CN1051241A

CN1051241A - 致冷装置

Info

Publication number: CN1051241A
Application number: CN 89109836
Authority: CN
Inventors: 得里克·京·汉斯
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1989-04-20
Filing date: 1989-10-24
Publication date: 1991-05-08

Abstract

本发明涉及诸如热-声和脉冲致冷器的冷却装置，它靠一种工作流体的压缩和膨胀运动而工作，而且它能够在上述工作流体的层流边界层的流动中产生不连续性并调整热相位条件，由此，既改进了热交换又改进了热效率，而所述冷却装置可以组装进一台致冷器。

Description

本发明涉及一种致冷（冷却）装置，特别是，但并不局限于一种热-声致冷装置，该种装置的结构范例和工作原理如下列已有技术的文献所述。

1）J.Wheatley和A.Cox：“Natural Engines”，“今日物理”38卷，第8期（1985年8月）。

2）W.E.Gifford和R.C.Longworth：美国机械工程学会（ASME）冬季年会论文，63-WA-290号，费城，宾夕法尼亚，美国，1963年11月。

3）P.Merkli和H.Thoman：“谐振管中的热-声效应”，“流体力学杂志”，70，161（1975）。

4）J.Wheatley和T.Holler，G.W.Swift，A.Mingliori：“了解一些热-声学在声学热机中应用时的简单现象”，“美国物理杂志”，53卷，第2期，（1985年12月）。

5）R.Radelbough，J.Zimmerman，D.R.Smith和B.Louuse：“三类脉冲管致冷器的比较：用于测量读数60°K时的新方法”，已投稿至“低温工程进展”，31卷。

本发明既涉及上述文献目录中第2篇和第5篇文献主题所述的非谐振的“脉冲管”型装置，也涉及上述第3篇和第4篇文献所述的谐振的“风琴管”型装置。

谐振的“风琴管”致冷装置通过使一种工作流体（即一种气体或蒸汽）在一外壳里作运动、压缩和膨胀而工作。上述工作流体在该致冷装置中的行为与空气在风琴管中的行为有些相似，也就是说，如果不考虑有时放置在该外壳中的一个或多个我们称为换热器的结构所造成的稍许编离，上述工作流体的行为可以用支配空气在一个风琴管中行为相同的物理定律来诠释。对于非共振情况，即脉冲管致冷装置情况，尽管这时简单的风琴管类比并不合适，但可应用同样的物理定律。

换热器是一种热交换器，上述工作流体以往复的方式穿过或经过该换热器。该换热器有这样的作用：即以该工作流体运动、压缩和膨胀的方式，从所述工作流体中吸收热能。暂时将热能储存起来，并再将这些热能放出来。这样，热就从上述换热器的所谓“冷端”的一个部件传至另一端的一个部件。在以Stirling循环方式运转的冷却装置中，换热器也起着类似的作用。

热-声致冷装置的运行，依赖于在上述工作流体强制循环和所述换热器有效地把热能暂时储存起来随后又把热能放给所述气体的过程之间，存在一个时间位相延迟（time phase lag）。目前的换热器通常是用大量多孔的金属材料制成，比如，可以做成一堆盘状金属丝网，或者做成一金属纤维的衬套。人们认为，换热器做成这种结构，限制了热-声致冷器的现有性能，本发明的目的就是提供一个在这方面有所改进的换热器。

本发明提供了一种致冷装置，它包括一个换热器和一种工作流体，其中所述工作流体与该换热器相接触并且作压缩和膨胀式运动，以产生一种冷却效果。所述换热器至少确定了一个表面，所述工作流体靠着该表面通过，而且上述表面有许多部分伸出插入上述工作流体中，这是为了在上述工作流体的边界层的流动中造成可控制的局部不连续性。由于改进了在上述换热器和所述工作流体之间的热交换，而且进一步，为了增加所述表面和确定该表面的构件主体之间的热相位延迟（thermal phase lag）及增加每个循环中热能所抽运的有效距离，以造成局部热源/冷源部位。

为更好地理解本发明，现在来参考附图的例子。

图1是一热-声致冷器后视示意图。

图2是用于图1中致冷器的换热器的一个剖面图。

图3和图4分别是图2中换热器的一个平板的侧视剖面图和平面图。

图5中的那个管子左端封闭，右端装有一振荡器，该振荡器在该管子中激励起声学效应。

图6示意了在有横向凸缘存在的情况下的气体流线和一个在每个低阶（step-down）附近都出现的初始旋涡状态，上述每个低阶的后面是一个配对的高阶（step-up pair），前面也伴随着一个所述的高阶。

图7和图8确定了一个换热器平板的几何结构，并且作为一个例子，描绘了一换热器平板中的瞬态温度场。

图1中的致冷器有一个机壳10、一个流体储存器12和一个细长形的管路1。机壳10的后面装有一个压缩机11，流体储存器12与压缩机11相连，管路1的一端也与该压缩机相连。管路1从压缩机11向上伸出，在A处进入机壳10，并在B处从该机壳中出来，向下延伸至靠在上述机壳的后面下方的该管路的另一端。管路1的这个另一端是封闭的，而且在这一端附近，该管路与一系列叶片或散热片14相连，构成一个热交换器，以把该管路中的热量散发到周围环境中。

从图上看去，上述管路在A处和B处之间位于机壳10之中的部分7似乎只是简单地从A处到B处构成一个环路，但实际上，为了有效地从该机壳中吸收热量，部分7将沿一条适当的路径通过该机壳。例如，该管路可靠在上述机壳的内表面或上述机壳的一个专用冷室的一个内表面上形成一个卷绕或回旋状路径，和/或可将该管路在上述机壳内构成一个或多个格子结构部件。上述管路的横截面位形并非必须始终如一地沿着它的长度方向。

如附图所示，上述管路在其靠近所述机壳的进口A处和出口B处的外边部分可以是隔热的，例如，可采用膨胀聚苯乙稀套管来隔热。

管路1内部部分7含有细密分隔的金属材料9，例如，绒毛状金属丝，以帮助收集热量。

同时，在上述管路位于B处和抽取热量的散热片14之间的部分配置四个轴向相互隔开的换热器15，每个换热器都由一组面、面相对的平板2构成。后面将结合图2、图3和图4对这些平板2作进一步描述。此外，整个管路1、压缩机11和储存器12中都充有一种适用于热-声致冷器的流体，例如氮。

储存器12的作用是把压缩机11和管路1中的气体压力维持在一个适当的平均水平上。压缩机11可以是一种含有一个往复式活塞（图中未标出）的压缩机。压缩机11的任务是在管路1内的流体里产生一个周期性的压力变化，以在该流体中沿该管路的长度方向产生一个间频驻波。正如本发明前面所述的以及前面提到的已有技术文献所指出的，这将使上述工作流体通过所述换热器作往复运动，同时，造成局部流体的压力改变，这两个结果将最终导致从上述换热器靠近所述压缩机的一侧（即从上述管路位于机壳10中的部分7）到该换热器的另一侧（即上述管路1与抽取热量的散热片14相连的部分）一个净的热量传递。

如上所述，每个换热器15都包含一组平板2，沿管路4的轴向使这些组平板相互分开。图2表示管路1的其中一组平板的剖面，其它三组平板的每一组与此相似。图中的这组平板2彼此平行并平行于管路1的轴向延伸，这些平板彼此是隔开的，这样，上述工作流体能从它们之间通过。如图3和图4所示，每个平板的每个表面都有一个二维分布的凸缘阵3，该凸缘阵从上述平板的所述表面上略微伸出、插入到所述工作流体的层流边界层4中。

每个换热器也可以包括一条带状材料盘绕成的卷板（a coiled strip），该卷板的各卷彼此隔开，以使流体从各卷之间流过。这样的卷板可以代替上述的平板。

同样，如果不用上述导热凸缘，也可在每个平板2上设置一系列轴向隔开的凸条，这凸条横过上述平板。象上述凸缘一样，这些凸条以一个精心考虑的深度伸入上述工作流体的边界层4中。上述凸缘或凸条既引起一个可控制的涡旋系统的形成（典型情况如图6所示），又通过在所述高阶处的热交换，引起热能沿上述换热器的附加转移。这些凸条或凸缘同时也在所述换热器表面构成一系列局部的热源/冷源部位，这些热源/冷源部位能增大在每一个换热器的上述表面和该换热器主体之间的热相位延迟（这点将在对图6的描述中作说明），最好这个延迟值增大到大于45°。

如果不用凸缘3，也可用前述的一系列带子或凸条（图中未画出）来替代凸缘3，这些带子或凸条沿横过上述工作流体流动的方向延伸，即，使得从横截面看去，它们就象图4中的那些凸缘。

作为一个例子，换热器平板2可以用开普顿（Kapton）、玻璃、石英、硅或陶瓷制成。这些平板的厚度可小于0.5mm。同时，可以用任何适当的方式把铝沉积在平板2上，形成上述这些凸缘或带子。这些凸缘或带子的厚度可小于0.5μm，宽度可为0.125mm，彼此间距可为0.175mm。

所述工作流体可以用压力为10个大气压的氮。如图2和图4中的箭头5所示，所述氮的局部的整体迁移距离可达0.5mm或更大。

如果不用扁平板或一个卷板，上述换热器也可包含一系列套装的同轴管状平板（未画出），在该平板的上述表面上也有许多凸缘或窄条。

参考图5、图6、图7和图8，我们看进一步的实施例。

图5是一个管路的示意图，该管路左端封封闭，右端装有一个振荡器，该振荡器在上述管路中激发声学效应。

如果我们考虑处于上述管路中X位置上的一部分气体的绝热效应，那么，当该部分气体被以所述管路的谐振基频激发，而且该部分气体迁移一段距离S时，可以证明在上述气体中存在一个温度分布并可导出一个局部温度梯度：

-1.5708（-1） (Tx)/(L) cot (πx)/(2L) （方程A14）

也就是说，如果略去所有的热流动，上述管路中所述封闭端处的气体分子比开端的气体分子热。如果此时抽走热量，以后再重新对该气体补充热量，虽然各个气体部分的实际行为自然不再是严格绝热的，却已可导致一个有利的抽热条件（heat pumping condition）。这就是热-声和脉冲管致冷的基本概念。

为提高这种抽热系统的效率，本发明对所用的热交换和暂时热储存系统进行了合理设计。

在大多数以前就研究过的上述气体在热交换器表面流动的问题中，通过在气体中产生随机湍流的方式，可以改善热交换。不过，上述湍流中有很多对热交换并没有帮助，并且还有这样的缺陷，即气体分子间的碰撞会破坏上述气体流动的运动压力（kinetic head）。在热-声和脉冲管致冷的振荡式流动状态条件下，如果这种随机情况出现的话，将大大降低系统的性能。然而，在本发明中，并未出现变化无常的破坏运动压力的情况，而且结果还如图6的情形所示，图中的初始湍流状态强度和相对于上述平板的热交换强度之间呈现很强的相关性。

在这部分内容中，可以证明，在振荡运动条件下，沿一个极窄的缝隙的宽度方向的速度分布曲线近似为抛物线型。此时，由于能量的损失，将无法形成有用的声学谐振状态。如果上述缝隙比较宽，那么，层流流动速度的分布曲线的轮廓更加接近矩形，这样自然很容易形成并维持住谐振声学状态。可以证明，要想形成这种有益的声学状态，一个近似地相应的缝隙宽度H满足：

KH＝2.5Π （1）

其中：K²＝W/2γ （2）

这里W是以弧度/秒为单位的谐振频率，γ为对上述气体的运动粘滞度。

作为一个例子，在正常的环境温度和压力下，对于干燥空气，当上述谐振频率为400周/秒时，这个H的值约为1mm。

正象前面所说的那样，可以证明，用图6和图7中所示的带有精密加工的台阶的系统，能够产生一个可控制的局部涡旋状态，该涡旋状态增大了相对于上述平板的热交换。在这部分内容中，可以证明，每个凹槽处的能量损耗或上述涡旋强度当：

2.5Π≤KH≤5Π时

可近似地表示为：

2.60 (h^-3u^-2)/(h²2g) （3）

这里：

h= h｛1+ (凹槽宽度)/(10.4×凸条宽度) ｝（4）

U是上述流体整体的运动速度的峰值，H是上述换热器各个平板之间的距离，g是重力加速度，h是上述凸条高度。

本领域普通技术人员容易看出，这样设计出的系统可以在不破坏该系统的声学值Q值的前提下有效地实现热交换。

本领域普通技术人员还很容易看出，上述主要的热交换状态出现在所述高阶位置，而且由此，通过把上述凸缘做成导热部件，能减弱气体运动效应。事实上，如果我们认为所述凸缘具有导热性能，但热容易又非常小，那么，可以证明，例如对于图7所示的几何结构，在没有热泄漏的情况下，瞬态温度分布如图8所示，而且，热量输入和储存之间有效相角为50.6°。对于一个通常认为损耗是主要的系统来说，这点是一个有意义的发现。

为达到最大的声学效率，本领域普通技术人员会把上述换热器平板的端面做成锥形和/或使各平板的长度不等，以降低声反射（这种声反射能形成谐波）。此外，上述管路沿长度方向的各处供气体流动的横截面积的大小当然可不一样，总之，在所述换热器区域中，上述管路的横向尺寸可以做得比别处更大，以便能充许设置换热器结构。

Claims

1、一种含有一个换热器和一种工作流体的冷却装置，其中该工作流体与所述换热器接触并作运动、压缩和膨胀，以产生一种冷却效果，上述换热器至少确定一个表面，所述工作流体靠着该表面流过，上述表面有许多部分伸出插入到所述工作流体中，这是为了在该工作流体的层流边界层的流动中造成局部不连续性，由此，既改进了上述换热器和所述工作流体之间的热交换，也改进了所述工作流体和上述换热器之间的热交换，而且进一步，为增加上述表面与确定该表面的构件主体之间的热相位延迟，以造成局部热源/冷源部位。

2、如权利要求1所述的一种冷却装置，其特征在于所述冷却装置中有一个细长形的外壳。

3、如权利要求1或2所述的一种冷却装置，其特征在于所述换热器包括许多扁平薄板，这些扁平薄板彼此之间以及与上述细长形外壳的轴之间近似平行地延伸。

4、如权利要求1或2所述的一种冷却装置，其特征在于所述换热器包括一个薄材料的卷板，该卷板沿着大致与上述细长形外壳的轴向平行的方向延伸。

5、如权利要求1或2所述的一种冷却装置，其特征在于所述换热器包括许多套装的同轴管状板。

6、如上述各个权利要求中任何一个所述的一种冷却装置，其特征在于所述伸出插入上述工作流体中的部分包括许多凸缘。

7、如上述各个权利要求中任何一个所述的一种冷却装置，其特征在于所述冷却流体是一种气体或蒸汽。

8、包括上面任何一个权利要求所述的一种冷却装置的一种致冷器。

9、一种致冷器，包括一个冷却室和一些将被冷却的贮存物品;

一个环绕所述冷却室的隔热层;

一种含有一个换热器和一种工作流体的冷却装置，其中该工作流体与上述换热器接触并作运动、压缩和膨胀，以产生一种冷却效果，上述换热器至少确定一个表面，所述工作流体靠着该表面流过，上述表面有许多部分伸出插入到所述工作流体中，这是为了在该工作流体的层流边界层的流动中造成局部不连续性，由此，既改进了上述换热器和所述工作流体之间的热交换，也改进了所述工作流体和上述换热器之间的热交换，而且进一步，为增加上述表面与确定该表面的构件主体之间的热相位延迟，以造成局部热源/冷源部位，上述冷却装置位于一个外壳里，该外壳在上述热源区被隔热，上述冷源区基本上处于上述冷却室里，以进行所述冷却;

一个使得流体从上述换热器上通过的压缩机。

10、如权利要求9所述的一种致冷器，其特征在于所述的压缩机是一种往复式的压缩机。