CN105276855B - 一种环路多级行波热驱动制冷系统 - Google Patents
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Abstract
一种环路多级行波热驱动型制冷系统，其由N个热声发动机与N个脉管制冷机通过谐振管间隔相连构成的环路结构组成，N为1～6正整数；每一个热声发动机与相邻的一个脉管制冷机及其连接的两段谐振管组成热声转换单元；系统工作时，发动机加热器被加热产生高温，发动机回热器处形成温度梯度，热能转换成声功；声功沿着温度梯度的正方向放大并传播，通过谐振管传递到制冷机回热器中发生热声转换，将冷头的热量泵送至制冷机主冷却器处输出，冷头保持低温；余下的声功继续传递到下一单元中，如此循环工作；本系统完全没有运动部件，可靠性高；环路可实现纯行波相位；制冷机出口声功可被回收，潜在效率高；该系统结构紧凑，能量密度高，有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种制冷系统，特别涉及一种环路多级行波热驱动制冷系统。
背景技术
近年来，随着科学技术的飞速发展，低温技术的研究和应用非常活跃。其中，高温超导设备、小型气体液化器和用于地面或空间的零蒸发低温储罐的飞速发展和应用对大功率低温制冷机提出了要求。同时，气体液化、分离工业等领域对此类制冷机的需求也与日俱增。
脉管制冷机与传统制冷机相比，低温端没有运动部件，可靠性高，结构简单，运行寿命长。同样，热声发动机也没有运动部件，潜在效率高，可靠性高。在热声发动机中，通过加热器对气体加热，系统内产生自激的压力振荡，热能被转换为声能；在脉管制冷机中，声功在回热器内将热量从低温端搬运到高温端被消耗掉。而如果将热声发动机中自激振荡产生的压力波动来驱动脉管制冷机，便产生了一种从驱动源到冷端都没有任何运动部件的制冷机，受到人们的广泛关注。根据热声转换的声场特性，热声发动机分为行波热声发动机和驻波热声发动机。行波热声发动机基于可逆的热声斯特林循环，相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言潜在热效率高，应用前景好。
1979年，Ceperley首次提出了行波热声发动机的概念。但是在验证实验中，由于采用了不适当的声学阻抗，未能实现声功的增益。之后，根据Ceperley的设想，日本的Yazaki等人首先完成了一台环形管行波热声驱动器的研制。但是，该系统由于板叠处声阻抗低，工作气体振动速度较大，造成了严重的粘性损失，很大程度上限制了行波热声发动机效率的提高。
1999年，Backhaus和Swift设计了一台带驻波谐振管的环路行波热声发动机结构，如图1所示。从声场性质来看，这是一台高效行/驻波混合型热声发动机。该行波热声发动机主要由行波环路和谐振管组成，通过设计使发动机回热器3处于行波声场，同时在驻波谐振管9末端引进了局部行波回路，提高了回热器处的阻抗，在性能上有很大的提高。但是，该行波热声发动机有很大一部分声功在驻波谐振管中耗散掉，不能得以利用；同时，谐振管尺寸很大，系统功率密度低，制约了其进一步的应用。
2010年，荷兰Kees De Blok的专利WO2010107308A1公布了一种新型四阶行波热声发动机系统，如图2所示。该多级行波热声发动机系统由多个相同的行波热声发动机组成，多个行波热声发动机通过谐振管9相连构成一个环路。该系统能够有效地回收耗散在谐振管中的声功，潜在效果高。同时，增大了回热器3处的面积，有效地减小了工质振荡速率，回热器中的粘性损失减小。该系统采用的谐振管直径较小，能够有效地避免图1中的直径很大的谐振管带来的体积过大，功率密度低等问题。但是，该热声发动机中未加入热缓冲管等结构，容易造成冷热气体混合损失，导致热量大量损耗在谐振管中，同时在环路系统中未安装直流抑制器，降低了系统的效率，所以这种结构也未能取得较好的效果。
图3为专利CN103808063A公布的一种声学共振型热驱动行波热声制冷系统的结构示意图。该行波热声制冷系统由N个弹性膜和N个通过谐振管首尾相连并形成环形回路的热声单元组成，每个热声单元由热声发动机和脉管制冷机组成，两者共用一个冷却器。相比于图1的系统，该系统中谐振管的尺寸大大减小，结构紧凑，并且在连接管内的声功能被回收到下一个单元，具有潜在高效率；与图2系统相比，在热缓冲管6两端增加了高温端层流化丝网5和发动机室温端层流化丝网7，较好的解决了热声发动机系统中冷热气流混合引起的损失问题，同时该系统安装了环路直流抑制器1，消除了系统的直流；但是，从热声发动机次冷却器8末端出来的压力波动相位一般是超前于体积流量相位，而脉管制冷机回热器3入口处的压力波动相位一般是滞后于体积流量相位的。该系统将热声发动机和脉管制冷机直接连接，声功相位不能得到较好地调节，因此效率会受到一定的限制。
为了解决以上存在的问题，本发明提出一种环路多级行波热驱动制冷系统，整个系统无运动部件，可靠性高，结构紧凑，功率密度高；由于环路结构，每一热声发动机和脉管制冷机均处在行波相位，有利于实现较高的热声转换；能够解决De Blok环路系统中热缓冲管出现的冷热损失、直流损失等，热声效率得以进一步提升。特别地，从热声发动机和脉管制冷机末端出来的声功相位能够分别通过对应的谐振管得到很好的调节，潜在效率高。该系统可根据冷量需求串联多个热声转换单元，以实现大冷量的输出，适合于低温超导、天然气液化等大冷量需求的场合，有良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环路多级行波热驱动制冷系统，其整机无运动部件，可靠性高，结构紧凑，能量密度高；系统环路中可实现行波相位，极大提高工作效率；并且，声功的相位能够得到较好的调节，有利于系统性能的提高；并且可根据冷量的需求串联多个热声转换单元，实现大冷量输出；该装置非常适合应用在天然气液化、低温超导等大冷量需求的场合。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的环路多级行波热驱动制冷系统，其由N个结构相同的热声发动机、N个结构相同的脉管制冷机、发动机谐振管9和制冷机谐振管17组成，所述N＝1～6；
所述N个热声发动机中的每一热声发动机均由依次相连的直流抑制器1、发动机主冷却器2、发动机回热器3、加热器4、高温端层流化元件5、热缓冲管6、发动机室温端层流化元件7和发动机次冷却器8组成；所述高温端层流化元件(5)安装在热缓冲管6高温侧，所述发动机室温端层流化元件7安装在热缓冲管6室温侧；
所述N个脉管制冷机中每一脉冲管制冷机均由依次相连的制冷机主冷却器10、制冷机回热器11、冷头12、低温端层流化元件13、脉冲管14、制冷机室温端层流化元件15、制冷机次冷却器16组成；所述低温端层流化元件13安装在脉冲管14低温侧，所述制冷机室温端层流化元件15安装在脉冲管14室温侧；
一个热声发动机、一个发动机谐振管9、一个脉管制冷机和一个制冷机谐振管17依次串联的构成系统的一个热声转换单元；各热声转换单元首尾相连构成环路结构，每一热声转换单元首尾两端工质的体积流量相位差为360°/N，每一热声转换单元首尾两端工质的压力波动相位差为360°/N；
每一热声发动机的加热器4均与热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；每一热声发动机的发动机主冷却器2和发动机次冷却器8均通过水冷器冷却维持在室温范围；在每一热声发动机的发动机回热器3上形成相同的温度梯度；在该温度梯度下，发动机回热器3内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器4的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，并通过发动机谐振管9传递到制冷机回热器11中被消耗，将冷头12的热量泵送至制冷机主冷却器10输出，热量由水冷器中的冷却水带走，使得冷头12保持低温；从制冷机次冷却器16出来的剩余声功通过制冷机谐振管17进入下一热声转换单元中，实现声功的部分回收；如此循环工作，环路多级行波热驱动型制冷系统稳定工作。
所述直流抑制器1为弹性隔膜元件或非对称水力元件，安装在制冷机谐振管17的任意截面位置处，以起到隔绝环路直流的目的。所述环路多级行波热驱动型制冷系统使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。所述发动机谐振管9的横截面积大于制冷机谐振管17的横截面积。所述发动机谐振管9的长度与制冷机谐振管17的长度相等或不相等。
本发明的一种环路多级行波热驱动型制冷系统，其优点在于：将热声发动机和脉管制冷机均布置在环路结构中，可以使各部件处在行波相位中，有利于提高工作效率；整个系统没有运动部件，可靠性高，寿命上，并且消除了大体积的谐振管，结构紧凑，能量密度高；从热声发动机和脉管制冷机出来的声功能够分别通过谐振管进行回收及相位调节，潜在效率高。本发明在大冷量需求方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1是Swift等人提出的带谐振管的环形管行波热声发动机结构示意图；
图2是De Block等人提出的多级行波热声发动机结构示意图；
图3是罗二仓等人提出的声学共振型热驱动行波热声制冷系统结构示意图；
图4是本发明的环路多级行波热驱动型制冷系统(实施例1)结构示意图；
图5是本发明的环路多级行波热驱动型制冷系统(实施例2)结构示意图；
图6是本发明的环路多级行波热驱动型制冷系统(实施例3)结构示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做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。
本发明取消了传统脉管制冷机惯性管和气库等调相机构，利用谐振管对其进行调相；同样地，利用谐振管对热声发动机出口的声功进行调相，同时回收声功；与其他低温制冷机相比，整机无运动部件，安全可靠，使用寿命长；系统环路中各个位置都可实现行波相位，有利实现较高的热声转换效率；该系统可根据冷量的需求串联多个热声转换单元实现大冷量输出，在天然气液化、低温超导等领域有着良好的应用前景。
实施例1
图4是本发明的环路多级行波热驱动型制冷系统(实施例1)结构示意图。如图4所示，本实施例1的制冷系统由1个(#1)热声发动机、1个(#1)脉管制冷机、一个发动机谐振管9和一个制冷机谐振管17组成；
(#1)热声发动机由依次相连的直流抑制器1、发动机主冷却器2、发动机回热器3、加热器4、高温端层流化元件5、热缓冲管6、发动机室温端层流化元件7和发动机次冷却器8组成；高温端层流化元件5安装在热缓冲管6高温侧，发动机室温端层流化元件7安装在热缓冲管6室温侧；
(#1)脉管制冷机由依次相连的制冷机主冷却器10、制冷机回热器11、冷头12、低温端层流化元件13、脉冲管14、制冷机室温端层流化元件15、制冷机次冷却器16组成；所述低温端层流化元件13安装在脉冲管14低温侧，所述制冷机室温端层流化元件15安装在脉冲管14室温侧；
依次串联的热声发动机、发动机谐振管9、脉管制冷机、制冷机谐振管17构成系统的一个热声转换单元；本实施例2的环路多级行波热驱动制冷系统由1个这样的热声转换单元首尾相连而成构成环路结构，每一热声转换单元首尾两端的体积流量相位差为360°，每一热声转换单元首尾两端的压力波动到相位差为360°；
发动机谐振管9的横截面积为制冷机谐振管17的两倍，两者的长度相等，均起到连接及相位调节的作用；
加热器4与热源相连以吸收热源热量形成相同的高温端(923K)，发动机主冷却器2和发动机次冷却器8均通过水冷却以维持在室温范围(303K)，在发动机回热器3两端形成温度梯度；当该温度梯度达到临界温度后，系统起振，发动机回热器3内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器4的热量转化成声功，沿着温度梯度的正方向传播并放大；放大后的声功通过发动机谐振管9传递到制冷机回热器11中发生热声转换，将冷头12的热量泵送至制冷机主冷却器10输出，热量由冷却器中的冷却水带走，使冷头12保持低温；从制冷机次冷却器出来的声功通过制冷机谐振管17重新传递到该热声转换单元，如此重复以上过程；
实施例2
图5是本发明的环路多级行波热驱动型制冷系统(实施例2)结构示意图。如图5所示，本实施例2的制冷系统由2个(#1和#2)结构相同(长度和横截面积)的热声发动机和2个(#1和#2)结构相同(长度和横截面积)的脉管制冷机通过谐振管间隔串联成环路结构；
#1热声发动机和#2热声发动机均由依次相连的直流抑制器1、发动机主冷却器2、发动机回热器3、加热器4、高温端层流化元件5、热缓冲管6、发动机室温端层流化元件7和发动机次冷却器8组成；高温端层流化元件5安装在热缓冲管6高温侧，发动机室温端层流化元件7安装在热缓冲管6室温侧；
#1脉管制冷机和#2脉管制冷机均由依次相连的制冷机主冷却器10、制冷机回热器11、冷头12、低温端层流化元件13、脉冲管14、制冷机室温端层流化元件15、制冷机次冷却器16组成；所述低温端层流化元件13安装在脉冲管14低温侧，所述制冷机室温端层流化元件15安装在脉冲管14室温侧；
依次串联的热声发动机、发动机谐振管9、脉管制冷机、制冷机谐振管17构成系统的一个热声转换单元；本实施例2的环路多级行波热驱动制冷系统由2个这样的热声转换单元首尾相连而成构成环路结构，每一热声转换单元首尾两端的体积流量相位差为180°，每一热声转换单元首尾两端的压力波动相位差为180°；
发动机谐振管9的横截面积为制冷机谐振管17的两倍，两者的长度相等，均起到连接及相位调节的作用；
每一加热器4与热源相连以吸收热源热量形成相同的高温端(923K)，发动机主冷却器2和发动机次冷却器8通过水冷却以维持在室温范围(303K)，在每一发动机回热器3两端形成温度梯度；当该温度梯度达到临界温度后，系统起振，发动机回热器3内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器(4)的热量转化成声功，沿着温度梯度的正方向传播并放大；放大后的声功通过发动机谐振管9传递到制冷机回热器11中发生热声转换，将每一冷头12的热量泵送至制冷机主冷却器10输出，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一冷头12保持低温；从制冷机次冷却器出来的声功通过制冷机谐振管17传递到下一热声转换单元，如此重复以上过程；
实施例3：
图6是本发明的环路多级行波热驱动型制冷系统(实施例3)结构示意图。如图6所示，本实施例3的制冷系统由3个(#1、#2和#3)结构相同(长度和横截面积)的热声发动机和3个(#1、#2和#3)结构相同(长度和横截面积)的脉管制冷机通过谐振管间隔串联成环路结构；
#1热声发动机、#2热声发动机和3#热声发动机均由依次相连的直流抑制器1、发动机主冷却器2、发动机回热器3、加热器4、高温端层流化元件5、热缓冲管6、发动机室温端层流化元件7和发动机次冷却器8组成；高温端层流化元件5安装在热缓冲管6高温侧，发动机室温端层流化元件7安装在热缓冲管6室温侧；
#1脉管制冷机、#2脉管制冷机和和3#均脉管制冷机由依次相连的制冷机主冷却器10、制冷机回热器11、冷头12、低温端层流化元件13、脉冲管14、制冷机室温端层流化元件15、制冷机次冷却器16组成；所述低温端层流化元件13安装在脉冲管14低温侧，所述制冷机室温端层流化元件15安装在脉冲管14室温侧；
依次串联的热声发动机、发动机谐振管9、脉管制冷机、制冷机谐振管17构成系统的一个热声转换单元；本实施例3的环路多级行波热驱动制冷系统由3个这样的热声转换单元首尾相连而成，每一热声转换单元首尾两端的体积流量相位差为120°，每一热声转换单元首尾两端的压力波动相位差为120°；
发动机谐振管9的横截面积为制冷机谐振管17的两倍，两者的长度相等，均起到连接及相位调节的作用；
每一加热器4与热源相连以吸收热源热量形成相同的高温端(923K)，发动机主冷却器2和发动机次冷却器8通过水冷却以维持在室温范围(303K)，在每一发动机回热器3两端形成温度梯度；当该温度梯度达到临界温度后，系统起振，发动机回热器3内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器4的热量转化成声功，沿着温度梯度的正方向传播并放大；放大后的声功通过发动机谐振管9传递到制冷机回热器11中发生热声转换，将每一冷头12的热量泵送至制冷机主冷却器10输出，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一冷头12保持低温；从制冷机次冷却器出来的声功通过制冷机谐振管17传递到下一热声转换单元，如此重复以上过程；
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (6)
1.一种环路多级行波热驱动制冷系统，其由N个结构相同的热声发动机、N个结构相同的脉管制冷机、发动机谐振管(9)和制冷机谐振管(17)组成，所述N＝1～6；
所述N个热声发动机中的每一热声发动机均由依次相连的直流抑制器(1)、发动机主冷却器(2)、发动机回热器(3)、加热器(4)、高温端层流化元件(5)、热缓冲管(6)、发动机室温端层流化元件(7)和发动机次冷却器(8)组成；所述高温端层流化元件(5)安装在热缓冲管(6)高温侧，所述发动机室温端层流化元件(7)安装在热缓冲管(6)室温侧；
所述N个脉管制冷机中的每一脉冲管制冷机均由依次相连的制冷机主冷却器(10)、制冷机回热器(11)、冷头(12)、低温端层流化元件(13)、脉冲管(14)、制冷机室温端层流化元件(15)、制冷机次冷却器(16)组成；所述低温端层流化元件(13)安装在脉冲管(14)低温侧，所述制冷机室温端层流化元件(15)安装在脉冲管(14)室温侧；
一个热声发动机、一个发动机谐振管(9)、一个脉管制冷机和一个制冷机谐振管(17)依次串联的构成系统的一个热声转换单元；各热声转换单元首尾相连构成环路结构，每一热声转换单元首尾两端工质的体积流量相位差为360°/N，每一热声转换单元首尾两端工质的压力波动相位差为360°/N；
每一热声发动机的加热器(4)均与热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；每一热声发动机的发动机主冷却器(2)和发动机次冷却器(8)均通过水冷器冷却维持在室温范围；为此，在每一热声发动机的发动机回热器(3)上形成相同的温度梯度；在该温度梯度下，发动机回热器(3)内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器(4)的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，并通过发动机谐振管(9)传递到制冷机回热器(11)中被消耗，将冷头(12)的热量泵送至制冷机主冷却器(10)输出，热量由水冷器中的冷却水带走，使得冷头(12)保持低温；从制冷机次冷却器(16)出来的剩余声功通过制冷机谐振管(17)进入下一热声转换单元中，实现声功的部分回收；如此循环工作，环路多级行波热驱动制冷系统稳定工作。
2.按权利要求1所述的环路多级行波热驱动制冷系统，其特征在于，所述直流抑制器(1)为弹性隔膜元件或非对称水力元件，安装在制冷机谐振管(17)的任意截面位置处，以起到隔绝环路直流的目的。
3.按权利要求1所述的环路多级行波热驱动制冷系统，其特征在于，所述的环路多级行波热驱动制冷系统使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。
4.按权利要求1所述的环路多级行波热驱动制冷系统，其特征在于，所述发动机谐振管(9)的横截面积大于制冷机谐振管(17)的横截面积。
5.按权利要求1所述的环路多级行波热驱动制冷系统，其特征在于，所述发动机谐振管(9)的长度与制冷机谐振管(17)的长度相等或不相等。
6.按权利要求4所述的环路多级行波热驱动制冷系统，其特征在于，所述发动机谐振管(9)的长度与制冷机谐振管(17)的长度相等或不相等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |