CN113310247A - 室温温区多级热声制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级热声制冷机系统，包括直线压缩机、适用于室温温区制冷的2到N级，特别是三到五级热声制冷机，直线压缩机驱动三级到五级制冷机，产生的电功经反馈至电源并与电源一同驱动直线压缩机，其中，每个制冷机各级核心单元从入口到出口分别为一个室温换热器、一个回热器和一个冷端换热器，部件间采用焊接或法兰连接，且每个单元的部件相对位置不变。本发明通过多级布置提高输入声功的利用率，从而提高制冷量，减少出口声功，便于后续对声功的回收。

Description

室温温区多级热声制冷机

技术领域

本发明属于制冷机制造技术领域，特别地，本发明具体涉及一种适用于室温温区下的热声制冷机。

背景技术

当前，制冷技术在社会生产和人民生活中发挥着巨大的作用。作为一种新型的制冷技术，热声制冷具有本征效率高、可靠性好、工质环保、经济性好等优点，相关研究具有重要的意义和广泛的应用前景。

热声制冷机是利用热声效应，消耗声功实现热量从低温端向高温端的输运。它的核心部件主要有水冷器、回热器以及冷端换热器。其中，回热器是热声效应发生的场所。根据回热器声场条件的不同，热声制冷机可分为驻波型和行波型制冷机。其中，行波热声制冷机采用可逆的热力循环，可以实现更高的制冷效率，因此本发明针对行波热声制冷机展开，后续热声制冷机均指行波热声制冷机。

热声制冷机的驱动方式灵活，可以由直线压缩机或热声发动机驱动。直线压缩机将电能转化为声能，驱动制冷机。此结构制冷机出口声功通常由电机回收产生电能，或通过排出器反馈到制冷机入口处，与直线压缩机输入的声功一同驱动制冷机。热声发动机可以将太阳能、工业废热等低品位能源或燃烧热转化为声功，驱动制冷机。此结构无运动部件，制冷机出口声功通常由电机消耗产生电能，或者形成多单元环路形式由下一单元的发动机回收。根据热声理论，热声制冷机用于转化为冷量的声功会随着制冷温度的升高而降低，即制冷温度在室温温区时，制冷机消耗的声功较少，出口声功大，回收损失也较大。已有的多级热声制冷机多为惯性管连接，更适用于对相位调节要求较高、出口声功较小的低温温区制冷，且整体结构不够紧凑，影响实用性。

目前已有的解决方案主要为串列式制冷机系统(包括脉管制冷机)，与低温温区热声制冷机不同的是，经过模拟计算，在制冷温度处于室温温区时，回热器的入口阻抗相位已经大于0，即无需在回热器内实现阻抗相位从负到正的过程，这也就使得无调相结构的串列式多级热声制冷机结构具有可行性。目前串列式多级制冷机的研究多需要调相结构，为朱绍伟的专利(公布号：CN109990496A)，多个制冷机单元通过热缓冲管直接连接，每级制冷机出口都需要接入气库或活塞调相，这种调相结构较为复杂。或者直接应用于环路中，为罗二仓等人的专利(公布号：CN108180673A)，每个单元由一个热声发动机驱动两个热声制冷机，多个单元由谐振管连接构成环路，此结构仅是将多个热声制冷机单元进行连接，并未对串列式多级制冷机给出级数范围和尺寸设计原则。

当前，热声制冷机在室温温区制冷的应用中，对声功的有效利用较少，回收损失较大，并且通过改变制冷机本身结构参数难以改善此问题。

发明内容

基于此，本发明的发明目的在于提供了一种多级热声制冷机系统，通过对热声制冷机进出口声场相位的研究，综合制冷量、制冷效率以及声功利用率，在提高声功利用率的同时，提高制冷量，并保证较好的制冷效率。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

多级热声制冷机系统，包括直线压缩机、适用于室温温区制冷的2到N级，特别是三到五级热声制冷机，直线压缩机驱动三级到五级制冷机，产生的电功经反馈至电源并与电源一同驱动直线压缩机。

其中，每个制冷机各级核心单元从入口到出口分别为一个室温换热器、一个回热器和一个冷端换热器，部件间采用焊接或法兰连接，且每个单元的部件相对位置不变。

其中，各级直径取相同或随级数逐渐增大为优。

其中，三到五级制冷机的级间通过变直径的热缓冲管连接。

其中，热缓冲管用于实现从低温到室温的过渡，其长度应大于前一级制冷机出口及后一级制冷机入口处工质的振荡位移之和，以防级间冷热流体掺混。

其中，热缓冲管的变直径要尽可能减小级间空容积，以保证整机的声场相位，且最小处直径应不小于前一级冷端换热器和后一级室温换热器的气体截面积。

其中，末端制冷机通过驱动直线电机产生电功后返还到电源来驱动直线压缩机。

多级热声制冷机系统，包括直线压缩机、适用于室温温区制冷的三到五级制冷机，直线压缩机驱动三级到五级热声制冷机，产生的声功经反馈至直线压缩机的入口处并与直线压缩机产生的声功共同驱动制冷机。

其中，所述声功是通过用于调节声场相位的排出器反馈的。

其中，当热声制冷机为行波多级热声制冷机时，反馈可通过惯性管和空腔调节相位，使得进入制冷机的压力波和速度波的相位角达到预期要求。

其中，惯性管和空腔是调相原件，使得声场相位达到预期要求，通常它们的流通直径远大于流体的粘性穿透深度。具体长度与直径需要根据实际反馈的声功大小及声场相位进行调节。

本发明的优点在于：本发明的室温温区下的多级热声制冷机，通过多级布置提高输入声功的利用率，从而提高制冷量，减少出口声功，便于后续对声功的回收。同时，为了优化制冷效率，给出了合理的级数范围及关键尺寸的设计原则。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的三级热声制冷机系统示意图；

图中：1为第1级室温换热器，2为第1级回热器，3为第1级冷端换热器，4为连接第1、2级的热缓冲管，5为第2级室温换热器，6为第2级回热器，7为第2级冷端换热器，8为连接第2、3级的热缓冲管，9为第3级室温换热器，10为第3级回热器，11为第3级冷端换热器，12为入口连接管，13为出口连接管。

图2为本发明第一具体实施方式的电功反馈方式的多级热声制冷机系统结构图；

其中，14为直线压缩机，15为直线电机，16为电源。

图3为本发明第二具体实施方式的行波多级热声制冷机系统结构图；

其中，17为惯性管，18为空腔。

图4为本发明第三具体实施方式的自由活塞斯特林式多级制冷机系统结构图；

其中，19为排出器。

图5为本发明第四具体实施方式的多级热声制冷机旁接型热声分布式能源系统示意图；

其中，20为热声发动机主水冷器，21为回热器，22为热头，23为热缓冲管，24为次水冷器，25为谐振管。

图6为本发明第五具体实施方式的多级热声制冷机串接型热声分布式能源系统示意图。

具体实施方式

以下是本发明所述内容的具体实施方式，通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

参见图1，图1为本发明的三级热声制冷机系统示意图，该三级热声制冷机系统包括三个热声制冷机单元，具体为第一单元，由依次设置的第1级室温换热器1，第1级回热器2，第1级冷端换热器3；第二单元，由依次设置的第2级室温换热器5，第2级回热器6，第2级冷端换热器7；第三单元，由依次设置的第3级室温换热器9，第3级回热器10，第3级冷端换热器11；第一单元与第二单元之间连接有热缓冲管4，第二单元与第三单元之间连接有热缓冲管8。在其他实施方式中，还可以继续连接第四单元，第五单元，以及彼此之间联系的热缓冲管。其中，热缓冲管长度应大于前一级制冷机出口及后一级制冷机入口处工质的振荡位移之和，选用变径管，且最小处直径应不小于前一级冷端换热器和后一级室温换热器的工质流动截面积。进一步地，进出口连接管结构由进出口连接设备的端口决定。

在给定的初始制冷机结构下进行计算优化，由于声场的调节，随着级数的增加，制冷机可能处于不利的声场相位，得到结果为各级制冷机直径应逐渐增大。输入声功相同时，对制冷机直径不变的情况进行优化计算，与变直径结果对比，制冷量及制冷效率的增益较小。在保证达到要求的整机制冷量及COP的前提下，为了减小加工及实验难度，可以取各级直径相同。多级热声制冷机系统内充入工质气体，一般为氦气、氮气或氩气。

图2为本发明一具体实施方式的电功反馈方式的多级热声制冷机系统结构图。该多级热声制冷机机构，在直线压缩机14之后连接三级-五级的热声制冷机，在热声制冷机最后一个单元的冷端换热器后连接直线电机15，一个三级制冷机包括三个制冷机核心单元以及两段热缓冲管、两段连接管。每个制冷机核心单元从入口到出口分别为一个室温换热器、一个回热器和一个冷端换热器，且每个单元的部件相对位置不变。级间通过变直径的热缓冲管连接。热缓冲管用于实现从低温到室温的过渡，其长度应大于前一及制冷机出口及后一级制冷机入口处工质的振荡位移之和，以防级间冷热流体掺混，从而降低冷量损失。同时，为了减小级间空容积，利于声功相位调节，热缓冲管应选用变径管，且最小处直径应不小于前一级冷端换热器和后一级室温换热器的工质流动截面积。系统的入口处有一入口连接管，用于连接驱动设备。出口处有一出口连接管，用于连接声功耗散或回收部件。进出口连接管的形状可根据进出口连接的部件进行调节。

整个制冷机由直线压缩机驱动，并在各级冷端换热器分别输出冷量，总的冷量为各级制冷机冷量之和。在直线压缩机输出声功不变时，经过模拟计算，三级制冷机的制冷量以及声功的利用率都可达到单级制冷机的两倍以上。制冷机出口声功用来驱动直线电机发电。这样的结构可以大大提高制冷量和声功的利用。直线电机产生的电功反馈至直线压缩机，可与电源一同驱动压缩机。

图3和图4为第二、三实施例结构示意图。这两种结构也是由直线压缩机驱动的多级热声制冷机。热声制冷机的结构与第一实施例中结构相同。在第二实施例中，直线压缩机驱动行波多级热声制冷机，经过惯性管17和空腔18调节相位，使得进入制冷机的压力波和速度波的相位角达到预期要求。多级热声制冷机出口与入口相连，出口声功传递到入口处，与直线压缩机产生的声功共同驱动制冷机，实现声功的反馈。由于多级热声制冷机消耗了较多的声功，因此更易实现相位调节。在第三实施例中，直线压缩机驱动多级热声制冷机。制冷机出口声功经过排出器反馈至入口处，与直线压缩机产生的声功共同驱动制冷机。排出器用于调节声场相位，并反馈声功。这两种结构同样可以提高制冷量和声功利用率。

图5和图6为第四、五实施例结构示意图。这两种结构是由热声发动机驱动的多级热声制冷机。热声发动机将热能转化为声能，驱动热声制冷机产生冷量。热声制冷机的结构与第一实施例中结构相同。可在系统中接入直线电机，形成冷热电联产结构。一个热声发动机驱动一个多级热声制冷机及一个直线电机构成一个单元，每个系统结构至少包括三个单元。单元之间由谐振管连接，构成多单元热声热机环路结构。在第四实施例中，第一单元的热声发动机分流出部分声功驱动多级热声制冷机，热声制冷机旁接在谐振管25上。制冷机出口处声功较旁接单级制冷机时小，出口声功驱动直线电机进行发电。热声发动机另一部分声功通过谐振管消耗一部分后，传递给下一单元的热声发动机。在第五实施例中，第一单元的热声发动机全部声功首先驱动直线电机发电，消耗部分声功。控制直线电机的发电量可以控制进入热声制冷机的声功大小，使得出口声功满足热声制冷机对入口声功的需求。在直线电机后，串接多级热声制冷机。消耗声功产生冷量后，出口声功全部传递给下一单元的热声发动机。谐振管中存在一些声功损失，这与输入谐振管的声功多少密切相关。经过多级热声制冷机后，声功消耗较多，出口声功较小，从而在提高制冷量的同时减少了谐振管回收声功的损失。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.多级热声制冷机系统，包括直线压缩机、适用于室温温区制冷的三到五级热声制冷机，直线压缩机驱动三级到五级制冷机，产生的电功经反馈至电源并与电源一同驱动直线压缩机，其中，三到五级每个制冷机各级核心单元从入口到出口分别为一个室温换热器、一个回热器和一个冷端换热器，部件间采用焊接或法兰连接，且每个单元的部件相对位置不变。

2.如权利要求1所述的多级热声制冷机系统，其中，各级直径取相同或随级数逐渐增大为优。

3.如权利要求1所述的多级热声制冷机系统，其中，三到五级制冷机的级间通过变直径的热缓冲管连接。

4.如权利要求1所述的多级热声制冷机系统，其中，热缓冲管用于实现从低温到室温的过渡，其长度应大于前一级制冷机出口及后一级制冷机入口处工质的振荡位移之和，以防级间冷热流体掺混。

5.如权利要求1-4任一项所述的多级热声制冷机系统，其中，热缓冲管的变直径要尽可能减小级间空容积，以保证整机的声场相位，且最小处直径应不小于前一级冷端换热器和后一级室温换热器的气体截面积。

6.如权利要求1-4任一项所述的多级热声制冷机系统，其中，末端制冷机通过驱动直线电机产生电功后返还到电源来驱动直线压缩机。

7.多级热声制冷机系统，包括直线压缩机、适用于室温温区制冷的三到五级制冷机，其中，直线压缩机驱动三级到五级热声制冷机，产生的声功经反馈至直线压缩机的入口处并与直线压缩机产生的声功共同驱动制冷机。

8.如权利要求7所述的多级热声制冷机系统，其中，所述声功是通过用于调节声场相位的排出器反馈的。

9.如权利要求7所述的多级热声制冷机系统，其中，当热声制冷机为行波多级热声制冷机时，反馈可通过惯性管和空腔调节相位，使得进入制冷机的压力波和速度波的相位角达到预期要求。

10.如权利要求7所述的多级热声制冷机系统，其中，惯性管和空腔是调相原件，使得声场相位达到预期要求，通常它们的流通直径远大于流体的粘性穿透深度，具体长度与直径需要根据实际反馈的声功大小及声场相位进行调节。

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