CN103175330A - 活塞功回收型脉管制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种活塞功回收型脉管制冷系统，它包括：室温端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、排出器、热声核冷却器和热声核加热器等；其中，所述室温端换热器、回热器、冷端换热器、脉管和热端换热器依次连接，热端换热器通过管道与排出器一端相连，排出器的另一端依次连接若干个热声核后，再通过反馈回路与室温端换热器相连；所述热声核由热声核冷却器、回热器和热声核加热器依次连接组成。与传统脉管制冷机相比，本发明的结构更加紧凑，调相灵活、准确，回收并放大传统脉管制冷机用于调相的声功，减小外接的输入声功，在获得冷量的同时使整个系统更加高效运行。

Description

活塞功回收型脉管制冷系统
技术领域
本发明涉及低温制冷机和热声领域，尤其涉及一种活塞功回收型脉管制冷系统。
背景技术
脉管制冷机是在20世纪60年代由美国的Gifford和Longsworth发明的。脉管制冷机是回热式低温制冷机的一种，由回热器、脉管、热端换热器、冷端换热器及调相装置等部分组成，因其消除了低温下的运动部件，无维护运行时间大大延长，因而在航天、军事等方面有着非常广泛的应用前景。脉管制冷机分为基本型脉管制冷机和调相型脉管制冷机，根据调相装置的不同，调相型脉管制冷机又可以分为小孔气库型脉管制冷机、惯性管型脉管制冷机、双向进气型脉管制冷机等多种型式。
在基本型脉管制冷机中，脉管的热端是封闭的，由于调相能力有限，制冷效率低下。在基本型脉管制冷机基础上发展起来的调相型脉管制冷机，在脉管的热端设置了调相器，包括小孔-气库调相器、惯性管、双向进气结构等，用来调节压力与体积流率之间的相位，使得脉管制冷机的性能显著提高。
调相装置虽然会改善压力与体积流率之间的相位，但是会导致一部分声功损耗在调相装置中，没有充分利用进入系统中的声功，正是因为这个原因，非声功回收型脉管制冷机的循环效率极限为TC/TH，低于卡诺循环效率TC/(TH-TC)，对于大功率脉管制冷机来说，损失的声功是巨大的。
热声发动机是一种将热能转换为机械能的新型发动机，利用热声效应实现热能与声功之间的转换，具有结构简单、运行可靠、工质环境友好、效率高等优点。在热声发动机中，实现热声转换的核心部件是由加热器、回热器、冷却器组成的热声核。近几十年来，热声技术研究取得了飞速的发展，作为发动机，其热声转换效率已经达到30%以上，相对卡诺效率达到41%，可以同内燃机相媲美。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种活塞功回收型脉管制冷系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种活塞功回收型脉管制冷系统，它包括：室温端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、排出器、热声核冷却器和热声核加热器等；其中，所述室温端换热器、回热器、冷端换热器、脉管和热端换热器依次连接，热端换热器通过管道与排出器一端相连，排出器的另一端依次连接若干个热声核后，再通过反馈回路与室温端换热器相连；所述热声核由热声核冷却器、回热器和热声核加热器依次连接组成。
进一步地，所述反馈回路为直通型反馈回路、混合型反馈回路或间接型反馈回路。所述直通型反馈回路为管道。所述混合型反馈回路包括管道和动力装置；动力装置可以为压缩机，压缩机的气缸与管道相通；动力装置也可以由直线电机与和直线电机相配合的气管组成，气管与管道相通。所述间接型反馈回路由管道和置于管道内的活塞组成。
本发明的有益效果是，本发明所提出的活塞功回收型脉管制冷机将传统的脉管制冷机中消耗在调相装置中的声功通过排出器传递到热声核中，所述的排出器既起到脉管制冷机的调相作用又起到传递声功的作用，从脉管热端传递过来的声功通过热声核放大后返回到脉管制冷机的室温换热器端继续驱动脉管制冷机制冷，从而实现了脉管制冷机冷端声功的有效回收，能大大提高制冷系统的效率。此外，相对于常规的脉管制冷机，本发明提出的功回收型脉管制冷机，在提高制冷效率的同时，采用排出器调相使系统调相更为灵活、准确，同时使用采用低温热源驱动的热声核放大声功，可有效利用了低品位热源。 
附图说明
图1是直通型反馈回路的功回收型脉管示意图；
图2是混合型反馈回路的功回收型脉管示意图；
图3是间接型反馈回路的功回收型脉管示意图；
图中，室温端换热器1、回热器2、冷端换热器3、脉管4、热端换热器5、排出器6、热声核冷却器7、热声核加热器8、活塞9，动力装置10。
具体实施方式
下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示，本发明活塞功回收型脉管制冷系统包括：室温端换热器1、回热器2、冷端换热器3、脉管4、热端换热器5、排出器6、热声核冷却器7和热声核加热器8；其中，室温端换热器1、回热器2、冷端换热器3、脉管4和热端换热器5依次连接，热端换热器5通过管道与排出器6一端相连，排出器6的另一端依次连接若干个热声核后，再通过反馈回路与室温端换热器1相连。热声核由热声核冷却器7、回热器2和热声核加热器8依次连接组成。
本发明的工作过程如下：与传统脉管制冷机相似，声功或活塞功依次进入室温端换热器1、回热器2、冷端换热器3、脉管4和热端换热器5从而在冷端换热器3处产生冷量；与传统脉管制冷机不同之处在于，从热端换热器5出来的声功并非消耗在调相装置中，而是通过排出器6传递进入热声核，排出器6在传递声功的同时起到传统脉管制冷机中调相装置的作用，它使脉管制冷机内气体的压力和体积流率具有合适的振幅和相位，使脉管制冷机达到制冷的效果，声功经热声核放大后再通过反馈回路循环进入室温端换热器1，驱动活塞功回收型脉管制冷系统制冷。本发明不仅回收了从热端换热器5流出的声功还利用热声核实现了低品位热的利用，从而在提高系统效率的同时充分利用低品位能源。
反馈回路为直通型反馈回路（如图1所示）、混合型反馈回路（如图2所示）或间接型反馈回路（如图3所示）。
如图1所示，所述直通型反馈回路为管道。声功经热声核放大后，由该管道循环进入室温端换热器1，驱动活塞功回收型脉管制冷系统制冷。
如图2所示，所述混合型反馈回路包括管道和动力装置10，动力装置10可以为压缩机，压缩机的气缸与管道相通。动力装置10也可以由直线电机与和直线电机相配合的气管组成，气管与管道相通。加入动力装置10方便调节脉管制冷机的驱动功，使活塞功回收型脉管制冷系统在合适的输入功下工作。
如图3所示，所述间接型反馈回路由管道和置于管道内的活塞9组成。通过选取合适的活塞9的尺寸和材质，可很好调节热声核内气体的压力和体积流率的相位，从而使热声核具有更高的热声转换效率。
本发明的活塞功回收型脉管制冷系统将原本耗散在调相装置中的声功通过排出器传递进入热声核，并由热声核放大再由反馈回路返回用于驱动活塞功回收型脉管制冷系统。本发明一方面利用排出器同时实现了活塞功回收和传统脉管制冷机中调相装置的作用；另一方面整合了热声核，有效利用低品位热对声功进行放大，从而使放大声功重新具备驱动活塞功回收型脉管制冷系统的能力，并通过反馈回路实现循环利用。本发明不仅降低了声功损耗，提高了效率，而且通过热声核利用了低品位能，从而使整个系统更节能环保。

Claims (5)

1.一种活塞功回收型脉管制冷系统，其特征在于，它包括：室温端换热器（1）、回热器（2）、冷端换热器（3）、脉管（4）、热端换热器（5）、排出器（6）、热声核冷却器（7）和热声核加热器（8）等；其中，所述室温端换热器（1）、回热器（2）、冷端换热器（3）、脉管（4）和热端换热器（5）依次连接，热端换热器（5）通过管道与排出器（6）一端相连，排出器（6）的另一端依次连接若干个热声核后，再通过反馈回路与室温端换热器（1）相连；所述热声核由热声核冷却器（7）、回热器（2）和热声核加热器（8）依次连接组成。
2.根据权利要求1所述活塞功回收型脉管制冷系统，其特征在于，所述反馈回路为直通型反馈回路、混合型反馈回路或间接型反馈回路。
3.根据权利要求2所述活塞功回收型脉管制冷系统，其特征在于，所述直通型反馈回路为管道。
4.根据权利要求2所述活塞功回收型脉管制冷系统，其特征在于，所述混合型反馈回路包括管道和动力装置（10）；动力装置（10）可以为压缩机，压缩机的气缸与管道相通；动力装置（10）也可以由直线电机与和直线电机相配合的气管组成，气管与管道相通。
5.根据权利要求2所述活塞功回收型脉管制冷系统，其特征在于，所述间接型反馈回路由管道和置于管道内的活塞（9）组成。
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