CN102331109A - 低温热声制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温热声制冷机，包括至少两段第一惯性管，第一惯性管的一端相互连接、另一端均连接有第一次散热器，第一次散热器远离第一惯性管的一端均连接有第一脉冲管，第一脉冲管远离第一次散热器的一端连接有第一冷头，第一冷头远离第一脉冲管的一端连接有回热器，回热器远离第一冷头的一端连接有主散热器，主散热器远离回热器的一端连接有压力波发生器。该制冷机工作时，通过控制压力波发生器产生的压力波的相位，使各惯性管在连接处的体积流之和接近为0，这样，便可使压力波在回热器内的流动损失达到最小，可见，该制冷机与现有的具有气库的制冷机相比，在没有显著增加系统体积的同时，使得制冷机功率提高了一倍，故，功率密度较高。

Description

低温热声制冷机

技术领域

本发明涉及制冷机技术领域，尤其涉及一种低温热声制冷机。

背景技术

制冷机是一种将被冷却物体上的热量转移到其它介质，对被冷却物体进行冷却的设备，其中，低温热声制冷机就是一种重要的低温制冷设备。

图1为现有技术低温热声制冷机的结构示意图。如图1所示，现有低温热声制冷机包括压力波发生器1以及从压力波发生器1开始依次连接的主散热器2、回热器3、冷头4、脉冲管5、次散热器6、惯性管7、气库8。上述制冷机工作时，压力波发生器1产生压力波，并将产生的压力波依次传送到到主散热器2、回热器3、冷头4、脉冲管5、次散热器6、惯性管7、气库8等各部件。压力波在回热器3内往复运动的同时，通过压缩膨胀将冷头4处的热量经由回热器3向主散热器2输送，并最终通过主散热器2散发至外界环境中，从而使冷头4处获得低温，使得设置在冷头4处的被冷却物体处于低温状态，实现对被冷却物体的冷却；与此同时，压力波的大部分能量在回热器3中被消耗掉。

其中，现有的低温热声制冷机是靠惯性管7和气库8来调节内部的声场相位，以减小压力波在回热器内的流动损失，理论上要求气库的体积越大越好。在实际的系统中，虽然气库的体积不是无穷大，但是相对于制冷机来说也是占据了比较大的空间，这就决定了现有的低温热声制冷机体积较为庞大，结构不紧凑，功率密度较低。但是，在很多的使用环境下，都要求低温热声制冷机具有较大的制冷量，同时要求低温热声制冷机的整体尺寸不能太大，即需要低温热声制冷机具有较高的功率密度，可见，现有的低温热声制冷机不能满足此种需求。

发明内容

本发明提供一种低温热声制冷机，以解决现有技术中低温热声制冷机的功率密度低，不能满足使用需要的问题。

本发明提供一种低温热声制冷机，包括至少两段第一惯性管7，所述第一惯性管7的一端相互连接在一起、另一端均连接有第一次散热器6，各所述第一次散热器6远离所述第一惯性管7的一端均连接有第一脉冲管5，各所述第一脉冲管5远离第一次散热器6的一端均连接有第一冷头4，各所述第一冷头4远离所述第一脉冲管5的一端均连接有回热器3，各所述回热器3远离所述第一冷头4的一端均连接有主散热器2，各所述主散热器2远离回热器3的一端均连接有压力波发生器1。

本发明提供的低温热声制冷机在进行制冷工作时，通过控制压力波发生器产生的压力波的相位，使各惯性管在其连接处的体积流之和接近为0，这样，便可使压力波在回热器内的流动损失达到最小，可见，该制冷机与现有的具有气库的制冷机相比，在没有显著增加系统体积的同时，使得制冷机功率提高了一倍，因此极大地提高了该制冷机的功率密度，使其具备较高的功率密度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术低温热声制冷机的结构示意图；

图2为本发明低温热声制冷机第一实施例的结构示意图；

图3为降低压力波在回热器内的流动损失的原理结构图；

图4为本发明低温热声制冷机第二实施例的结构示意图；

图5为本发明低温热声制冷机第三实施例的结构示意图；

图6为本发明低温热声制冷机第四实施例的结构示意图；

图7为本发明低温热声制冷机第五实施例的结构示意图。

附图标记：

1-压力波发生器；    2-主散热器；

3-回热器；          4-第一冷头；

4’-第二冷头；      5-第一脉冲管；

5’-第二脉冲管；    6-第一次散热器；

6’-第二次散热器；  7-第一惯性管；

7’-第二惯性管；    8-气库；

9-刚性连接件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明低温热声制冷机第一实施例的结构示意图，如图2所示，本发明低温热声制冷机的实施例，包括两段第一惯性管7，此两段第一惯性管7的一端连接在一起，另一端均连接有一个第一次散热器6，第一次散热器6远离第一惯性管7的一端均连接有第一脉冲管5(本文中所指的远离是以各部件内通道的端口为参照对象，例如，第一次散热器6内具有介质的运动通道，介质的运动通道具有两个端口，第一次散热器6以介质的运动通道一端的端口与第一惯性管7连接，另一端的端口、也就是远离惯性管的一端与第一脉冲管5连接)，各第一脉冲管5远离第一次散热器6的一端均连接有第一冷头4，第一冷头4远离第一脉冲管5的一端均连接有回热器3，各回热器3远离第一冷头4的一端连接有主散热器2，主散热器2远离回热器3的一端均连接有压力波发生器1。具体地，该压力波发生器1为直线压缩机。

上述实施例的低温热声制冷机，在图2中，左右两侧的第一惯性管7、第一次散热器6、第一脉冲管5、第一冷头4、回热器3、主散热器2及振压力波发生器1完全相同。在进行制冷时，控制压缩机的电流相位可以使两台压缩机输出的压力波的相位差为180度，因为左右两侧各部件完全相同，压力波传输到两段第一惯性管的连接处时相位差仍然是180度，并且体积流的幅值大小相等，因此在该处的压力波动接近于0，故，可以在不采用气库的情况下使得压力波在回热器内的流动损失达到最小。所以该结构实际上是以一套顺次连接的第一次散热器6、第一脉冲管5、第一冷头4、回热器3、主散热器2及压力波发生器1来取代现有技术中体积较大的气库，因此在保持系统体积不显著增大的情况下，制冷量增大了一倍，提高了该低温热声制冷机的功率密度。

进一步地，图3为降低压力波在回热器内的流动损失的原理结构图；如图3所示，对上述方案的原理进行详细介绍。

对于气库型低温热声制冷机来说，在气库容积的选择上之所以想要气库的容积无限大，主要是为了提供一个压力波动为0的边界条件，这样惯性管在远离气库的一端可以获得更大的压力体积流相位差，有利于制冷机性能的提高。假定气库的体积无限大，那么多套热声制冷机可以共用一个相同的气库，如图3所示。由于无限大的气库是为了提供一个压力波动为0的边界条件，则又如图3所示，假设左侧第一惯性管与气库连接处的体积流为波动为Usinωt，右侧第一惯性管与气库连接处的体积流为波动为Usin(ωt+π)，二者的幅值相等，相位相差180度，也就是说当左侧第一惯性管的气流进入气库时，右侧第一惯性管的气流正好流出气库，并且流量大小相等，所以气库内的气体变化量为0。即使气库的容积为有限大，气库仍然可以提供压力波动为0的边界条件。而在极限情况下，气库的容积为0时，此处的压力波动仍然为0。因此，将两段分别与两套直线压缩机连通的第一惯性管7的一端直接连接，同时使两套直线压缩机产生的压力波相位相差180度，则可以获得压力波动为0的边界条件，便可使压力波在回热器内的流动损失达到最小。类似地，更多的制冷机的第一惯性管7的一端相互连接时，只需要通过直线压缩机产生相应相位的压力波，使得压力波在各第一惯性管7相互连接位置处获得压力波动为0的边界条件。

图4为本发明低温热声制冷机第二实施例的结构示意图，如图4所示，基于上述图2所示实施例，在图2所示的实施例中，两个压力波发生器1均采用了左右对称的对置电机结构，即，同一压力波发生器1中的两个电机动子总是保持相对(即方向相反)运动，这主要是为了抵消两个电机所产生的震动。而在图4所示的本实施例，其余图2所示实施例的不同点主要在于，压力波发生器1采用单电机结构。由于单电机构成的压力波发生器1的电机动子的往复运动会产生振动。为了消除该振动，可以将两个电机按照图4中所示同方向固定在刚性连接件9上。控制两个电机的电流相位相差180度，因此两个电机的动子的运动相位也会相差180度，这样两个活塞的运动方向总会保持相反，两个压缩机的震动就会相互抵消，同时压力波发生器1的结构可以更加简单。

进一步地，图5为本发明低温热声制冷机第三实施例的结构示意图。基于上述实施例，如图5所示，两根第一惯性管7连接后的右端可以顺次连接一套第一次散热器6、第一脉冲管5、第一冷头4、回热器3、主散热器2和直线压缩机(即压力波发生器1)。两根第一惯性管7连接后的左侧连接两套顺次连接的第一次散热器6、第一脉冲管5、第一冷头4、回热器3、主散热器2和直线压缩机。且左侧连接的两套第一次散热器6、第一脉冲管5、第一冷头4、回热器3、主散热器2和直线压缩机的部件尺寸相等，并小于右侧连接的第一次散热器6、第一脉冲管5、第一冷头4、回热器3、主散热器2和直线压缩机的部件尺寸。工作时左侧两台直线压缩机的电流相位相同，但与右侧压缩机电流相位相差180度。通过调节左侧直线压缩机电流的大小使两段第一惯性管7在连接处的体积流相位相差180度，并且体积流的幅值大小相等，因此在该处的压力波动接近于0，即此时，两段第一惯性管7在连接处等同设置了一个无限大的气库。

进一步地，图6为本发明低温热声制冷机第四实施例的结构示意图，基于第一实施例，第四实施例如图6所示，其与第一实施例的主要不同点在于第一回热器3由两个同轴设置的子回热器组成，当然，子回热器的数量不仅仅限于两个，同轴设置更多数量的子回热器也是可以的。在两个子回热器的连接处依次串联第二冷头4’、第二脉冲管5’、第二次散热器6’和第二惯性管7’。另外，两段第二惯性管7’连接在一起。与上述实施例一样，左右两侧的第一惯性管7、第一次散热器6、第一脉冲管5、第一冷头4、第二冷头4’、第二脉冲管5’、第二次散热器6’和第二惯性管7’分别对应相同，由于左右两侧的上述各部件完全相同，使直线压缩机产生的压力波相位相差180度，则压力波从直线压缩机传递到两段第一惯性管7、及两段第二惯性管7’的连接处时，体积流大小相等，相位相差180度，因此在它们的连接处的压力波动接近于0，即此时，在它们的连接处等同设置了一个无限大的气库。

另外，需要指出的是左右两侧可不仅仅均设置一套数次连接的第一惯性管7、第一次散热器6、第一脉冲管5、第一冷头4及一套顺次连接的第二冷头4’、第二脉冲管5’、第二次散热器6’和第二惯性管7’，其均可以设置多套，且左右两侧设置的套数相等。

图7为本发明低温热声制冷机第五实施例的结构示意图，如图7所示，本发明低温热声制冷机的第五实施例，由三套完全相同的顺次连接的压力波发生器1、主散热器2、回热器3、第一冷头4、第一脉冲管5、第一次散热器6、第一惯性管7组成，三个第一惯性管7的其中一端相互连接在一起。其中，压力波发生器1为直线压缩机。工作时，控制三台直线压缩机的电流可以使其产生的压力波相位彼此之间相差120度，因此压力波传输到三根惯性管7相接处时体积流相位分别为Usinωt、Usin(ωt+2π/3)、Usin(ωt+4π/3)，三者之和为0，所以该处的压力波动接近于0，即此时，三根第一惯性管7在连接处等同设置了一个无限大的气库。

另外，也可不仅仅设置三套，设置其它数量也可以，主要控制直线压缩机产生相应相位差的压力波即可，例如设置9套，其使每两个相邻的直线压缩机产生的压力波相位彼此之间相差40度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种低温热声制冷机，其特征在于，包括至少两段第一惯性管(7)，所述第一惯性管(7)的一端相互连接在一起、另一端均连接有第一次散热器(6)，各所述第一次散热器(6)远离所述第一惯性管(7)的一端均连接有第一脉冲管(5)，各所述第一脉冲管(5)远离第一次散热器(6)的一端均连接有第一冷头(4)，各所述第一冷头(4)远离所述第一脉冲管(5)的一端均连接有回热器(3)，各所述回热器(3)远离所述第一冷头(4)的一端均连接有主散热器(2)，各所述主散热器(2)远离回热器(3)的一端均连接有压力波发生器(1)。

2.根据权利要求1所述的低温热声制冷机，其特征在于，所述第一惯性管(7)为偶数个，且均分为两组，每组中的各所述第一惯性管(7)均顺次串联相同的所述第一次散热器(6)、所述第一脉冲管(5)、所诉第一冷头(4)、所述回热器(3)、所述主散热器(2)及所述压力波发生器(1)；且同组中的所述压力波发生器(1)产生的压力波的相位差为0°，不同组中的所述压力波发生器(1)产生的压力波的相位差为180°。

3.根据权利要求1所述的低温热声制冷机，其特征在于，各所述回热器(3)均包括至少两个串联设置的子回热器，每两个相邻的所述子回热器的相接处均连接有依次串联设置的第二冷头(4’)、第二脉冲管(5’)、第二次散热器(6’)及第二惯性管(7’)，且各所述第二惯性管(7’)远离所述第二次散热器(6’)的一端连接在一起。

4.根据权利要求3所述的低温热声制冷机，其特征在于，所述第一惯性管(7)为偶数个，且均分为两组，每组中的各所述第一惯性管(7)均顺次串联相同的所述第一次散热器(6)、所述第一脉冲管(5)、所述第一冷头(4)、所述回热器(3)、所述主散热器(2)及所述压力波发生器(1)；且同组中的所述压力波发生器(1)产生的压力波的相位差为0°，不同组中的所述压力波发生器(1)产生的压力波的相位差为180°；另外，不同组中的各所述回热器(3)上依次串联设置的所述第二冷头(4’)、所述第二脉冲管(5’)、所述第二次散热器(6’)及所述第二惯性管(7’)均对应相同。

5.根据权利要求1-4任一所述的低温热声制冷机，其特征在于，所述压力波发生器(1)为直线压缩机。

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