CN102607215A

CN102607215A - 热声回热器

Info

Publication number: CN102607215A
Application number: CN2012100782620A
Authority: CN
Inventors: 刘益才; 陈丽新; 牛越; 夏淯博
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: CN102607215B

Abstract

本发明涉及一种提高热声回热器回热和热声转换效率的新型热声回热器装置。所述热声回热器装置包括板叠式结构和针束型结构，其中板叠式结构由预先冲压成型的薄板、片状针束回热器、回热器套筒组合而成，针束型结构由单片预先冲压成型的薄板涡旋状转曲组合而成。所述预先冲压成型的薄板上面有预先冲压成型的圆孔、或者长方形孔、也可以是长方形带翻边的孔。本发明充分利用了热声转换原理，发挥针束式回热器高效的热声转换效率优势，同时可避免普通的针束式回热器加工工艺复杂、制作装配成本高、工作不很稳定等不足，并且本发明构造简单，加工、安装均很方便。

Description

热声回热器

技术领域

本发明涉及一种新型的热声回热器，具体地说，是涉及一种用于提高回热和热声转换效率、便于加工安装调试、可以广泛地用于热声热机和低温制冷机的新型热声回热器。

背景技术

热声制冷技术是一种完全新型的制冷技术，就是利用热声效应的制冷技术。热声效应是热和声之间相互转化的现象。从声学角度看，它是由处于声场中的固体介质和振荡流体之间相互作用，使得距固体边界一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生的热流，并在这个区域内产生或吸收声功的现象。按能量转换的方向不同，热声效应可以分为两类：一类是由热产生声，即热驱动的声振荡，另外一类是由声产生热，即声驱动的热传递。只要具备一定的条件，热声效应可以在驻波声场、行波声场或两者混合的声场中产生和发生作用。热驱动的声制冷就是利用热来产生声，再利用声来传递热的制冷现象；而声驱动的热声制冷机即是直接利用声源产生的声场在热交换器及其回热器、谐振管等的优化配置下来制冷的现象。微型热声制冷的声波由压力振荡、温度振荡和位移振荡产生，尽管振荡很小，但在二十多年的研究中已显示出，可以利用该“热声”效应来产生有效的、实用的、效率合理的热机，包括热泵和制冷机。

而传统的热声热机在进行大规模工程应用的过程中的主要技术障碍是：(一)功率体积比太低，使其尺寸太大；(二)热声转换效率较低，使装置的相对效率(即COP/COP_Carnot)仅5％。

热声热机因其诸多的优点而具有很重要的研究价值和应用前景，但目前在热声热机的研究过程中也遇到了一些新的挑战，比如如何降低热声振荡温度阈值、提高回热器的转换效率和声品质因数Q值、热能与声能相互转换及能量输运过程的基础理论、以及定量的热声动力学设计新理论等尚未建立，故在制冷及低温学科与声学等交叉学科中产生了大量需要研究的科学问题。

回热器是热声热机和回热式低温制冷机中的关键部件，是实现热功转换的场所，热声回热器的研究是促进热声热机发展的重要环节，是研制热声热机、低温制冷机及其性能提高的物质基础和保障，提高其效率是研究人员不懈的追求。充分认识并正确对回热器性能进行表征，对热声热机及其相关设备的研究、生产和择优选用具有非常重要的实际意义。

针对热声热机回热器材料、结构等直接影响热声热机转换效率的现状，本发明就提出一种新型的热声回热器结构，这种回热器结构可以充分发挥热声板叠式回热器和针束式回热器的优点，且加工简单、成型方便、可为热声热机和低温制冷机的发展和实验以及应用研究工作打下坚实的基础。

发明内容

本发明需解决的技术问题是：针对普通的板叠式回热器热声转换效率不高，而针束式回热器热声转换效率高，但加工工艺复杂、加工成本高等不足，而设计一种能提高热声转换效率、降低回热器加工难度、拓展热声回热器的应用领域，提高热声热机和低温制冷机的整体效率的新型热声回热器。

本发明的理论依据：回热器是热机系统中产生热声效应的最关键部件，A.Tominaga把回热器在热声转化和能量传递中起的作用比作为催化剂。对热声制冷机而言，回热器具有泵热或输热作用，即从回热器的低温端吸收热量泵送到回热器的高温端，再由热端换热器带离制冷机系统，达到泵热制冷的目的。

目前回热器采用的填料主要是平行板叠(parallel plate)、圆孔(circle)、丝网(mesh)等。其中平行板叠是用得最普遍的回热器，一方面由于这种回热器性能好，热功转换效率高，另一方面制作也简单，因而得到广泛应用。后来Swift]提出针束性回热器(pin-array)，这种回热器是把钢针按照一定的规律排列分布在回热器中，每三根钢针呈正三角形布置。采用DeltaE软件计算表明：对用作液化天然气驱动源的热声原动机、热驱动的制冷机、电声制冷机，采用针束型回热器的热功效率比平行板叠的分别提高15％、9％、2％。

其中几种回热器填料的性能定性的比较分析：

为比较回热器填料对热声效应的影响，可以把回热器填料间区分为热声区和耗散区。热声效应只发生在距离回热器填料边壁一个热渗透深度δ_κ的范围内，而且在距离边壁一个热渗透深度的地方热传递与功最大，在边壁与流体边界处为零。同时，由于流体不可避免地存在粘性，在距离边壁一个粘性渗透深度δ_v的范围内必然会发生粘性耗散，这种粘性耗散在边壁与流体边界处最大，并随着远离边壁处会减小，把靠近边壁的区间(距离边壁δ_v/2以内)称为耗散区。

平行板叠与凹形壁面(如圆孔形填料)相比，凹形壁面内的耗散区增大，挤占了热声有效区，这样耗散区增大，热声区减小，使得圆孔形填料的热声转换效率低。

同样地，平行板叠与凸形壁面(如针束型填料)相比，凸面减小了耗散区，使得热声区相对地增加，这样针束型的热声转换效率比平行板叠的高。

有关实验也表明针束型回热器性能优于其它类型的回热器。但由于针束型回热器结构特殊，几乎无法制作，没有得到很好的应用。故本发明就对它进行改进，做成片状的针束型回热器，加工就相对简单可行。

同时，根据热声制冷原理可知，对于针束型回热器，其回热效率更高，热声转换效率也更好，本发明正是为实现这一目的而采取的技术措施。

本发明所采用的技术方案：传统的针束型回热器由于其加工工艺的复杂性、针束加工后在回热器中安装固定的不确定性、高昂的加工成本，就很难以在热声热机的实验研究中得以应用、进而得到深入的研究，因此本发明就采用冲压翻边的型式来对回热器零件进行加工成型，加工成型后的针束型回热器零件，再更加实际需要采用转曲成涡旋形状，来确定其外径大小，其中回热器的长度需要预先确定，当然也可以采用多段式针束型回热器组合成合适长度的回热器。其中回热器材料可以采用铜、铝、不锈钢、以及合金材料，材料的厚度为0.1～2mm，材料上面的翻边孔宽度为0.5～2mm，翻边高度为0.5～2mm，材料本身的宽度为5～200mm，宽度也可以以10mm为步长递增，原材料的长度不确定，需要根据使用对象来确定，一般为10mm以上。

所述回热器有四种结构类型，分别为针束型平板板叠回热器、圆孔型平板板叠回热器、圆孔型平板板叠回热器、针束型涡旋板叠回热器。

所述结构一为针束型平板板叠回热器。采用在金属板叠上冲制等间距长方形孔(如图1所示)制作而成的针束型回热器板叠，并在回热器金属套筒内壁开槽(如图4所示)，槽宽与板叠厚度相同，间距0.5～2mm。然后将制作而成的回热器板叠裁剪成与套筒相开槽尺寸相对应的小板叠，然后装配组合而成(如图5所示)。

所述结构二为圆孔型平板板叠回热器。采用在金属板叠上冲制等间距圆孔(如图2所示)制作而成的丝网型回热器板叠，圆孔排列按照直线顺序有序排列互不交错，并在回热器金属套筒内壁开槽(如图4所示)，槽宽与板叠厚度相同，间距0.5～2mm。然后将制作而成的回热器板叠裁剪成与套筒相开槽尺寸相对应的小板叠，然后装配组合而成(如图5所示)。

所述结构三为圆孔型平板板叠回热器。用在金属板叠上冲制等间距圆孔(如图3所示)制作而成的丝网型回热器板叠，圆孔排列按照直线顺序相互交错排列，并在回热器金属套筒内壁开槽(如图4所示)，槽宽与板叠厚度相同，间距0.5～2mm。然后将制作而成的回热器板叠裁剪成与套筒相开槽尺寸相对应的小板叠，然后装配组合而成(如图5所示)。

所述结构四为针束型涡旋板叠回热器。采用在金属板叠上冲制等间距长方形孔(如图6所示)制作而成的回热器板叠，方孔一侧翻边处理，翻边高度即为槽宽0.5～2mm，然后根据实际需求卷制成所需直径的我选型，并装入套筒内(如图7所示)

所述回热器都是由基材、基材上孔以及回热器套筒组合而成。

所述基材的材料包括铜、铝、不锈钢、非金属材料、合金材料，基材的厚度为0.1～2mm，基材的宽度为5～200mm，基材的长度为20～1000mm。

所述基材上孔包括圆形孔、长方形孔、长方形带翻边的孔。

所述圆形孔的直径为0.5～2mm，

所述长方形孔的宽度为0.5～2mm，长方形孔的长度比基材的宽度小2～4mm。

所述长方形带翻边的孔的宽度为0.5～2mm，长方形孔的长度比基材的宽度小2～4mm，翻边高度为对应长方形孔的宽度。

所述基材上圆形孔的排列结构分为两种，一种是圆形孔呈直线等距排列，相邻两列圆形孔之间平行并列，互不交错(如图2所示)。另外一种为相邻圆形孔呈直线排列，但相邻两列圆形孔之间相互交错(如图3所示)。

所述回热器套筒的直径为5～2000mm，厚度为1～4mm，回热器套筒的长度为基材宽度的整数倍，套筒基材选取强度较大的金属材料或非金属材料。

所述回热器套筒包括内壁开槽和内壁光滑两种，其中内壁开槽套筒槽宽与安装的回热器板叠基材厚度相同为0.1～2mm，板间距0.1～2mm，开槽深度为套筒管壁厚度的一半，开槽可采用线切割或者车床加工。内壁光滑套筒不开槽，内外壁光滑，用于安装涡旋针束板叠型回热器。

所述回热器套筒包括内壁开槽和内壁光滑两种，套筒材料采用不锈钢或者合金等一些强度较大、轴向导热性差的薄壁金属、非金属材料。

本发明的有益效果：本发明基于热声转换机理，结构合理，解决了传统回热器制作精确度低、高难度、高加工成本和装配复杂的问题。可以广泛地用于热声热机和低温制冷机，该发明可以标准化、批量化生产，具有结构简单、安装方便、效率高以及加工成本低诸多优点，可为热声热机和低温制冷机的发展和实验以及应用研究工作打下坚实的基础。

附图说明

图1一种用于制作回热器的板叠结构简图；

图2一种用于制作回热器的板叠结构简图；

图3一种用于制作回热器的板叠结构简图；

图4板叠回热器套筒开槽结构示意图；

图5板叠回热器装配完成示意图；

图6一种用于制作涡旋型回热器的板叠结构简图；

图7卷制完成后的涡旋型板叠回热器示意图

具体实施方式

参见图1，本发明基材可以采用铜、铝、不锈钢、以及合金材料，材料的厚度e为0.1～2mm，材料本身的宽度b为5～200mm，宽度也可以以10mm为步长递增，板叠上开槽宽度m为0.5～2mm，开槽与板叠边距f、c为1～10mm，开槽间距g为1～4mm。基材的长度需要根据使用对象来确定，一般为10mm以上。开槽可采取冲槽或者开槽，开槽后板叠上下平面平整。

参见图2，本发明材料可以采用铜、铝、不锈钢、以及合金材料，材料的厚度e为0.1～2mm，材料本身的宽度b为5～200mm，宽度也可以以10mm为步长递增，板叠上开孔孔径m为0.5～2mm，孔中心与板叠边距f、c为1～10mm，打孔中心距g、d为1～4mm。原材料的长度a不确定，需要根据使用对象来确定，一般为10mm以上。打孔排列按照直线有序排列，相邻两排孔互不交错。开孔可采取冲孔或者钻孔，开孔后板叠上下平面平整。

参见图3，本发明材料可以采用铜、铝、不锈钢、以及合金材料，材料的厚度e为0.1～2mm，材料本身的宽度b为5～200mm，也宽度也可以以10mm为步长递增，板叠上开孔孔径m为0.5～2mm，孔中心与板叠边距f、c为1～10mm，打孔中心距g、k、j、d为1～4mm。原材料的长度a不确定，需要根据使用对象来确定，一般为10mm以上。打孔排列按照两列直线有序排列，相邻两裂孔相互交错。开孔可采取冲孔或者钻孔，开孔后板叠上下平面平整。

参见图4，本发明套筒材料可以采用不锈钢或者合金等一些强度较大的金属材料，套筒的内半径r1，外半径r2，套筒厚度一般为1～4mm。套筒内壁开槽，槽宽e与安装的回热器板叠厚度e相同为0.1～2mm，板间距0.1～2mm，开槽深度为套筒管壁厚度的一半，即开槽后槽深半径

套筒直径及轴向长度不确定，根据不同需求选取。开槽可采用线切割或者车床加工。

参见图5，本发明为制作完成的平板板叠型回热器。板叠采用图1、图2和图3制作完成的板叠，套筒为图4制作完成的套筒。制作时根据实验需要确定回热器即套筒尺寸，然后根据板叠厚度在套筒内壁开槽。确定套筒开槽后的尺寸，即图4中r2的尺寸，然后根据对应两个槽间距裁剪板叠，然后将板叠嵌装在套筒内壁。装配完成后结构如图5所示。

参见图6，本发明材料可以采用铜、铝、不锈钢、以及合金材料，材料的厚度e为0.1～2mm，材料本身的宽度b为5～200mm，也宽度也可以以10mm为步长递增，板叠上开槽宽度m为0.5～2mm，开槽与板叠边距f、c为1～10mm，开槽间距g为1～4mm。原材料的长度不确定，需要根据使用对象来确定，一般为10mm以上。开槽采取冲槽翻边，将长方形槽三面冲透，然后沿长方形一边翻到外面。由于翻边即为开槽的长方形，尺寸与长方形槽完全相同。

参见图7，本发明为制作完成的针束型涡旋板叠回热器。板叠由上述图6翻边板叠卷制而成。卷制时以板叠一边为轴拉紧卷制，板叠间距即为翻边的槽宽，间距为0.5～2mm。卷制所需板叠尺寸、回热器直径及轴向长度不确定，均根据不同实验要求选取完成。卷制完成后装到与之直径相同的普通强度较大的套筒内。完成后的回热器如图7所示。

本发明可以广泛地用于热声热机和低温制冷机，可以标准化、批量化生产，具有结构简单、安装方便、效率高以及加工成本低诸多优点。

Claims

1.一种热声回热器，其特征在于：所述回热器有四种结构类型，分别为针束型平板板叠回热器、圆孔型平板板叠回热器、圆孔型平板板叠回热器、针束型涡旋板叠回热器；所述回热器都是由基材、基材上孔以及回热器套筒组合而成；所述基材上孔包括圆形孔、长方形孔、长方形带翻边的孔；所述回热器套筒包括内壁开槽和内壁光滑两种。

2.根据权利要求1所述的一种热声回热器，其特征在于：所述基材可以采用铜、铝、不锈钢、合金材料、非金属材料，材料的厚度e为0.1～2mm，材料本身的宽度b为5～200mm，宽度以10mm为步长递增，基材的长度为10mm～2000mm，以10mm整数倍递增。

3.根据权利要求1所述的一种热声回热器，其特征在于：所述结构一为针束型平板板叠回热器，采用在金属板叠上冲制等间距长方形孔制作而成的针束型回热器板叠，板叠上长方形孔宽度m为0.5～2mm，长方形孔与板叠边距f、c为1～10mm，长方形孔间距g为1～4mm。

4.根据权利要求1所述的一种热声回热器，其特征在于：所述回热器金属套筒内壁开槽，槽宽与针束型回热器板叠厚度相同，为0.1～2mm，槽间距0.1～2mm，将制作而成的针束型回热器板叠裁剪成与套筒开槽尺寸相对应的小板叠装配组合而成。

5.根据权利要求1所述的一种热声回热器，其特征在于：所述结构二为圆孔型平板板叠回热器，采用在金属板叠上冲制等间距圆孔制作而成的丝网型回热器板叠，圆孔排列按照直线顺序有序排列互不交错，板叠上开孔孔径m为0.5～2mm，孔中心与板叠边距f、c为1～10mm，打孔中心距g、d为1～4mm，将制作而成的针束型回热器板叠裁剪成与套筒开槽尺寸相对应的小板叠装配组合而成。

6.根据权利要求1所述的一种热声回热器，其特征在于：所述结构三为圆孔型平板板叠回热器。用在金属板叠上冲制等间距圆孔制作而成的丝网型回热器板叠，圆孔排列按照直线顺序排列，相邻两排圆孔之间相互交错排列，板叠上开孔孔径m为0.5～2mm，孔中心与板叠边距f、c为1～10mm，打孔中心距g、k、j、d为1～4mm，将制作而成的丝网型回热器板叠裁剪成与套筒相开槽尺寸相对应的小板叠，然后装配组合而成。

7.根据权利要求1所述的一种热声回热器，其特征在于：所述结构四为针束型涡旋板叠回热器。采用在金属板叠上冲制等间距长方形孔一边翻边卷制而成的针束型涡旋板叠回热器，板叠上长方形孔宽度m为0.5～2mm，长方形孔与板叠边距f、c为1～10mm，长方形孔间距g为1～4mm，长方形孔一侧翻边处理，翻边高度即为长方形孔槽宽0.5～2mm，根据实际需求以板叠一侧边为轴紧密缠绕卷制成所需直径的涡旋型，并装入与其直径相匹配的内壁光滑套筒内。

8.根据权利要求1所述的一种热声回热器，其特征在于：所述回热器套筒的直径为5～2000mm，厚度为1～4mm，开槽深度为套筒管壁厚度的一半，槽宽与回热器板叠厚度相同，为0.1～2mm，开槽间距0.1～2mm，回热器套筒的长度为回热器板叠基材宽度的整数倍，套筒材料采用不锈钢或者合金等一些强度较大的金属或非金属材料。

9.根据权利要求1所述的一种热声回热器，其特征在于：所述回热器套筒的直径为5～2000mm，厚度为1～2mm；回热器套筒的长度为回热器板叠基材宽度的整数倍，内外壁光滑。

10.根据权利要求1所述的一种热声回热器，其特征在于：所述回热器套筒包括内壁开槽和内壁光滑两种，套筒材料采用不锈钢或者合金等一些强度较大、轴向导热性差的薄壁金属、非金属材料。