CN102374688A - 热声压缩机驱动的制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热声压缩机驱动的制冷系统。它包括热声压缩机、时序控制阀门和制冷机；时序控制阀门的配气口E与制冷机的配气口F连接，时序控制阀门高压进气口C与热声压缩机高压排气口A连接，时序控制阀门低压排气口D与热声压缩机低压进气口B连接，所述的热声压缩机包括通过单向流动控制阀串联的N级热声压缩机单元，N为2～100。所述热声压缩机单元为驻波热声压缩机、纯行波热声压缩机或行波驻波混合型热声压缩机。所述制冷机为G-M制冷机或G-M型脉管制冷机。所述的时序控制阀门为平面旋转阀或电磁控制阀。本发明提出的热声压缩机驱动的制冷系统直接采用热驱动，无需电能，整机无油润滑，结构简单，运行可靠，投资和维护成本低。

Description

热声压缩机驱动的制冷系统

技术领域

本发明涉及低温制冷系统，尤其涉及一种热声压缩机驱动的制冷系统。

背景技术

G-M制冷机是发展较为成熟的一种回热式低温制冷机，主要由回热器、膨胀气缸、排出器、级后冷却器、冷端换热器等部分组成。G-M制冷机采用普通制冷用的标准压缩机驱动，通过按给定相位工作的配气阀门来周期性地实现西蒙膨胀制冷，在现代科技、医学和低温物理实验等领域获得了广泛的应用。

脉管制冷机也是回热式低温制冷机的一种，由回热器、脉管、热端换热器、级后换热器、冷端换热器及调相装置等部分组成，因其消除了低温下的排出器，无维护运行时间大大延长，在航天、军事等方面有着非常广泛的应用前景。脉管制冷机又分为斯特林型和G-M型，其中在压缩机与脉管之间采用阀门配气的脉管制冷系统叫做G-M型脉管制冷机。G-M型脉管制冷机通过控制高低压端阀门的打开和关闭控制脉管制冷机内气体的压缩和膨胀过程实现制冷效应，工作频率一般在10Hz以下。

压缩机是制冷系统中的动力装置，传统的G-M制冷机和G-M型脉管制冷机均采用机械式压缩机驱动，这些机械式压缩机中无不存在着机械运动部件，结构较为复杂且加工难度较大，所以传统的机械式压缩机由于存在磨损，难以维持长寿命无故障运转，成本高。另外，传统的机械式压缩机都只能利用电能驱动，在电能缺乏场合使用受到了限制。

本专利所提出的热声压缩机是利用热声效应工作的一种新型气体压缩方式。热声效应是热能与声能之间相互转换的现象，即声场中的时均热力学效应。热声压缩机本质上是一种通过热声效应实现热能到声能转化的装置。在热声压缩机的回热器或板叠中，气体工质在沿固体介质纵向振荡的同时，与固体介质发生横向热量传递，在经历一个循环后热量被气体工质从高温端传递到低温端，一部分热能转化为声能。根据声场特性不同，热声压缩机主要分为驻波型、行波型及驻波行波混合型型三种型式。行波声场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差90°。

普通的热声压缩机，即热声发动机，均无法实现气体的连续压缩和泵送，因而不能提供具有稳定压力的高压气体。这也是热声压缩机与机械压缩机的一个重要差别，几十年来，国际上从来没有研究者提出过利用热声压缩机实现连续的气体压缩和泵送，获得高压气体源。本发明利用热声压缩机中产生的压力波动和单向流动控制阀首次提出了一种可以提供具有稳定压力的高压气体的多级热声压缩系统，在这个基础上，热声压缩机就可以通过时序控制阀对G-M制冷机和G-M型脉管制冷机提供高低压配气。

本发明提出的低温制冷系统可以实现常规的机械式压缩机驱动的低温制冷系统的功能，但由于热声压缩机不同于常规的机械式压缩机，它没有机械运动部件，具有潜在高效率、结构简单、运行可靠、无维护工作时间长和工质环境友好的显著优点，且可采用热能驱动，可利用工业废热、太阳能等低品位能源，在电能缺乏场合尤其适用。

 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种热声压缩机驱动的制冷系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

热声压缩机驱动的制冷系统包括热声压缩机、时序控制阀门和制冷机；时序控制阀门的配气口E与制冷机的配气口F连接，时序控制阀门高压进气口C与热声压缩机高压排气口A连接，时序控制阀门低压排气口D与热声压缩机低压进气口B连接，所述的热声压缩机包括通过单向流动控制阀串联的N级热声压缩机单元，N为2～100。

所述热声压缩机单元为驻波热声压缩机、纯行波热声压缩机或行波驻波混合型热声压缩机。

所述制冷机为G-M制冷机或G-M型脉管制冷机。所述的时序控制阀门为平面旋转阀或电磁控制阀。所述的单向流动控制阀为单向阀或双向流阻不对称的喷射器。

本发明通过使用单向流动控制阀，将热声压缩机单元从低压至高压串联起来，利用热声压缩机单元中产生的压力波动，实现压缩工质从低压至高压的输送，产生的高低压利用时序控制阀门切换作为G-M制冷机或G-M型脉管制冷机的高低压气源产生低温制冷。相对于常规机械式压缩系统驱动的G-M制冷机或G-M型脉管制冷机，本发明提出的热声压缩机驱动的制冷系统直接采用热能驱动产生低温，摆脱了传统的机械式压缩机对电能的依赖，尤其适用于电能缺乏的场合；其次，由于热声压缩系统冷热端均无机械运动部件，因此无需油润滑，不存在影响制冷机性能的油污染问题，且结构简单，运行可靠，投资和维护成本低。

 附图说明

图1是热声压缩机驱动的制冷系统示意图；

图2是N级驻波热声压缩机示意图；

图3是N级纯行波热声压缩机示意图；

图4是N级行波驻波混合型热声压缩机示意图；

图5是G-M制冷机示意图；

图6是G-M型脉管制冷机示意图。

图中，气库1、谐振管2、冷却器3、热声板叠4、加热器5、单向流动控制阀6、主冷却器7、热声回热器8、热缓冲管9、次冷却器10、反馈回路11、谐振直路12、级后冷却器13、低温回热器14、冷端换热器15、脉管16、热端换热器17、小孔阀18、脉管气库19、排出器20、膨胀气缸21、时序控制阀门22。

具体实施方式

如图1～4所示，热声压缩机驱动的制冷系统包括热声压缩机、时序控制阀门和制冷机；时序控制阀门的配气口E与制冷机的配气口F连接，时序控制阀门高压进气口C与热声压缩机高压排气口A连接，时序控制阀门低压排气口D与热声压缩机低压进气口B连接，所述的热声压缩机包括通过单向流动控制阀串联的N级热声压缩机单元，N为2～100。

所述热声压缩机单元为驻波热声压缩机、纯行波热声压缩机或行波驻波混合型热声压缩机。

图2中的热声压缩机由N级驻波热声压缩机和级间单向流动控制阀6组成，驻波热声压缩机主要由气库1、谐振管2、冷却器3、热声板叠4和加热器5组成。第一级热声压缩机、第二级热声压缩机……第n级热声压缩机的平均压力是逐级增加的且各级热声压缩机的平均压力在制冷系统稳定工作时保持恒定。各级热声压缩机之间依次通过单向流动控制阀6串联布置。单向流动控制阀6保证了气流只能单向依次从低压进气口B流入第一级热声压缩机、第二级热声压缩机……第n级热声压缩机，最终泵送至高压后流出热声压缩机的高压出气口A。单向流动控制阀6可以为常规单向流动控制阀，亦可是双向流阻不对称的喷射器。当多级驻波热声压缩机工作时，第一级驻波热声压缩机内的气体压力在平均压力附近以正弦波动，当第一级驻波热声压缩机内压力低于低压进气口B的压力并且压力差超过单向流动控制阀6的阀值压差时，气体便被吸入到第一级驻波热声压缩机。同样，第一级驻波热声压缩机与第二级驻波热声压缩机间也设有单向流动控制阀6，当第一级驻波热声压缩机中的压力由于压力波动高于第二级热声压缩机，气体便从第一级驻波热声压缩机压出，进入第二级驻波热声压缩机。此后的低压级驻波热声压缩机与其相邻的高压级驻波热声压缩机间均设有单向流动控制阀6，工作过程与以上相同。在各级的驻波热声压缩机中，气体引入的最佳位置一般在谐振管2上，也可以在气库1处，气体引出的位置应该在压力振幅较大的谐振管2的靠近冷却器3处。第n级热声压缩机与高压出气口A间也通过单向流动控制阀6相连，气体只能由第n级热声压缩机单向流向出气口A。经多级驻波热声压缩机压缩后，气体从低压进气口B的较低压力压缩和泵送至高压出气口A的高压后排出，供给制冷系统所需的高压。

图3中的热声压缩机由N级纯行波热声压缩机和级间单向流动控制阀6组成，纯行波热声压缩机主要由谐振管2、冷却器3、加热器5、热声回热器8组成。工作过程与图2多级驻波热声压缩机相同。气体引入位置为图3所示的谐振管2处，可适当调整；引出位置通常位于冷却器3附近。

图4中的热声压缩机由N级行波驻波混合型热声压缩机和级间单向流动控制阀6组成，行波驻波混合型热声压缩机主要由加热器5、主冷却器7、热声回热器7、热缓冲管9、次冷却器10、反馈回路11、谐振直路12组成。工作过程与图2多级驻波热声压缩机相同，不同点在于引入引出位置的差异。各级行波驻波混合型热声压缩机引入口位置如图3所示，可以位于谐振直路12右端，亦可以位于行波环路和谐振直路的其他位置；由于气体引出口的位置一般应该在压力振幅较大处，所以引出口位置应该在图4中所示的环路声容附近，亦可以位于谐振直路12与环路的交点处。

另外，在一组热声压缩机内部亦可以是驻波热声压缩机、纯行波热声压缩机或行波驻波混合型热声压缩机中一种或多种。

所述制冷机为G-M制冷机或G-M型脉管制冷机。所述的时序控制阀门为平面旋转阀或电磁控制阀。所述的单向流动控制阀为单向阀或双向流阻不对称的喷射器。

如图5所示，G-M制冷机主要由级后冷却器13、低温回热器14、冷端换热器15、排出器20和膨胀气缸21组成。图中F处为制冷机的配气口，通过时序控制阀门22将热声压缩机提供的高低压力的气体配送给制冷机。当时序控制阀门22切换使制冷机与高压进气口C接通时，此时排出器20位于膨胀气缸21底部，气体充入G-M制冷机的膨胀气缸21的热腔和低温回热器14中。压力平衡后，排出器20从膨胀气缸21底部向上移动，将进入到热腔的高压气体推移通过低温回热器14进入冷腔。气体在通过低温回热器14时，向填料放热，气体的温度和压力降低，此时进行的是等压充气。待排出器20移动到膨胀气缸21的顶端后，时序控制阀门22切换使制冷机与低压排气口D接通，制冷机进行绝热放气产生制冷。随后，排出器20从膨胀气缸21顶部向下移动，将气体从冷腔推移至热腔。气体由下而上通过低温回热器时，从填料吸热，将多余冷量传给回热器以供下个循环使用。最后排出器20移动到膨胀气缸21的底部，这样一个循环就结束，周而复始的重复着上述循环过程，系统就能连续工作，不断制取冷量。此过程中，热声压缩机不断将制冷机排出的低压气体吸入并且泵送至高压后供给制冷机用于制冷。

如图6所示，G-M型脉管制冷机主要由级后冷却器13、低温回热器14、冷端换热器15、脉管16、热端换热器17、小孔阀18和脉管气库19组成。图中F处为制冷机的配气口，通过时序控制阀门22将热声压缩机提供的高低压力的气体配送给制冷机。当时序控制阀门22切换使制冷机与高压进气口C接通时，高压气体通过时序控制阀门22流经低温回热器14，被低温回热器14内的回热填料冷却，通过冷端换热器15以层流形式进入脉管16，把管内气体推向封闭端。气体受到挤压后，压力和温度上升，产生的热量通过布置在脉管16封闭端的热端换热器17带走，使管内气体的温度降低。然后，时序控制阀门22切换使制冷机与低压排气口D接通，脉管16内气体膨胀，产生制冷效应，气体温度降低，通过冷端换热器15将冷量带走。膨胀后的气体反向流过低温回热器14，吸收回热填料中的热量，气体复温后返回至热声压缩机进行压缩。小孔阀18和脉管气库19在脉管制冷机中主要起着调相和增大膨胀气体量的作用。接着，时序控制阀门22再次与高压供气口C接通，重复以上循环。在此过程中，热声压缩机不断将制冷机排出的低压气体吸入并且泵送至高压后供给制冷机用于制冷。

在给出的实施方案中时序控制阀门22均采用平面旋转阀，通过编程控制可以实现高低压气体的时序。实际上，可以根据情况选用电磁阀控制高低压气体在压缩机和低温制冷机之间的进出。

本发明所提出的热声压缩机驱动的制冷系统直接采用热能驱动产生低温，冷热端无机械运动部件，无需油润滑，结构简单，成本低，运行可靠。

Claims (5)

1.一种热声压缩机驱动的制冷系统，其特征在于包括热声压缩机、时序控制阀门和制冷机；时序控制阀门的配气口E与制冷机的配气口F连接，时序控制阀门高压进气口C与热声压缩机高压排气口A连接，时序控制阀门低压排气口D与热声压缩机低压进气口B连接，所述的热声压缩机包括通过单向流动控制阀串联的N级热声压缩机单元，N为2～100。

2.根据权利要求1所述的一种热声压缩机驱动的制冷系统，其特征在于，所述热声压缩机单元为驻波热声压缩机、纯行波热声压缩机或行波驻波混合型热声压缩机。

3.根据权利要求1所述的一种热声压缩机驱动的制冷系统，其特征在于，所述制冷机为G-M制冷机或G-M型脉管制冷机。

4.根据权利要求1所述的一种热声压缩机驱动的制冷系统，其特征在于，所述的时序控制阀门为平面旋转阀或电磁控制阀。

5.根据权利要求1所述的一种热声压缩机驱动的制冷系统，其特征在于，所述的单向流动控制阀为单向阀或双向流阻不对称的喷射器。

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