CN104048445B - 一种无惯性管和气库的低温热声制冷机 - Google Patents

Abstract

一种无惯性管和气库的低温热声制冷机，其包括由压力波发生装置和制冷机部件构成的制冷单元，制冷单元为偶数个或者三个；每个制冷机部件包括：依次连接于所在制冷单元的压力波发生装置输出端的回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉冲管、脉冲管热端换热器和小孔调节阀，和装于连接所在制冷单元的压力波发生装置输出端与脉冲管热端换热器出口端间的双向进气管上的双向进气调节阀；各制冷单元的小孔调节阀通过连接管相连接；该制冷机工作时，通过控制压力波发生装置产生压力波的相位，使各小孔调节阀连接处的体积流率之和接近于零，以使压力波在回热器内流动损失达到最小；该制冷机无气库和惯性管，具有结构紧凑、功率密度高等优点。

Description

一种无惯性管和气库的低温热声制冷机

技术领域

本发明涉及制冷机技术领域，尤其涉及一种结构紧凑的无惯性管和气库的低温热声制冷机。

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，低温热声制冷机是一种重要的低温制冷设备。

图1和图2为现有技术低温热声制冷机的结构示意图。如图1和2所示，现有低温热声制冷机包括压力波发生装置1和制冷部件；所述制冷部件包括依次连接于所述压力波发生装置1输出端的回热器热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、脉冲管5、脉冲管热端换热器6；该低温热声制冷机工作时，压力波发生装置1产生压力波动，并依次传输至回热器热端换热器2、回热器3、回热器冷端换热器4、脉冲管5和脉冲管热端换热器6；压力波在回热器3内往复运动的同时，通过压缩膨胀将冷端换热器4处的热量经回热器3向回热器热端换热器2输送，并最终通过回热器热端换热器2散发至外界环境中，从而使冷端换热器4处获得低温，实现对设置在冷端换热器4处的被冷却物体的冷却；与此同时，压力波的大部分能量在回热器3中被消耗掉。

图1所示现有技术中的低温热声制冷机是通过小孔调节阀7和双向进气调节阀8与气库9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，图1中双向进气调节阀8装于压力波发生装置1输出端与脉冲管热端换热器6相连通的管道中，小孔调节阀7和气库9依次连接于脉冲管热端换热器6出口端。

图2所示的另一种现有技术中的低温热声制冷机，其是通过依次连接于脉冲管热端换热器6的惯性管10和气库9来调节内部的声场相位，理论上要求气库9的体积越大越好。在实际的系统中，虽然气库体积不是无穷大，但是相对于制冷机来说也占据了较大的空间。另外，图2所示的制冷机中的惯性管通常也比较长，例如，工作在频率为50Hz的低温热声制冷机较优的惯性管长度约为2至3米。这就使得现有的低温热声制冷机体积较大，功率密度较低。但是在很多使用环境中都要求低温热声制冷机具有较大的制冷量同时整机的尺寸不能太大，即要求低温热声制冷机具有较高的功率密度。为了提高低温热声制冷机的功率密度，李海冰等人提出了如图3所示的不包括气库的低温热声制冷机（中国专利CN201110312919.0）。该低温热声制冷机虽然不包括气库，但是仍然需要用较长的惯性管来调节内部的声场，其功率密度还是有待进一步提高。

发明内容

本发明目的在于提供一种无惯性管和气库的低温热声制冷机，其结构更加紧凑，可以解决现有技术中低温热声制冷机功率密度较低的问题。

本发明提供的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其包括由压力波发生装置1和制冷机部件构成的制冷单元，制冷单元为偶数个或者三个；

每个制冷单元的制冷机部件包括：依次连接于所在制冷单元的压力波发生装置1输出端的回热器热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、脉冲管5、脉冲管热端换热器6和小孔调节阀7，和安装于连接所在制冷单元的压力波发生装置1输出端与脉冲管热端换热器6出口端之间的双向进气管上的双向进气调节阀8；各制冷单元的小孔调节阀7通过连接管相连接。

为了提高本发明的无惯性管和气库的结构紧凑的低温热声制冷机的工作效率，所述制冷机部件还包括安装于所述回热器3与脉冲管5间的旁路管，所述旁路管上装有旁通调节阀11；所述旁路管为一路或者多路。

本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机，所述的双向进气管或/和旁路管上还可装有用于抑制环流的阻力元件，所述阻力元件为弹性隔膜元件或者非对称流道元件。

为了达到更低的制冷温度，同时在不同温度下获得冷量，所述各制冷单元中的回热器3由两个串级设置的上子回热器和下子回热器组成，在所述上子回热器和下子回热器的连接处分别通过管道依次连接第二冷端换热器4’、第二脉冲管5’、第二脉冲管热端换热器6’和第二小孔调节阀7’，各第二小孔调节阀7’之间通过连接管相连接。

所述的小孔调节阀7、双向进气调节阀8、旁通调节阀11和第二小孔调节阀7’为针阀、小孔阀、毛细管或拉法尔喷管。所述的拉法尔喷管为渐扩形拉法尔喷管或渐缩型拉法尔喷管。

所述的压力波发生装置1为直线压缩机。

所述的制冷单元为偶数个时，其中半数制冷单元的直线压缩机的工作相位相同，与另外的半数制冷单元的直线压缩机的工作相位相反。

所述的制冷单元为三个时，三个制冷单元的压力波发生装置1均直线压缩机，直线压缩机的工作相位相差120度，采用三相电为所述三个制冷单元的直线压缩机供电。

本发明提供的低温制冷机工作时，通过控制压力波发生装置产生的压力波相位，使各小孔调节阀后的连接管连接处的体积流率之和接近为零；这样便可以使压力波在回热器内的损失达到最小；与现有技术中的具有气库或惯性管的低温热声制冷机相比，本发明提供的无惯性管和气库的低温热声制冷机的功率密度更高，更具有发展和应用前景。

附图说明

图1为现有技术低温热声制冷机一的结构示意图；

图2为现有技术低温热声制冷机二的结构示意图；

图3为现有技术低温热声制冷机三的结构示意图；

图4为本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机实施例1的结构示意图；

图5为本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机实施例2的结构示意图；

图6为本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机实施例3的结构示意图；

图7为本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机实施例4的结构示意图；

图8为本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机实施例5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明；但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。

实施例1

图4为本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机实施例1的结构示意图，如图4所示，本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其包括两个由压力波发生装置1和制冷机部件构成的制冷单元：即结构完全相同的左侧制冷单元和右侧制冷单元；左侧制冷单元和右侧制冷单元的制冷机部件均包括：回热器热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、脉冲管5、脉冲管热端换热器6、小孔调节阀7和双向进气调节阀8；所述回热器热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、脉冲管5、脉冲管热端换热器6和小孔调节阀7依次连接于所在制冷单元的压力波发生装置1输出端，所述双向进气调节阀8连接于所在制冷单元的压力波发生装置1输出端与所述脉冲管热端换热器6出口端的连接管路上；两个制冷单元的小孔调节阀7通过连接管相连接。

本实施例1的两个压力波发生装置1均为直线压缩机；该无惯性管和气库的低温热声制冷机进行制冷工作时，控制直线压缩机的电流相位可以使两台直线压缩机的压力波相位相差180度，因为左右两侧各部件完全相同，压力波传输到两个小孔调节阀7间的连接管处时相位仍然相差180度，并且体积流率的幅值大小相等，因此在该处的压力波动接近于零，等效于此处具有无穷大的气库；因此可以在不采用气库的情况下使得压力波动在回热器内的损失达到最小；相比于图1所示现有技术的低温热声制冷机，本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机的制冷量增大了一倍，同时不采用占据很大空间的气库，因此功率密度得到极大的提高；相比于图3所示现有技术的低温热声制冷机，本发明的无惯性管和气库的低温热声制冷机不采用较长的惯性管，而只需要用体积较小的小孔调节阀、双向进气阀和较短的连接管来调节内部声场相位，提高了低温热声制冷机的功率密度。

需要指出的是，由压力波发生装置1和制冷机部件组成的制冷单元的数量不仅仅限于两个，可以为更多的偶数个，各制冷单元的小孔调节阀相连接；压力波发生装置可以采用直线压缩机，通过控制直线压缩机的输入电流，使其中半数直线压缩机的工作相位相同，与另外半数的直线压缩机工作相位相反，这样，压力波传递至各小孔调节阀连接处时接近于零，等同于此处设置了一个无限大气库。

实施例2

图5是本发明无惯性管和气库的低温热声制冷机的实施例2的结构示意图，如图5所示，其与实施例1的主要不同之处在于：在每个制冷单元的回热器间引出旁路管连接至脉冲管间，旁路管上设置旁通调节阀11以调节从回热器旁通至脉冲管的气量；这样可以在小孔调节阀7和双向进气阀8调相能力不足时增大调相能力，以提高该低温热声制冷机的效率。所述旁路为一路或多路。

进一步的，由于双向进气阀所在的双向进气管与主气路构成的环路（或者所述的回热器和脉冲管间的旁路管与主气路构成了环路）可能会带来环流损失，还可以在双向进气管或/和旁路管上装有用于抑制环流的阻力元件，所述阻力元件为弹性隔膜元件或者非对称流道元件。

实施例1和2中小孔调节阀7、双向进气调节阀8、旁通调节阀11均可为针阀、小孔阀、毛细管或者拉法尔喷管；拉法尔喷管可为光滑型拉法尔喷管、简易的拉法尔喷管、渐扩型拉法尔喷管或渐缩型拉法尔喷管。

实施例3

图6是本发明无惯性管和气库的低温热声制冷机的实施例3的结构示意图，如图6所示，其与实施例1的主要不同之处在于左右制冷单元的回热器3均由两个串级设置的上子回热器和下子回热器组成，（当然，子回热器的数量不仅仅限于两个，可以串级设置更多数量的子回热器），多级结构的子回热器设置可以达到更低的制冷温度，也可以同时在不同温度下获得冷量；本实施例在二个回热器3的上下两个子回热器的连接处分别通过管道依次连接第二冷端换热器4’、第二脉冲管5’、第二脉冲管热端换热器6’和第二小孔调节阀7’，两个第二小孔调节阀7’之间通过一段连接管相连接；

进一步的，还可以根据调相需要，在直线压缩机1出口和第二脉冲管热端换热器6’出口间设置第二双向进气支路管，并在第二双向进气支路管上设置第二双向进气调节阀；与实施例1一样，左右两侧的制冷机单元完全相同，控制直线压缩机产生的压力波相位相差180度，则传递至两个第一小孔调节阀间的连接管处的体积流率大小相等，相位相差180度，因此此处的压力波动接近于零；同样的传递至两个第二小孔调节阀间的连接管处的压力波动也接近于零。等同于在连接处设置了一个无限大的气库。

实施例4

图7是本发明无惯性管和气库的低温热声制冷机的实施例4的结构示意图，如图7所示，其与实施例1的主要不同之处在于，实施例1中回热器3与脉冲管5是直线型布置的，本实施例中回热器3与脉冲管5是同轴型布置；同轴型布置与直线型布置相比，效率会有所下降，但可以使整机的结构更加紧凑。

实施例5

图8为本发明无惯性管和气库的低温热声制冷机的实施例5的结构示意图，如图8所示，其由三套完全相同的制冷单元组成；三个制冷单元的三个制冷部件的三个小孔调节阀7由一个三通管相连；其中，三个压力波发生装置1均为直线压缩机；该无惯性管和气库的低温热声制冷机工作时，采用三相电给三个直线压缩机供电，使其产生的压力波相位彼此之间相差120度，因此压力波传输至三个小孔调节阀连接处时的体积流率幅值相等，相位相差彼此相差120度，三者之和为零；所以，该连接处的压力波动接近于零，三个小孔调节阀连接处等同设置了一个无限大气库。

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 (9)

1.一种无惯性管和气库的低温热声制冷机，其包括由压力波发生装置(1)和制冷机部件构成的制冷单元，制冷单元为偶数个或者三个；

每个制冷单元的制冷机部件包括：依次连接于所在制冷单元的压力波发生装置(1)输出端的回热器热端换热器(2)、回热器(3)、冷端换热器(4)、脉冲管(5)、脉冲管热端换热器(6)和小孔调节阀(7)，和安装于连接所在制冷单元的压力波发生装置(1)输出端与脉冲管热端换热器(6)出口端之间的双向进气管上的双向进气调节阀(8)；各制冷单元的小孔调节阀(7)通过连接管相连接。

2.按权利要求1所述的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其特征在于，所述制冷机部件还包括安装于所述回热器(3)与脉冲管(5)间的旁路管，所述旁路管上装有旁通调节阀(11)；所述旁路管为一路或者多路。

3.按权利要求1或2所述的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其特征在于，所述的双向进气管或/和旁路管上装有用于抑制环流的阻力元件，所述阻力元件为弹性隔膜元件或者非对称流道元件。

4.根据权利要求1所述的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其特征在于，所述各制冷单元中的回热器(3)由两个串级设置的上子回热器和下子回热器组成，在所述上子回热器和下子回热器的连接处分别通过管道依次连接第二冷端换热器(4’)、第二脉冲管(5’)、第二脉冲管热端换热器(6’)和第二小孔调节阀(7’)，各第二小孔调节阀(7’)之间通过连接管相连接。

5.根据权利要求1、2或4所述的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其特征在于，所述的小孔调节阀(7)、双向进气调节阀(8)、旁通调节阀(11)和第二小孔调节阀(7’)为针阀、小孔阀、毛细管或拉法尔喷管。

6.根据权利要求5所述的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其特征在于：所述的拉法尔喷管为渐扩形拉法尔喷管或渐缩型拉法尔喷管。

7.根据权利要求1所述的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其特征在于，所述的压力波发生装置(1)为直线压缩机。

8.根据权利要求1所述的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其特征在于，所述的制冷单元为偶数个，其中半数制冷单元的直线压缩机的工作相位相同，与另外的半数制冷单元的直线压缩机的工作相位相反。

9.根据权利要求1所述的无惯性管和气库的低温热声制冷机，其特征在于，所述的制冷单元为三个，三个制冷单元的压力波发生装置(1)均直线压缩机，直线压缩机的工作相位相差120度，采用三相电为所述三个制冷单元的直线压缩机供电。