CN107401852B - 采用热声驱动的固体制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用热声驱动的固体制冷机，无运动部件、振动低，能够提高制冷机性能。所述制冷机包括：多件首尾相连的热声发动机组件，该组件包括：谐振管、热缓冲管侧室温换热器、热缓冲管、高温端换热器、回热器、发动机侧室温换热器、连接腔；多件首尾相连的热声发动机组件，构成行波环路；在该环路中，热缓冲管用于隔绝高温端换热器与热缓冲管侧室温换热器间的漏热；谐振管为金属空管道，用以控制整机运行频率以及声场分布特性；多件置于热声发动机环路中的电卡制冷装置，该装置包括：制冷机侧室温换热器、电卡材料、冷端换热器、制冷机侧热缓冲管和制冷机侧第二室温换热器，以及两个连接电极，每个电卡材料的两端分别与一个连接电极相连。

Description

采用热声驱动的固体制冷机

技术领域

本发明涉及固体制冷领域，具体涉及一种采用热声驱动的固体制冷机。

背景技术

在室温制冷温区(冰箱、空调、热泵应用等)等领域，蒸汽压缩式制冷技术获得了广泛应用，其采用氟利昂等流体作为制冷剂，利用制冷剂的焦耳-汤姆逊效应获得制冷，该技术比较成熟，获得了广泛应用；而半导体制冷利用帕尔贴效应形成温差，在外加电场作用下，半导体中载流子运动引起温度梯度，Peltier效应(1834)已经比较成熟，寿命长，无振动，但效率比较低，只能用于便携冰箱、电子器件局部冷却、小型医疗器械等场合。

而固体制冷技术主要包括磁制冷、电卡制冷及弹卡制冷等形式，其均基于外场(磁场，电场和应力场)作用下的热效应(caloric effect)。磁化效应指在可变磁场的作用下，磁热材料温度发生改变，具体表现在磁化时温度升高，在退磁时温度降低。电卡效应(ECE)：施加电场时铁电材料发生极化，有序度增加，熵减，材料温度升高；去除电场时，有序度减小，熵增，材料温度降低。而弹热效应则指形状记忆合金(TiNi等)奥氏体与马氏体相互转变带来的热效应。基于不同外场下的热效应，通过系统流程设计，可以实现卡诺循环或其他基于回热的制冷循环。

现有利用传统方式的氟里昂制冷技术存在臭氧层破坏、温室效应或者可燃性等难于解决的技术瓶颈。而随着环保意识逐步提升，对制冷剂的要求越来越高，对其GWP、ODP指标要求越来越严格，而采用天然物作为制冷剂，能够避免臭氧层破坏，但一方面其会带来碳排放，增加温室效应，另外其可燃性也带来一定的安全问题。

而半导体制冷技术利用半导体所具有的较大帕尔贴效应原理工作，在外加电场作用下，半导体中载流子运动引起温度梯度，进而实现制冷。但存在轴向漏热较大，而在大电流下系统焦耳热损失不可避免的升高，因此效率非常低，只能用于便携冰箱、电子器件局部冷却、小型医疗器械等特殊场合。

室温磁制冷技术，在可变磁场的作用下，磁热材料温度发生改变，根据该效应可构建回热式热力循环，形成可逆、高效的制冷循环。然而磁制冷技术需要外界较大的磁场，需要较大的永磁体或者超导磁体来实现，使得整机能量密度较大、系统复杂。

而基于弹热效应的固体制冷方法，在形状记忆合金上施加较大力之后，材料在奥氏体与马氏体相互转变时带来温度的变化，但在材料上施加较大的力，接近材料的疲劳极限，难以长期运行。

基于电卡效应(ECE)的固体制冷技术，其在施加电场时铁电材料发生极化，有序度增加，熵减，材料温度升高；去除电场时，有序度减小，熵增，材料温度降低。与磁制冷技术相比，其较易获得电场驱动，不需要庞大的磁场产生装置，系统简单紧凑，原理可逆，通过系统流程设计，可以实现卡诺循环或其他基于回热的制冷循环。因其绿色环保和高效节能，具有巨大的潜在应用市场，符合二十一世纪能源利用和发展的要求，是一种新型有广大前途的制冷方式，在冰箱、空调等领域具有巨大的市场前景。

然而基于电卡效应的固体制冷装置，虽然能够获得较大电卡效应的电卡材料，但在构成整机制冷循环上仍有许多问题亟需解决。目前电卡制冷装置多采用步进电机、旋转电机等驱动活塞，进而推动流体与电卡材料换热，构成回热式制冷循环，但驱动装置复杂，在旋转运动转变为交变运动存在较大振动，限制了其应用与发展。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种采用热声驱动的固体制冷机，无运动部件、振动低，能够提高制冷机性能。

一方面，本发明实施例提出一种采用热声驱动的固体制冷机，包括：

多件热声发动机组件和多件电卡制冷装置；其中，

所述热声发动机组件的数量与所述电卡制冷装置的数量相等，每一件热声发动机组件分别连接一件电卡制冷装置，形成多个连接件，所述连接件首尾相连；

每一件热声发动机组件包括：依次共轴连接的谐振管、热缓冲管侧室温换热器、热缓冲管、高温端换热器、回热器、发动机侧室温换热器和连接腔，所述热声发动机组件中充有第一工作介质，每一件热声发动机组件中的热缓冲管用于隔绝高温端换热器与热缓冲管侧室温换热器间的漏热，所述谐振管为金属空管道，用以控制整机运行频率以及声场分布特性；

每一件电卡制冷装置包括：依次共轴连接的制冷机侧室温换热器、电卡材料、冷端换热器、制冷机侧热缓冲管和制冷机侧第二室温换热器，以及两个连接电极，每个电卡材料的两端分别与一个连接电极相连，所述连接电极用于通过外接电源为对应的电卡材料提供周期性电场，所述电卡材料采用多层堆叠的结构。

另一方面，本发明实施例提出一种采用热声驱动的固体制冷机，包括：

多件热声发动机组件和多件电卡制冷装置；其中，

每一件热声发动机组件包括：谐振管、热缓冲管侧室温换热器、热缓冲管、高温端换热器、回热器和发动机侧室温换热器，所述热声发动机组件中充有第一工作介质，每一件热声发动机组件中的热缓冲管用于隔绝高温端换热器与热缓冲管侧室温换热器间的漏热，所述谐振管为金属空管道，用以控制整机运行频率以及声场分布特性；

每一件电卡制冷装置包括：制冷机侧室温换热器、电卡材料、冷端换热器、制冷机侧热缓冲管和制冷机侧第二室温换热器，以及两个连接电极，每个电卡材料的两端分别与一个连接电极相连，所述连接电极用于通过外接电源为对应的电卡材料提供周期性电场，所述电卡材料采用多层堆叠的结构；

所述热声发动机组件的数量与所述电卡制冷装置的数量相等，每一件热声发动机组件分别连接一件电卡制冷装置，形成多个连接件，所述连接件首尾相连，每个连接件包括：依次共轴连接的谐振管、制冷机侧室温换热器、电卡材料、冷端换热器、制冷机侧热缓冲管、制冷机侧第二室温换热器、热缓冲管侧室温换热器、热缓冲管、高温端换热器、回热器和发动机侧室温换热器。

本发明具有如下效果：

1、本发明采用热声发动机产生压力波动，驱动第一工作介质运动，作为固体材料的回热器，充分发挥热声驱动无运动部件的优势，形成高可靠性、高效的热驱动制冷机结构；

2、相比于传统制冷方式，固体制冷方法具有结构紧凑、无运动部件、振动低、无环境污染等优势，有望解决室温区蒸汽压缩式制冷ODP、GWP困境；

3、本发明采用热驱动方式，能够有效利用余热、太阳能等热源，有效降低运行成本；

4、本发明易于实现低温区，满足低温物理及空间技术需求，并易于微型化和集成化，可与微电子等领域结合形成低温电子学器件。

附图说明

图1为本发明一种采用热声驱动的固体制冷机一实施例的结构示意图；

热声发动机组件：1：谐振管；2：热缓冲管侧室温换热器；3：热缓冲管；4：高温端换热器；5：回热器；6：发动机侧室温换热器；7：连接腔；

电卡制冷装置：8：制冷机侧室温换热器；9：电卡材料；10：连接电极；11：冷端换热器；12：制冷机侧热缓冲管；13：制冷机侧第二室温换热器

图2为图1中的电卡材料的示意图；

图3为本发明一种采用热声驱动的固体制冷机另一实施例的结构示意图；

热声发动机组件：1：谐振管；2：热缓冲管侧室温换热器；3：热缓冲管；4：高温端换热器；5：回热器；6：发动机侧室温换热器；7：连接腔；

电卡制冷装置：8：制冷机侧室温换热器；9：电卡材料；10：连接电极；11：冷端换热器；12：制冷机侧热缓冲管；13：制冷机侧第二室温换热器

14为第一弹性膜，15为第二弹性膜；

图4为本发明一种采用热声驱动的固体制冷机又一实施例的结构示意图。

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。

本发明的技术方案有两种结构：

以热声发动机组件的数量为3个，第一种结构如图1所示，包括：

三件热声发动机组件和三件电卡制冷装置；其中，

每一件热声发动机组件分别连接一件电卡制冷装置，形成多个连接件，所述连接件首尾相连；

每一件热声发动机组件包括：依次共轴连接的谐振管1、热缓冲管侧室温换热器2、热缓冲管3、高温端换热器4、回热器5、发动机侧室温换热器6和连接腔7，所述热声发动机组件中充有第一工作介质，每一件热声发动机组件中的热缓冲管3用于隔绝高温端换热器4与热缓冲管侧室温换热器2间的漏热；

三个首尾相连的连接件构成行波环路，其热声转换本质上是可逆的高效斯特林循环。在工作时，首先往热声发动机组件内冲入第一工作介质，所述第一工作介质可以为氦气或氮气等气体。第一工作介质冲入完毕后，利用加热器对高温端换热器4进行加热，在回热器5中产生自激的热声震荡，即声波。产生的声波从回热器5传播出来，传播至谐振管1处时其频率以及声场分布特性被调节。回热器5可以采用丝网、纤维毡等多孔填料；

每一件电卡制冷装置包括：依次共轴连接的制冷机侧室温换热器8、电卡材料9、冷端换热器11、制冷机侧热缓冲管12和制冷机侧第二室温换热器13，以及两个连接电极10，每个电卡材料9的两端分别与一个连接电极10相连，所述连接电极10用于通过外接电源为对应的电卡材料9提供周期性电场，所述电卡材料9采用多层堆叠的结构，结构如图2所示，相邻两层结构之间的通道为第一工作介质的流通通道，电卡材料9可以为薄膜或者陶瓷结构的铁电材料；冷端换热器11为制冷量产生部位。

工作原理如下：

系统内充有第一工作介质；高温端换热器4采用外部热源加热，热缓冲管侧室温换热器2向外界环境中散热，由于三个连接件构成了行波环路，在温差的作用下，第一工作介质在系统内形成周期性压力波动，进行往复运动。

当第一工作介质处于平衡位置附近时，对电卡材料9施加外电场，铁电材料发生极化，有序度增加，熵减，材料温度升高，向第一工作介质放热；

第一工作介质从冷端流向室温端，沿途与电卡材料9换热，因电卡材料9靠近室温端温度较高，靠近冷端温度较低，电卡材料9进一步向第一工作介质放热，第一工作介质温度继续升高，并在制冷机侧室温换热器8放出热量；

第一工作介质运动至热端附近时，去除电场，有序度减小，熵增，电卡材料温度降低，从第一工作介质吸热，第一工作介质温度降低；

第一工作介质从室温端流向冷端，沿途与电卡材料9换热，由于电卡材料的熵增，第一工作介质进一步降温，并在冷端换热器11获得制冷效果。

在该循环中，依靠第一工作介质的周期性运动和电场交替变换，第一工作介质借力将低温端热量泵运到室温端，其中第一工作介质起到回热的作用，起到增大降温温差的效果。

另外，除了向热声发动机组件内充入第一工作介质这一种方式外，还可以向热声发动机组件内充入第一工作介质，同时向电卡制冷装置内充入第二工作介质，比如根据制冷温度不同，采用乙二醇或水等高比热容流体作为第二工作介质。此时，在图1所示结构的基础上，需要在每个连接件的连接腔内设置第一弹性膜14，在与每个制冷机侧第二室温换热器连接的谐振管内靠近该制冷机侧第二室温换热器的位置处设置第二弹性膜15，以隔绝所述第一工作介质和第二工作介质，此种方式下固体制冷机的具体结构如图3所示。所述的第一弹性膜14和第二弹性膜15可以采用橡胶、金属薄片等制作而成。此种方式下固体制冷机的工作原理基本同图1所示的固体制冷机的工作原理，不同之处在于：第一工作介质与第二工作介质之间采用弹性膜隔绝开来，第二工作介质在第一工作介质驱动下往复运动与电卡材料换热。

当然，除了图1所示的结构外，电卡制冷装置还可以设置于谐振管1与热缓冲管侧室温换热器2之间，具体结构如图4(图4对应图1，对应图3的结构本发明未示出)所示。图4中，热缓冲管侧室温换热器2与制冷机侧第二室温换热器13形成一个结构，图4中仅示出了热缓冲管侧室温换热器2，其与图1的区别在于，热声发动机组件中没有连接腔，电卡制冷装置的设置于热声发动机组件的谐振管和热缓冲管侧室温换热器之间，而非连接腔和下一个热声发动机组件之间，其工作原理与图1所示的制冷机的原理相同，只是位置发生改变。当然，除了图4所示的结构外，还可以在图4所示的结构的基础上，在与每个制冷机侧室温换热器连接的谐振管内靠近该制冷机侧室温换热器的位置处设置第一弹性膜，每个连接件的热缓冲管侧室温换热器内或者制冷机侧第二室温换热器内设置第二弹性膜，所述第一弹性膜和第二弹性膜用于隔绝所述第一工作介质和第二工作介质。具体的制冷机结构本发明未示出，其与图1所示的制冷机的原理相同，本发明不再赘述。

大量研究表明，采用合适的流体工质和驱动方式是影响电卡制冷装置效率的关键问题。一方面，作为回热的流体，需具备较大的比热容，以提高回热效果，另一方面，回热流体需具备较低的轴向漏热系数。本发明采用热声发动机组件产生压力波动，驱动第一工作介质往复运动，与电卡材料进行回热，构成斯特林型回热式制冷循环。而选用的第一工作介质具有较大的比热容，同时具备较低的轴向漏热系数。

而热声发动机组件利用温差产生声波，构成了完全无运动部件的制冷机系统，能够形成高可靠性、高效的热驱动制冷机结构。而采用热驱动方式，能够有效利用余热、太阳能等热源，有效降低运行成本，挺高能源利用效率。

需要说明的是，本发明采用热声驱动的固体制冷机所包含的热声发动机组件的数量为至少3个，优选为3个、4个、5个或6个。

本发明通过将电卡制冷装置至于热声发动机组件所构建的环路中，利用热声发动机组件产生往复气体运动，往复气体作为电卡制冷装置的回热材料，与外加电场进行周期性运动配合，将热量由低温端泵运至室温端，构成高效回热式斯特林循环结构，具有如下有益效果：

(1)利用多件热声发动机组件构成高效动力循环，构成回热循环，完全无运动部件，保证了可靠性，同时提高了制冷机性能；

(2)采用高压氦气/高比热容液体作为电卡装置回热介质，能够有效提高制冷机性能；

(3)采用热驱动方式工作，有效提高了能源利用效率。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种采用热声驱动的固体制冷机，其特征在于，包括：

多件热声发动机组件和多件电卡制冷装置；其中，

所述热声发动机组件的数量与所述电卡制冷装置的数量相等，每一件热声发动机组件分别连接一件电卡制冷装置，形成多个连接件，所述连接件首尾相连；

每一件热声发动机组件包括：依次共轴连接的谐振管、热缓冲管侧室温换热器、热缓冲管、高温端换热器、回热器、发动机侧室温换热器和连接腔，所述热声发动机组件中充有第一工作介质，每一件热声发动机组件中的热缓冲管用于隔绝高温端换热器与热缓冲管侧室温换热器间的漏热，所述谐振管为金属空管道，用以控制整机运行频率以及声场分布特性；

每一件电卡制冷装置包括：依次共轴连接的制冷机侧室温换热器、电卡材料、冷端换热器、制冷机侧热缓冲管和制冷机侧第二室温换热器，以及两个连接电极，每个电卡材料的两端分别与一个连接电极相连，所述连接电极用于通过外接电源为对应的电卡材料提供周期性电场，所述电卡材料采用多层堆叠的结构。

2.根据权利要求1所述的固体制冷机，其特征在于，

所述电卡制冷装置中充有第二工作介质，

每个连接件的连接腔内设置第一弹性膜，与每个制冷机侧第二室温换热器连接的谐振管内靠近该制冷机侧第二室温换热器的位置处设置第二弹性膜，所述第一弹性膜和第二弹性膜用于隔绝所述第一工作介质和第二工作介质。

3.根据权利要求2所述的固体制冷机，其特征在于，所述第一工作介质为氦气或氮气，所述第二工作介质为乙二醇或水。

4.根据权利要求1所述的固体制冷机，其特征在于，所述热声发动机组件的数量为3个、4个、5个或6个。

5.一种采用热声驱动的固体制冷机，其特征在于，包括：

多件热声发动机组件和多件电卡制冷装置；其中，

每一件热声发动机组件包括：谐振管、热缓冲管侧室温换热器、热缓冲管、高温端换热器、回热器和发动机侧室温换热器，所述热声发动机组件中充有第一工作介质，每一件热声发动机组件中的热缓冲管用于隔绝高温端换热器与热缓冲管侧室温换热器间的漏热，所述谐振管为金属空管道，用以控制整机运行频率以及声场分布特性；

每一件电卡制冷装置包括：制冷机侧室温换热器、电卡材料、冷端换热器、制冷机侧热缓冲管和制冷机侧第二室温换热器，以及两个连接电极，每个电卡材料的两端分别与一个连接电极相连，所述连接电极用于通过外接电源为对应的电卡材料提供周期性电场，所述电卡材料采用多层堆叠的结构；

所述热声发动机组件的数量与所述电卡制冷装置的数量相等，每一件热声发动机组件分别连接一件电卡制冷装置，形成多个连接件，所述连接件首尾相连，每个连接件包括：依次共轴连接的谐振管、制冷机侧室温换热器、电卡材料、冷端换热器、制冷机侧热缓冲管、制冷机侧第二室温换热器、热缓冲管侧室温换热器、热缓冲管、高温端换热器、回热器和发动机侧室温换热器；其中，所述制冷机侧室温换热器与所述制冷机侧第二室温换热器形成一个结构。

6.根据权利要求5所述的固体制冷机，其特征在于，

所述电卡制冷装置中充有第二工作介质，

与每个制冷机侧室温换热器连接的谐振管内靠近该制冷机侧室温换热器的位置处设置第一弹性膜，每个连接件的热缓冲管侧室温换热器内或者制冷机侧第二室温换热器内设置第二弹性膜，所述第一弹性膜和第二弹性膜用于隔绝所述第一工作介质和第二工作介质。

7.根据权利要求6所述的固体制冷机，其特征在于，所述第一工作介质为氦气或氮气，所述第二工作介质为乙二醇或水。

8.根据权利要求5所述的固体制冷机，其特征在于，所述热声发动机组件的数量为3个、4个、5个或6个。