CN105485956A - 一种串级回热式制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制冷领域，尤其涉及一种串级回热式制冷机。该制冷机包括直线压缩机和热声转换部件，在直线压缩机和热声转换部件之间设置有制冷组件和谐振子，从直线压缩机至少经制冷组件至热声转换部件形成声波传播通道，制冷组件和谐振子用于使声波在制冷组件中产生制冷效应。直线压缩机通过活塞产生的声波先在制冷组件中产生制冷效应，消耗一部分声功，剩余的声功进入热声转换部件，在热声转换部件中部分声功被消耗进一步产生制冷效应，剩余部分在调相部件内被耗散。因声波在制冷组件中产生了制冷效应，制冷量提高，进而效率也得到了提高。
Description
技术领域
本发明涉及制冷领域，尤其涉及一种串级回热式制冷机。
背景技术
回热式制冷机在航空、航天、军事、弱电超导等领域有着重要的应用。脉管制冷机是回热式制冷机的一种典型结构，脉管制冷机主要由连通的直线压缩机和热声转换部件组成。热声转换部件主要包括主散热器、回热器、低温换热器、热缓冲管、次散热器和调相部件，其中调相部件可以是小孔气库结构，也可以是惯性管结构。直线压缩机利用交流电在线圈内感应出交变磁场，推动其中的活塞做往复直线运动，产生压力波，将电能转化为声波形式的机械能。声波进入热声转换部件后，使工作气体在低温换热器内膨胀吸热，气体吸收热量后经过回热器至主散热器并从主散热器散入到环境当中，产生制冷效果。
随着对脉管制冷机研究的深入，人们发现这种制冷机的调相部件需要消耗一定的声功才能使制冷机获得理想的声场(即在回热器中部获得行波相位)，理论上调相部件消耗的声功与制冷量相等。以制冷温度为80K、环境温度为300K为例，当输入声功为1000W时，如果制冷机相对为卡诺效率为30％，那么调相部件消耗的声功为109W。如果制冷机的制冷温度提高到150K，调相部件消耗的声功则为300W。如果制冷温度提高到200K，则消耗声功为600W。可见，随着制冷温度的升高，调相部件消耗的声功越来越多，因此与别的制冷机相比较，效率的劣势越来越明显。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的串级回热式制冷机。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种串级回热式制冷机，包括直线压缩机和热声转换部件，在直线压缩机和热声转换部件之间设置有制冷组件和谐振子，从直线压缩机至少经制冷组件至热声转换部件形成声波传播通道，制冷组件和谐振子用于使声波在制冷组件中产生制冷效应。
根据本发明，谐振子串联在制冷组件的下游侧，从直线压缩机经制冷组件和谐振子至热声转换部件形成声波传播通道。
根据本发明，谐振子以旁通的方式连接在制冷组件的下游侧，从直线压缩机经制冷组件至热声转换部件形成声波传播通道。
根据本发明，制冷组件包括：沿从直线压缩机指向热声转换部件的方向依次以串联方式连通的主散热器、回热器、低温换热器、热缓冲管和层流化元件；其中，主散热器与直线压缩机的气缸连通，层流化元件与谐振子连通，谐振子用于保证回热器中部获得行波声场。
根据本发明，制冷组件包括：沿从直线压缩机指向热声转换部件的方向依次以串联方式连通的主散热器、回热器和低温换热器；谐振子包括沿远离所述制冷组件的方向依次连接的绝热段、活塞和弹簧；其中，主散热器与直线压缩机的气缸连通，谐振子用于保证回热器中部获得行波声场。。
根据本发明，绝热段的第一端与活塞连接且第一端的直径与活塞的直径相等，绝热段的与第一端相反的第二端间隔于低温换热器，并且第二端的直径小于活塞的直径。
根据本发明，谐振子包括活塞和弹簧。
根据本发明，以一个制冷组件和与其连通的一个谐振子为一组制冷组件和谐振子，在直线压缩机和热声转换部件之间设置两组以上的制冷组件和谐振子。
根据本发明，在直线压缩机和热声转换部件之间设置两组或三组的制冷组件和谐振子。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明的串级回热式制冷机，在直线压缩机和热声转换部件之间设置制冷组件和谐振子，二者用于使声波在制冷组件产生制冷效应。直线压缩机通过活塞产生的声波先在制冷组件中产生制冷效应，消耗一部分声功，剩余的声功进入热声转换部件，在热声转换部件中部分声功被消耗进一步产生制冷效应，剩余部分在调相部件内被耗散。在该制冷机中，调相部件的作用仍然是保证热声转换部件中的回热器中部能够获得行波声场，而谐振子的作用则是保证能够在制冷组件内产生足以使声波在制冷组件中产生制冷效应的行波声场。因声波在制冷组件中产生了制冷效应，制冷量提高，进而效率也得到了提高。
附图说明
图1是现有技术中的串级回热式制冷机的结构示意图；
图2是本发明的串级回热式制冷机的实施例一的结构示意图；
图3是本发明的串级回热式制冷机的实施例二的结构示意图；
图4是本发明的串级回热式制冷机的实施例三的结构示意图；
图5是本发明的串级回热式制冷机的实施例四的结构示意图；
图1中：
11：直线压缩机；111：活塞；12：热声转换部件；121：主散热器；122：回热器；123：低温换热器；124：热缓冲管；125：次散热器；126：调相部件；
图2-4中：
21：直线压缩机；211：活塞；22：热声转换部件；221：主散热器；222：回热器；223：低温换热器；224：热缓冲管；225：次散热器；226：调相部件；23：制冷组件；231：主散热器；232：回热器；233：低温换热器；234：热缓冲管；235：层流化元件；24：谐振子；241：活塞；242：弹簧；243：绝热段。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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的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。
参照图1，在现有技术中，以回热式制冷机的典型结构——脉管制冷机为例。脉管制冷机主要由连通的直线压缩11和热声转换部件12组成。热声转换部件12主要包括主散热器121、回热器122、低温换热器123、热缓冲管124、次散热器125和调相部件126，其中调相部件126为小孔气库结构。直线压缩机11利用交流电在线圈内感应出交变磁场，推动其中的活塞111做往复直线运动，产生压力波，将电能转化为声波形式的机械能。声波进入热声转换部件12后，使工作气体在低温换热器123内膨胀吸热，携带热量的工作气体经过回热器122至主散热器121并从主散热器121将热量散入到环境当中，产生制冷效果。
与传统曲轴结构的旋转压缩机相比，直线压缩机11因为采用板簧或者气体轴承支撑技术，活塞111和气缸之间没有任何摩擦，所以不但电声转换效率非常高，而且使用寿命也大为延长；热声转换部件12完全由换热器和管件组成，没有任何机械运动部件，并且制冷效率较高，因此二者的组合构成了一种高效、结构紧凑、长寿命的低温制冷机。
然而，随着对脉管制冷机研究的深入，人们发现这种制冷机的调相部件126需要消耗一定的声功才能使制冷机获得理想的声场(即在回热器中部获得行波相位)，理论上调相部件126消耗的声功与制冷量相等。以制冷温度为80K、环境温度为300K为例，当输入声功为1000W时，如果制冷机相对为卡诺效率为30％，那么调相部件126消耗的声功为109W。如果制冷机的制冷温度提高到150K，调相部件126消耗的声功则为300W。如果制冷温度提高到200K，则消耗声功为600W。可见，随着制冷温度的升高，调相部件126消耗的声功越来越多，因此与别的制冷机相比较，效率的劣势越来越明显。
由此，本发明提供一种高效的串级回热式制冷机。
实施例一
参照图2，在本实施例中，串级回热式制冷机除包括直线压缩机21和热声转换部件22之外，在直线压缩机21和热声转换部件22之间还设置有制冷组件23和谐振子24，从直线压缩机21至少经制冷组件23至热声转换部件22形成声波传播通道，制冷组件23和谐振子24用于使声波在制冷组件23中产生制冷效应。其中，热声转换部件22主要包括主散热器221、回热器222、低温换热器223、热缓冲管224、次散热器225和调相部件226，其中调相部件226为小孔气库结构。
由此，直线压缩机21通过活塞211产生的声波先在制冷组件23中产生制冷效应，消耗一部分声功，剩余的声功进入热声转换部件22，在热声转换部件22中部分声功被消耗并进一步产生制冷效应，剩余的声功在调相部件226内被耗散。在该制冷机中，调相部件226的作用仍然是保证热声转换部件22的回热器222中部能够获得行波声场，而谐振子24的作用则是保证能够在制冷组件23内产生足以使声波在制冷组件23中产生制冷效应的行波声场。因声波在制冷组件23中产生了制冷效应，制冷量提高，进而效率也得到了提高。需要指出的是，谐振子24非常重要，如果没有谐振子24，将制冷组件23与热声转换部件22直接连接，二者的制冷性能都会非常差。
具体而言，在本实施例中，直线压缩机21和热声转换部件22的结构与图1中示出的相应部件相同。假设活塞211的输出声功是1000W，制冷组件23和热声转换部件22的相对卡诺效率均为30％，二者的制冷温度均为150K，则制冷组件23的制冷量为300W，从制冷组件23流出并经过谐振子24进入热声转换部件22的声功为300W，在热声转换部件22中的制冷量为90W，被调相部件226消耗的声功为90W。可以看出，与图1中示出的制冷机相比，同样是从活塞211输出1000W的声功，但是总的制冷量增加了90W，因此制冷机的制冷效率得以提高。如果制冷温度提高到200K，则制冷组件23的制冷量为600W，热声转换部件22的制冷量为360W，效率的提升效果更为明显。
进一步，参照图2，谐振子24串联在制冷组件23的下游侧，其中，沿声波的传播方向定义“上游”与“下游”，即从制冷组件23出来的声波进入谐振子24。由此，在本实施例中，直线压缩机21、制冷组件23、谐振子24和热声转换部件22依次以串联方式连通，从直线压缩机21经制冷组件23和谐振子24至热声转换部件22形成声波传播通道。其中，本文中“以串联方式连通”，意为声波依次穿过前后两个器件且前后两个器件可以存在连接的物理关系，也可以不存在连接的物理关系，只要形成供声波传播的通道即可。
更进一步，参照图2，在本实施例中，制冷组件23包括主散热器231、回热器232、低温换热器233、热缓冲管234和层流化元件235(优选为次水冷器)，主散热器231、回热器232、低温换热器233、热缓冲管234和层流化元件235沿从直线压缩机21指向热声转换部件23的方向依次以串联方式连通。主散热器231与直线压缩机21的气缸连通以接收由直线压缩机21的气缸流出的声波，谐振子24与层流化元件235连通以接收声波。其中，谐振子24用于保证回热器232中部获得行波声场。此外，主散热器231与直线压缩机21的气缸连通，可以是主散热器231与直线压缩机21的气缸的一端连接以接收活塞211压缩产生的声波；也可以是主散热器231设置在直线压缩机21的气缸内以接收活塞211压缩产生的声波。
其中，热缓冲管234起到了在低温换热器233和层流化元件235之间隔绝热传递的作用；层流化元件235起到了对气流层流化的作用(其中，“气流”为上述声波的载体)。
更进一步，谐振子24包括活塞241和弹簧242。活塞241的一端连接于弹簧242，另一端靠近层流化元件235。
而可理解，在本实施例中，制冷组件23中的主散热器231、回热器232、低温换热器233和热缓冲管234与热声转换部件22中的主散热器221、回热器222、低温换热器223和热缓冲管224一一对应地相同并且整体制冷原理相同。
本实施例的串级回热式制冷机的工作过程为：
直线压缩机21利用交流电在线圈内感应出交变磁场，推动其中的活塞211做往复直线运动，产生压力波，将电能转化为声波形式的机械能；
声波首先进入制冷组件23并经其中的主散热器231、回热器232至低温换热器233，低温换热器233中的气体膨胀放热，热量经过回热器232至主散热器231进而进入环境中，声波衰减；
从低温换热器233流出的声波继续经过热缓冲管234和层流化元件235；
从层流化元件235流出的声波经过谐振子24(活塞241和弹簧242)进入热声转换部件22，其中，谐振子24起到了传递声波和调节相位的作用，但消耗的声功非常小；
进入热声转换部件22的声波经热声转换部件22中的主散热器221、回热器222至低温换热器223，低温换热器223中的气体膨胀放热，热量经过回热器222至主散热器221进而进入环境中，声波衰减；
从低温换热器223流出的声波继续经过热缓冲管224和次散热器225；
从次散热器225流出的声波至调相部件226被消耗，产生的热量由次散热器225散出。
实施例二
参照图3，在本实施例中，以一个制冷组件23和与其连通的一个谐振子24为一组制冷组件23和谐振子24，在直线压缩机21和热声转换部件22之间设置两组制冷组件23和谐振子24。总而言之，实施例二与实施例一的区别在于，实施例一中设置一组制冷组件23和谐振子24，而实施例二中设置两组制冷组件23和谐振子24。
与实施例一的原理类似，直线压缩机21的活塞211产生的声波先在两个制冷组件23内消耗部分声功后再进入热声转换部件22。假设直线压缩机21的活塞211输出声功为1000W，制冷组件23和热声转换部件22的相对卡诺效率均为30％，二者的制冷温度均为150K，则第一个制冷组件23的制冷量为300W，流出声功为300W，第二个制冷组件23的制冷量为90W，流出声功为90W，热声转换部件22的制冷量为27W，调相部件226消耗声功为27W。与图1示出的制冷机相比，同样是从直线压缩机21的活塞211输出1000W声功，但是总的制冷量增加了117W，因此制冷机的制冷效率提高了。如果制冷温度提高到200K，则第一个制冷组件23的制冷量为600W，第二个制冷组件23的制冷量为360W，热声转换部件22的制冷量为108W，效率的提升效果更为明显。
理论上，可在直线压缩机21和热声转换部件22之间设置两组以上的制冷组件23和谐振子24，并且随着制冷组件23的数量进一步增加，系统的效率还可以提升，但提升的效果越来越弱。因此，优选在直线压缩机21和热声转换部件22之间设置两组或三组的制冷组件23和谐振子24。
实施例三
参照图4，实施例三中制冷组件23包括主散热器231、回热器232和低温换热器233，其中，主散热器231、回热器232、低温换热器233沿从直线压缩机21指向热声转换部件22的方向依次以串联方式连通，即主散热器231、回热器232、低温换热器233形成了声波的传播通道。
进一步，在本实施例中，谐振子包括沿远离制冷组件的方向依次连接的绝热段、活塞和弹簧，即，绝热段位于低温换热器233与活塞241之间。
相比较实施例二和实施例三，在实施例三中去除了热缓冲管234和层流化元件235，增加了绝热段243。
其中，主散热器231与气缸连通。绝热段243的第一端与谐振子24的活塞241连接，温度与环境温度接近，第一端的直径与活塞241的直径相等；绝热段243的与第一端相反的第二端间隔于低温换热器233，温度接近于低温换热器233的温度，并且第二端的直径小于活塞241的直径，以为了防止温度降低后，绝热段243与包裹其的壁面(例如气缸壁)之间因冷缩而卡死。绝热段243的作用是减少低温换热器233与室温环境之间的换热损失。
实施例四
参照图5，在本实施例中，与实施例三不同之处在于，谐振子24以旁通的方式连接在制冷组件23的下游侧，从直线压缩机21经制冷组件23至热声转换部件22形成声波传播通道。
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)
1.一种串级回热式制冷机，包括直线压缩机和热声转换部件，其特征在于，
在所述直线压缩机(21)和所述热声转换部件(22)之间设置有制冷组件(23)和谐振子(24)，从所述直线压缩机(21)至少经所述制冷组件(23)至所述热声转换部件(22)形成声波传播通道，所述制冷组件(23)和所述谐振子(24)用于使声波在所述制冷组件(23)中产生制冷效应。
2.根据权利要求1所述的串级回热式制冷机，其特征在于，
所述谐振子(24)串联在所述制冷组件(23)的下游侧，从所述直线压缩机(21)经所述制冷组件(23)和所述谐振子(24)至所述热声转换部件(22)形成声波传播通道。
3.根据权利要求1所述的串级回热式制冷机，其特征在于，
所述谐振子(24)以旁通的方式连接在所述制冷组件(23)的下游侧，从所述直线压缩机(21)经所述制冷组件(23)至所述热声转换部件(22)形成声波传播通道。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的串级回热式制冷机，其特征在于，
所述制冷组件(23)包括：沿从所述直线压缩机(21)指向所述热声转换部件(22)的方向依次以串联方式连通的主散热器(231)、回热器(232)、低温换热器(233)、热缓冲管(234)和层流化元件(235)；
其中，所述主散热器(231)与直线压缩机(21)的气缸连通，所述层流化元件(235)与所述谐振子(24)连通，所述谐振子(24)用于保证所述回热器(232)中部获得行波声场。
5.根据权利要求1或2所述的串级回热式制冷机，其特征在于，
所述制冷组件(23)包括：沿从所述直线压缩机(21)指向所述热声转换部件(22)的方向依次以串联方式连通的主散热器(231)、回热器(232)和低温换热器(233)；
所述谐振子(24)包括沿远离所述制冷组件(23)的方向依次连接的绝热段(243)、活塞(241)和弹簧(242)；
其中，所述主散热器(231)与直线压缩机(21)的气缸连通，所述谐振子(24)用于保证所述回热器(232)中部获得行波声场。
6.根据权利要求5所述的串级回热式制冷机，其特征在于，
所述绝热段(243)的第一端与所述活塞(241)连接且所述第一端的直径与所述活塞(241)的直径相等，所述绝热段(243)的与所述第一端相反的第二端间隔于所述低温换热器(233)，并且所述第二端的直径小于所述活塞(241)的直径。
7.根据权利要求1所述的串级回热式制冷机，其特征在于，
所述谐振子(24)包括活塞(241)和弹簧(242)。
8.根据权利要求1所述的串级回热式制冷机，其特征在于，
以一个所述制冷组件(23)和与其连通的一个谐振子(24)为一组制冷组件(23)和谐振子(24)，在所述直线压缩机(21)和所述热声转换部件(22)之间设置两组以上的制冷组件(23)和谐振子(24)。
9.根据权利要求8所述的串级回热式制冷机，其特征在于，
在所述直线压缩机(21)和所述热声转换部件(22)之间设置两组或三组的制冷组件(23)和谐振子(24)。
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