液体活塞，该系统运行与图1所示系统相似，不同之处在于热声发动机中产生的自激振荡是氦气与液体活塞的耦合振荡，液体活塞相对气体工质所具有更大的质量惯性，从而使得系统的谐振频率显著降低、压比增大，进而提升热声驱动脉管制冷性能。
如附图4所示，为了降低谐振频率、提升压比，也可以在热声板叠和热声回热器联合运行的热声发动机中引入液体活塞。该系统运行与图2所示系统相似，不同之处在于热声发动机中产生的自激振荡是氦气与液体活塞的耦合振荡，液体活塞相对气体工质所具有更大的质量惯性，从而使得系统的谐振频率显著降低、压比增大，进而提升热声驱动脉管制冷性能。

Claims (5)

1.一种热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统，其特征在于包括U形双边驱动热声发动机、第一连接管(7)、第二连接管(17)和热耦合型两级脉管制冷机；所述的U形双边驱动热声发动机由U形谐振管(1)连接两个热声核构成；热声核从下到上包括依次连接的第一水冷却器(2)、热声板叠(3)、第一加热器(4)、第一热缓冲管(5)和第二水冷却器(6)；所述的热耦合型两级脉管制冷机包括依次连接的第一级脉管制冷机、热桥(29)和第二级脉管制冷机；第一级脉管包括依次连接的第一级制冷回热器热端换热器(8)、第一级制冷回热器(9)、第一级冷头(10)、第一级脉管(11)、第一级脉管热端换热器(12)、第一级小孔阀(13)、第一级惯性管(14)和第一级气库(15)，第一级制冷回热器热端换热器(8)引出管通过第一级双向进气阀(16)与第一级脉管热端换热器(12)引出管连接；第二级脉管包括依次连接的第二级制冷回热器热端换热器(18)、预冷回热器(19)、预冷换热器(20)、第二级制冷回热器(21)、第二级冷头(22)、第二级脉管(23)、第二级脉管热端换热器(24)、第二级小孔阀(25)、第二级惯性管(26)和第二级气库(27)，第二级制冷回热器热端换热器(18)的引出管通过第二级双向进气阀(28)与第二级脉管热端换热器(24)引出管连接；第一级冷头(10)下部设有热桥(29)连接到预冷换热器(20)的下部；一热声核上端引出管通过第一连接管(7)与热耦合型两级脉管制冷机的第一级制冷回热器热端换热器(8)的引出管连接；另一热声核上端引出管通过第二连接管(17)与热耦合型两级脉管制冷机的第二级制冷回热器热端换热器(18)的引出管连接。
2.根据权利要求1所述的一种热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统，其特征在于所述的两个热声核的第二水冷却器(6)上方从下到上分别依次设有热声回热器(30)、第二加热器(31)、第二热缓冲管(32)和第三水冷却器(33)。
3.根据权利要求1所述的一种热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统，其特征在于所述的U形谐振管(1)中设有液体活塞(34)。
4.根据权利要求1所述的一种热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统，其特征在于所述的制冷系统采用的气体工质为氦气。
5.根据权利要求3所述的一种热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统，其特征在于所述的液体活塞(34)采用的液体为室温离子液体，室温离子液体为[EMIM][(CF3SO2)2N](1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺)、[EEIM][(CF38O2)2N](1，3-二乙基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺)和[PMIM][(CF3SO2)2N](1-丙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺)。
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