CN109489300B - 一种小孔型脉管热声制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小孔型脉管热声制冷机，包括压缩机、热端换热器、回热器、冷端换热器，压缩机的压缩腔、热端换热器、回热器、冷端换热器的一端顺次连接，所述冷端换热器的另一端分别与谐振管的一端及脉管的一端连接，所述谐振管的另一端与第一气库连接，所述脉管的另一端与第二气库连接，所述脉管与第二气库之间设置有小孔阀。与现有技术相比，本发明中脉管增加了膨胀做功的低温气体，脉管热端的小孔阀可以调节制冷量；冷端换热器连接的低温下的谐振管起到调相作用，由于是在低温，由粘性阻力与换热而引起的声功损失很小。因此，在热声制冷机冷端换热器处连接脉管和小孔阀的结构可以提高热声制冷机的效率。

Description

一种小孔型脉管热声制冷机

技术领域

本发明涉及制冷机，尤其是涉及一种小孔型脉管热声制冷机，属于制冷领域。

背景技术

热声制冷机是一种利用热声效应，通过消耗声功产生制冷量的制冷装置。由压力驱动装置、热端换热器、热声板叠、低温端热交换器、谐振管、共振球组成。其原理是小气团在热声板叠中沿其长度振动，气体受压力的作用，做绝热压缩和膨胀，因而产生温度的变化。

小孔阀型脉管制冷机其原理是气体在脉管里膨胀做功制冷。脉管里的气体可分为三部分，一部分是参与膨胀制冷的气体，处于低温部分，在脉管与冷端换热器之间运动。一部分是充当气体活塞的气体，始终在脉管中运动，并进行周期性的压缩和膨胀。一部分穿梭于脉管热端部分往复运动。

传统的驻波型热声制冷机，其关键的思想是热声堆中的部分气体经历绝热的温度振荡，在热声堆中，压力和体积流率的相位角为90°，理想情况下其所产生的声功为0，而纯驻波是不传送声功的，依靠热声板叠中的不完全热交换才产生制冷功，因此整机效率较低。

发明内容

本发明的目的就是为了提高基本型热声制冷机的效率而提出一种小孔型脉管热声制冷机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明在基本型的热声制冷机的基础上，在其冷端连接脉管以及小孔阀和气库，将热声制冷机与小孔型脉管制冷机组合成为一种新型的小孔型脉管热声制冷机。

一种小孔型脉管热声制冷机，包括压缩机、热端换热器、回热器、冷端换热器，压缩机的压缩腔、热端换热器、回热器、冷端换热器的一端顺次连接，所述冷端换热器分别与谐振管的一端及脉管的一端连接，所述谐振管的另一端与第一气库连接，所述脉管的另一端与第二气库连接，所述脉管与第二气库之间设置有小孔阀。

优选的，所述压缩机的压缩腔与热端换热器相连接，热端换热器另一端与回热器热端连接，回热器冷端与冷端换热器连接。

优选的，所述冷端换热器的另一端分别与谐振管的一端及脉管的一端通过连接部件相连接。

优选的，所述谐振管的另一端与第一气库之间通过喇叭口连接，由谐振管向第一气库的流向，所述喇叭口横截面积逐渐增大。

优选的，所述冷端换热器的另一端与谐振管之间通过喇叭口连接，由冷端换热器向谐振管的流向，所述喇叭口横截面积逐渐缩小。

优选的，所述脉管两端分别设有脉管冷端气体均匀器、脉管热端气体均匀器，脉管两端添加气体均匀器，用以防止产生射流破坏脉管中的流场，使系统效率降低。

所述冷端换热器的另一端与脉管冷端气体均匀器连接，所述脉管热端气体均匀器与小孔阀相连接。

优选的，所述小孔阀与第二气库之间通过一个喇叭口连接，由小孔阀向第二气库的流向，所述喇叭口横截面积逐渐增大。

优选的，所述热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管采用直线式布置结构，或，

所述热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管采用同轴式布置结构。

优选的，工作时，所述脉管的冷端、冷端换热器、谐振管以及第一气库均处于低温。

本发明还提供另外一种结构的脉管热声制冷机，包括压缩机、热端换热器、回热器、冷端换热器，压缩机的压缩腔、热端换热器、回热器、冷端换热器的一端顺次连接，所述冷端换热器的另一端分别与谐振管的一端及脉管的一端连接，所述谐振管的另一端与第一气库连接，所述脉管的另一端与第二气库连接，所述脉管与第二气库之间设置有惯性管。

这种结构的脉管热声制冷机与小孔型脉管热声制冷机区别在于，利用惯性管替换小孔阀。

本发明将脉管、小孔阀、气库组件连接在热声制冷机的冷端换热器部分，一方面脉管的存在增加了系统中绝热膨胀做功的气体量，另一方面脉管热端的小孔阀可以调节制冷量，从而使得在基本型热声制冷机基础上的效率提高。本发明中的谐振管相当于低温下的惯性管，起到调相作用，在任何一个流动通道中，管道都存在由于气体粘性所产生的声阻抗，声阻抗与单位长度的粘性阻力和体积流速有关，在低温下，气体的声速减低，且粘性作用产生的声阻抗低于室温情况下，因此单位长度管道中粘性对管中压力波和体积流的相位改变影响较小，减小了管道中的声功损失。因此，本发明的提出对热声制冷机的效率提高很有意义。

与现有技术相比，本发明中冷端的脉管增加了膨胀做功的低温气体，脉管热端的小孔阀可以调节回热器内压力波与体积流的相位关系以达到较好的制冷效果；冷端换热器连接的低温下的谐振管减小了粘性阻力引起的声功损失。因此，在热声制冷机冷端换热器处连接脉管和小孔阀的结构可以提高热声制冷机的效率。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明实施例4的结构示意图。

图中，1-压缩机，2-热端换热器，3-回热器，4-冷端换热器，5-谐振管，6-第一气库，7-脉管，8-小孔阀，9-第二气库，10-压缩活塞，11-压缩腔，82-惯性管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的制冷机由压缩机1，热端换热器2，回热器3，冷端换热器4，谐振管5，第一气库6，脉管7，小孔阀8，第二气库9组成。

压缩机1由活塞10和气缸组成，形成压缩腔11。压缩腔11、热端换热器2、回热器3、冷端换热器4的一端顺次连接，冷端换热器4的另一端分别与谐振管5和脉管7通过连接部件相连接，谐振管5另一端与第一气库6相连接，脉管7热端与第二气库9之间通过小孔阀8相连接。

活塞10一般由直线电机驱动，也可由其他原动机驱动。

工作时，活塞10往复运动产生交变的压力波动，从而使冷端的工质气体产生温度振荡和密度振荡。活塞10输入功，气体在热端换热器2散热，经回热器后温度下降，气体在冷端换热器4吸热产生冷量。这个冷量是由在冷端换热器4右端的气体进行绝热膨胀做功产生的，气体的膨胀功很少一部分通过谐振管到达第一气库6被耗散掉。气体的膨胀功的大部分通过脉管7到达其室温端，并通过小孔阀8到达第二气库9，通过小孔的节流效应散到室温。脉管7的冷端、冷端换热器4、谐振管5以及第一气库6处于低温。谐振管5的作用是对回热器3调相，脉管7的热端连接的小孔阀8起到大幅增加毛制冷量的作用，两个部件的叠加，使得气体体积流量与压力波在回热器内有一个最佳的相位差，提高回热器效率，进而提高制冷效率。

这里，谐振管5处于低温，气体的导热系数和粘性阻力减小，由于粘性阻力所引起的管道声阻抗减小，膨胀功通过谐振管传递时损失很小。通过脉管的一部分膨胀功从脉管传递到小孔阀时被耗散掉。流向脉管和的总的膨胀功等于冷端换热器右端的焓流，即为制冷机的毛制冷量。毛制冷量减去回热器等的损失即为制冷量。

如果没有脉管和小孔气库装置，系统的制冷效率很低，其制冷量主要来源于回热器内气体与填料之间的不完全换热，谐振管只起到产生驻波振荡的效应。小孔阀与气库的组合装置增加了绝热膨胀做功的气体，增大了整个系统的制冷气体和制冷量，从而提高了制冷机系统的制冷效率。

这个机器的优点是谐振管处于低温，结构紧凑，脉管内膨胀做功使机器的制冷效率提升。缺点是膨胀功无法回收，理论效率较低。但都是固定件，结构简单，高度可靠。

实施例2

如图2所示，与图1结构部件相同，图2采用了脉管7与热端换热器2、回热器3以及冷端换热器4直线式布置结构。其实施方法与实施例1类似。

实施例3

如图3所示，与实施例2相比，将图2结构中的小孔结构改为惯性管结构，惯性管82的调相能力优于小孔阀8，因此，在该结构中，回热器内可以获得压力波与质量流的最优相位，从而进一步提高整机的效率。特别是在制冷量较小时，惯性管82的调相能力不足，谐振管5可大幅增加调相能力。从而增加制冷效率。

实施例4

如图4所示，与图3结构部件相同，图4采用了脉管7与热端换热器2、回热器3以及冷端换热器4同轴式布置结构。其实施方法与实施例3类似。

以上实施例中，谐振管与第一气库之间通过喇叭口连接，由谐振管向第一气库的流向，所述喇叭口横截面积逐渐增大。冷端换热器与谐振管之间通过喇叭口连接，由冷端换热器向谐振管的流向，所述喇叭口横截面积逐渐缩小。

以上实施例中，脉管两端分别设有脉管冷端气体均匀器、脉管热端气体均匀器，脉管两端添加气体均匀器，用以防止产生射流破坏脉管中的流场，使系统效率降低。

以上实施例中，小孔阀与第二气库之间通过一个喇叭口连接，由小孔阀向第二气库的流向，喇叭口横截面积逐渐增大。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小孔型脉管热声制冷机，包括压缩机、热端换热器、回热器、冷端换热器，压缩机的压缩腔、热端换热器、回热器、冷端换热器的一端顺次连接，

其特征在于，所述冷端换热器分别与谐振管的一端及脉管的一端连接，所述谐振管的另一端与第一气库连接，所述脉管的另一端与第二气库连接，所述脉管与第二气库之间设置有小孔阀；

工作时，所述脉管的冷端、冷端换热器、谐振管以及第一气库均处于低温。

2.根据权利要求1所述的一种小孔型脉管热声制冷机，其特征在于，所述压缩机的压缩腔与热端换热器相连接，热端换热器另一端与回热器热端连接，回热器冷端与冷端换热器连接。

3.根据权利要求1所述的一种小孔型脉管热声制冷机，其特征在于，所述冷端换热器的另一端分别与谐振管的一端及脉管的一端通过连接部件相连接。

4.根据权利要求1所述的一种小孔型脉管热声制冷机，其特征在于，所述谐振管的另一端与第一气库之间通过喇叭口连接，由谐振管向第一气库的流向，所述喇叭口横截面积逐渐增大。

5.根据权利要求1所述的一种小孔型脉管热声制冷机，其特征在于，所述冷端换热器的另一端与谐振管之间通过喇叭口连接，由冷端换热器向谐振管的流向，所述喇叭口横截面积逐渐缩小。

6.根据权利要求1所述的一种小孔型脉管热声制冷机，其特征在于，所述脉管两端分别设有脉管冷端气体均匀器、脉管热端气体均匀器，

所述冷端换热器的另一端与脉管冷端气体均匀器连接，所述脉管热端气体均匀器与小孔阀相连接。

7.根据权利要求6所述的一种小孔型脉管热声制冷机，其特征在于，所述小孔阀与第二气库之间通过一个喇叭口连接，由小孔阀向第二气库的流向，所述喇叭口横截面积逐渐增大。

8.根据权利要求1所述的一种小孔型脉管热声制冷机，其特征在于，所述热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管采用直线式布置结构，或，

所述热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管采用同轴式布置结构。

9.一种脉管热声制冷机，包括压缩机、热端换热器、回热器、冷端换热器，压缩机的压缩腔、热端换热器、回热器、冷端换热器的一端顺次连接，

其特征在于，所述冷端换热器的另一端分别与谐振管的一端及脉管的一端连接，所述谐振管的另一端与第一气库连接，所述脉管的另一端与第二气库连接，所述脉管与第二气库之间设置有惯性管。

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