CN102095277B - 基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机 - Google Patents

基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机 Download PDF

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Abstract

一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，包括：行波通道、一个或多个制冷单元驻波管、一个或多个声波发生单元驻波管，所述制冷单元驻波管与行波通道垂直相交，在交汇处放置由制冷单元室温端冷却器、制冷单元热声回热器、冷头依次相连组成的热声制冷单元，所述声波发生单元驻波管与行波通道垂直相交，在交汇处放置由声波发生单元室温端冷却器、声波发生单元热声回热器和高温端加热器依次相连组成的声波发生单元。驻波管提供的驻波成分与行波通道提供的行波成分在热声制冷单元和声波发生单元处正交叠加，有效利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各级热声制冷单元和声波发生单元均工作于高阻抗行波相位区。

Description

基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机
技术领域
本发明涉及一种制冷机装置，特别涉及一种利用行驻波正交叠加声场特性的热声发动机驱动热声制冷机装置。
背景技术
热声发动机利用热声效应将热能转化为声能，产生的声能可以用来驱动脉管制冷机或其它形式的热声制冷机，二者的结合称为热声驱动的制冷系统。它具有三个主要优点：首先，该系统没有机械运动部件，结构简单、制造成本低、可靠性高；其次，工作介质为环境友好气体；第三，该系统直接以热能作为驱动源，可望应用于热能资源丰富而缺电的场合，特别是在边远地区及海上油田天然气液化等方面具有广的应用前景。
根据工作声场特性不同，热声热机主要分为驻波型、行波型及行驻波混合型三种。由于驻波声场中速度波和压力波相位差为
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驻波声场理论上没有声功输出；另一方面，在驻波热声热机中热声转化基于气体同固体的不可逆热接触，气体进行的是不可逆热力学循环，所以热声热机效率低。于是，1979年Ceperley首次提出了行波型热声热机的概念。行波声场中速度波和压力波相位差为热声转化基于气体同固体的可逆热接触。然而，Ceperley研制的行波型热声发动机并没有实现声功放大的功能。随后，日本的Yazaki实验验证了在行波通道中可以实现自维持震荡，并驱动热声发动机驱动热声制冷机实现了行波热声制冷，但其效率很低。Yazaki等人在研究中意识到了单环路型行波热声热机由于板叠处声阻抗低，工作气体振动速度较大，造成了严重的粘性损失，限制了行波热声热机效率的提高。
1999年，Backhaus和Swift设计制作了一台新型行波热声发动机，将行波热声发动机的效率提高到30％。该发动机主要由行波通道和谐振管组成，通过合理设计环路管段的结构尺寸使回热器处于行波声场，同时在行波回路中引入谐振管从而提高了回热器处的声阻抗。在此基础上，使用其行波原理设计了热声发动机驱动热声制冷机，实现了高效制冷。
为了实现可逆热声转换，众多研究者一直追求高阻抗的行波相位。2009年康慧芳对热声系统内声场分布特性展开了研究，指出在类驻波声场中即可实现高阻抗行波相位区，然而，过少的行波成分会使得行波相位区很窄，高效率区很窄，不能满足热声核心元件段的长度要求。在一维声场中，可以通过增加行波成分的方法增加行波区长度，然而随着行波成分的增加，虽然行波相位区长度增加，但是行波相位区当地声阻抗减小，热声转换效率降低。行波区长度和阻抗的相互制约关系，限制了热声制冷系统的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，根据行波和驻波声场的叠加特性，改变传统的驻波型热声热机和行波型热声热机的设计理念，采用正交型结构设计实现行波声场和驻波声场正交叠加，解除单通道热声系统中行波区长度和阻抗的制约关系，使得沿行波通道方向串联的各级热声转换单元均工作于高阻抗行波相位区，提高级联型热声发动机驱动热声制冷机的转换效率，增加声功流密度。
本发明的技术方案如下：一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，包括：行波通道(2)、一个或多个制冷单元驻波管(1)、一个或多个声波发生单元驻波管(10)，其特征在于：所述制冷单元驻波管(1)与行波通道(2)垂直相交，在交汇处放置由制冷单元室温端冷却器(3)、制冷单元热声回热器(4)、冷头(5)依次相连组成的热声制冷单元(A)，所述声波发生单元驻波管与行波通道(2)垂直相交，在交汇处放置由声波发生单元室温端冷却器(6)、声波发生单元热声回热器(7)和高温端加热器(8)依次相连组成的声波发生单元(B)，所述制冷单元驻波管(1)和声波发生单元驻波管(10)提供的驻波成分与行波通道(2)提供的行波成分在热声制冷单元(A)和声波发生单元(B)处正交叠加，热声制冷单元(A)位于制冷单元驻波管(1)中压力波幅附近，声波发生单元(B)位于声波发生单元驻波管(10)中压力波幅附近，利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得热声制冷单元(A)和声波发生单元(B)均工作于高阻抗行波相位区。
本发明的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机装置与现有技术相比，其关键技术在于：
根据行波和驻波声场的叠加特性，改变传统的驻波型热声热机和行波型热声热机的设计理念，采用驻波管与行波通道垂直相交，在交汇处放置由制冷单元室温端冷却器、制冷单元热声回热器、冷头依次相连组成的热声制冷单元和由声波发生单元室温端冷却器、声波发生单元热声回热器和高温端加热器依次相连组成的声波发生单元正交型结构设计在交叉点实现行波声场和驻波声场正交叠加，解除了单通道热声系统的行波区长度和阻抗的制约关系。
本发明的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机装置具备如下优点：
本发明的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机装置中，驻波管提供的驻波成分与行波通道提供的行波成分在热声制冷单元和声波发生单元处正交叠加，热声制冷单元和声波发生单元位于驻波管中压力波幅附近(即速度节点附近)，有效利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各级热声制冷单元和声波发生单元均工作于高阻抗行波相位区，实现高效热声转换。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进一步进行说明：
实施例1
本实施例的结构如图1所示，它包括：环状的行波通道2、三个制冷单元驻波管1、三个制冷单元室温端冷却器3、三个制冷单元热声回热器4、三个冷头5、直流抑制器9、四个声波发生单元驻波管10、四个声波发生单元室温端冷却器6、四个声波发生单元热声回热器7、四个高温端加热器8。每个制冷单元驻波管1与行波通道2垂直相交，在每个制冷单元驻波管1与行波通道2交汇处放置由室温端冷却器3、热声回热器4、冷头5依次相连组成的热声制冷单元A，每个声波发生单元驻波管10与行波通道2垂直相交，在每个声波发生单元驻波管10与行波通道2交汇处放置由室温端冷却器6、热声回热器7和高温端加热器8依次相连组成的声波发生单元B。
三个制冷单元室温端冷却器4的温度梯度方向(即低温端指向高温端的方向)与行波通道2中声功传播方向相反。
四个声波发生单元热声回热器7的温度梯度方向(即低温端指向高温端的方向)与行波通道2中声功传播方向一致，声功经过多级声波发生单元B逐级放大。
制冷单元驻波管1和声波发生单元驻波管10为1/4波长管，即制冷单元驻波管1和声波发生单元驻波管10的长度为驻波管中声波波长的1/4，热声制冷单元A和声波发生单元B位于驻波管中压力波幅附近(即速度节点附近)。
制冷单元驻波管1和声波发生单元驻波管10提供的驻波成分与行波通道2提供的行波成分在热声制冷单元A和声波发生单元B处正交叠加，热声制冷单元A位于声波发生单元驻波管10中压力波幅附近(即速度节点附近)，声波发生单元B位于制冷单元驻波管1中压力波幅附近，有效利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各级热声制冷单元A和声波发生单元B均工作于高阻抗行波相位区，实现高效热声转换。
使用弹性膜10抑制直流效应，弹性膜10选用有机材料硅胶制作的弹性膜。
使用氦气作为工作介质。
实施例2
本实施例的结构如图2所示，它包括：环状的行波通道2，一个制冷单元驻波管1、一个制冷单元室温端冷却器3、一个制冷单元热声回热器4、一个冷头5、三个声波发生单元驻波管10、三个声波发生单元室温端冷却器6、三个声波发生单元热声回热器7、三个高温端加热器8、直流抑制器9和谐振腔11。其特征在于：每个制冷单元驻波管1与行波通道2垂直相交，在交汇处放置由制冷单元室温端冷却器3、制冷单元热声回热器4、冷头5依次相连组成的热声制冷单元A，每个声波发生单元驻波管10行波通道2垂直相交，在交汇处放置由声波发生单元室温端冷却器6、声波发生单元热声回热器7和高温端加热器(8)依次相连组成的声波发生单元B，制冷单元驻波管1和各声波发生单元驻波管10共同连接到谐振腔11。
制冷单元室温端冷却器3的温度梯度方向(即低温端指向高温端的方向)与行波通道2中声功传播方向相反。
三个声波发生单元热声回热器7的温度梯度方向(即低温端指向高温端的方向)与行波通道2中声功传播方向一致，声功经过多级声波发生单元B逐级放大。
制冷单元驻波管1和声波发生单元驻波管10为1/4波长管1。
热声制冷单元A位于制冷单元驻波管1中压力波幅附近(即速度节点附近)，声波发生单元B位于声波发生单元驻波管10中压力波幅附近。
驻波管提供的驻波成分与行波通道2提供的行波成分在热声制冷单元A和声波发生单元B处正交叠加，热声制冷单元A和声波发生单元B位于驻波管1中压力波幅附近(即速度节点附近)，有效利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各级热声制冷单元A和声波发生单元B均工作于高阻抗行波相位区，实现高效热声转换。
使用弹性膜9抑制直流效应，弹性膜9选用有机材料硅胶制作的弹性膜。
使用氦气和氩气按1∶1混合的混合气体作为工作介质。

Claims (10)

1.一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，包括：环状的行波通道(2)、一个或多个制冷单元驻波管(1)、一个或多个声波发生单元驻波管(10)，其特征在于：所述制冷单元驻波管(1)与行波通道(2)垂直相交，在交汇处放置由制冷单元室温端冷却器(3)、制冷单元热声回热器(4)、冷头(5)依次相连组成的热声制冷单元(A)，所述声波发生单元驻波管(10)与行波通道(2)垂直相交，在交汇处放置由声波发生单元室温端冷却器(6)、声波发生单元热声回热器(7)和高温端加热器(8)依次相连组成的声波发生单元(B)，所述制冷单元驻波管(1)提供的驻波成分与行波通道(2)提供的行波成分在热声制冷单元(A)处正交叠加，所述声波发生单元驻波管(10)提供的驻波成分与行波通道(2)提供的行波成分在声波发生单元(B)处正交叠加，热声制冷单元(A)位于制冷单元驻波管(1)中压力波幅附近，声波发生单元(B)位于声波发生单元驻波管(10)中压力波幅附近，利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得热声制冷单元(A)和声波发生单元(B)均工作于高阻抗行波相位区。
2.如权利要求1所述的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，其特征在于：所述一个或多个制冷单元驻波管(1)、所述一个或多个声波发生单元驻波管(10)与行波通道(2)中声波振荡频率相同。
3.如权利要求1所述的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，其特征在于：所述制冷单元热声回热器(4)的温度梯度方向与行波通道(2)中声功传播方向相反，所述温度梯度方向指由低温端指向高温端的方向。
4.如权利要求1所述的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，其特征在于：所述声波发生单元热声回热器(7)的温度梯度方向与行波通道(2)中声功传播方向一致，声功经过多级声波发生单元(B)逐级放大。
5.如权利要求1所述的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，其特征在于：所述的驻波管(1)为1/4波长管或半波长管。
6.如权利要求1所述的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，其特征在于：还包括安装于所述行波通道中的直流抑制器(9)。
7.如权利要求6所述的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，其特征在于：所述的直流抑制器(9)为金属弹性膜、有机弹性膜或喷射泵。
8.如权利要求7所述的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，所述的有机弹性膜为硅胶、橡胶、或聚酯塑料制作的弹性膜片；所述的金属弹性膜为弹簧钢、铍青铜或不锈钢制作的弹性膜片。
9.如权利要求1所述的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，其特征在于：使用氦气、氖气、氪气、二氧化碳、氩气或氢气中的一种或者多种气体组成的混合气体作为工作介质。
10.如权利要求1所述的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，其特征在于：所述制冷单元驻波管(1)和声波发生单元驻波管(10)共同连接到谐振腔(11)。
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