CN113701394B - 热声驱动制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种热声驱动制冷装置，该热声驱动制冷装置包括热声发动机、谐振机构以及脉管制冷机；热声发动机包括发动管体，发动管体内设有热声转换组件，用于将通入的热量转换成压力波；谐振机构与热声发动机相连接，谐振机构包括气液谐振管，气液谐振管与发动管体相连通，气液谐振管用于提高压力波的幅值以及同时降低系统的谐振频率；脉管制冷机分别与谐振机构和热声发动机相连接，脉管制冷机包括制冷管，制冷管内设有多级制冷单元，多级制冷单元用于接收压力波，并依次产生多级温度值。通过上述方式，本申请可以通过气液谐振子进行调相，进而获得更低的温度值，且整个装置更加紧凑。

Description

热声驱动制冷装置
技术领域
本发明涉及热驱动制冷技术领域，尤其涉及一种热声驱动制冷装置。
背景技术
近年来，随着我国科学技术的飞速发展，低温技术作为关键核心技术已经渗入到空间探测、能源、环境、医疗和工农业等众多领域，成为推动科学发展不可或缺的支柱力量。液氦温区是低温领域中非常重要和特殊的温度范围，诸多关键科学技术需要在此温区实现。如现代物理的重要分支--低温超导技术，现代医疗技术中核磁共振设备，以及用于深空探测技术中的X射线、γ射线等探测器均需要工作在液氦温区。
脉管制冷机是一种极具发展潜力的小型低温制冷机，具有结构简单、运行可靠、使用寿命长等优点，在军事探测、空间技术、低温电子学、高温超导等领域获得了重要应用。现有脉管制冷机多采用直线压缩机驱动，虽然冷端没有运动部件，但整个系统存在机械运动部件，易产生磨损破坏等问题。
采用热声发动机驱动脉冲管制冷机将获得完全无运动部件的低温制冷机，能够极大降低整机制冷系统的振动，并提高可靠性，在空间技术冷却等领域极具应用潜力。热声效应是指可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的时均能量效应，按照能量转换方向的不同可分为两类：一是用热能来产生声波，即热致声效应(热声正效应)；二是用声能来产生制冷效应，即声致冷效应(热声逆效应)。热声热机是利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能的热功转换装置。热声热机主要分为热声发动机(热声压缩机)和热声制冷机，分别基于热致声和声致冷这两类热声效应工作。热声发动机作为外燃式热机，可以利用低品位能源或太阳能等驱动，有利于提高能源利用率(节能)；其次，采用氦气、氮气等对环境友好的气体工质(环保)；此外，一般由空管段、多孔介质及换热器组成，不存在机械运动部件，具有低振动、高可靠性、长寿命等优点。
当前，针对制冷温区(120K以上)的热声驱动制冷机研究较多，研究成果已显示出在气体液化、室温制冷、热泵空调等多个领域的巨大应用前景。相比之下，针对低温温区(120K以下)的研究非常有限。目前，国际上热声驱动脉管制冷系统达到的最低制冷温度仅为18.1K，如何进一步降低至液氦温区(4K)成为挑战。
发明内容
本发明实施例提供一种热声驱动制冷装置，用以解决现有技术中热声驱动制冷装置设备整体体积较大且能量损耗较大的技术问题。
本发明实施例提供一种热声驱动制冷装置，包括：
热声发动机，包括发动管体，所述发动管体内设有热声转换组件，用于将通入的热量转换成压力波；
所述热声发动机还包括谐振机构，与所述热声发动机相连接，所述谐振机构包括气液谐振管，所述气液谐振管与所述发动管体相连通，所述气液谐振管用于提高所述压力波的幅值以及同时降低系统的谐振频率；
脉管制冷机，分别与所述谐振机构和所述热声发动机相连接，所述脉管制冷机包括制冷管，所述制冷管内设有多级制冷单元，多级所述制冷单元用于接收所述压力波，并依次产生多级温度值。
根据本发明一个实施例的热声驱动制冷装置，所述制冷单元包括依次连接的热端换热单元、回热单元以及冷端换热单元，所述热端换热单元用于接收热量，所述冷端换热单元用于将所述回热单元传导处理后的温度降低。
根据本发明一个实施例的热声驱动制冷装置，所述脉管制冷机包括三级所述制冷单元，分别为依次连接的第一制冷单元、第二制冷单元以及第三制冷单元，所述第一制冷单元接收的温度与所述冷端换热单元传导的温度相对应。
根据本发明一个实施例的热声驱动制冷装置，
所述第一制冷单元包括依次叠加的制冷机室温换热器、一级回热器以及一级冷端换热器；
所述第二制冷单元包括与所述一级冷端换热器相连接的二级回热器、套设于所述二级回热器内的二级脉管以及设于所述二级回热器远离所述一级冷端换热器一侧的二级冷端换热器；
所述第三制冷单元包括与所述二级冷端换热器相连接的三级回热器、套设于所述三级回热器内的三级脉管以及设于所述三级回热器远离所述二级冷端换热器的三级冷端换热器二级冷端换热器二级冷端换热器。
根据本发明一个实施例的热声驱动制冷装置，所述一级冷端换热器接收的温度、所述二级冷端换热器接收的温度以及所述三级冷端换热器接收的温度依次递减。
根据本发明一个实施例的热声驱动制冷装置，所述气液谐振管为U型管，所述U型管内设有液柱和限位膜，所述限位膜用于分隔开所述液柱和所述脉管制冷机。
根据本发明一个实施例的热声驱动制冷装置，所述谐振机构设于所述脉管制冷机远离所述热声发动机的一侧，且所述限位膜设于所述液柱靠近所述脉管制冷机的一侧，以分隔开所述液柱与所述脉管制冷机。
根据本发明一个实施例的热声驱动制冷装置，所述热声转换组件包括依次连接的高温换热器、回热器以及发动机室温换热器，所述发动机室温换热器靠近所述谐振机构以及所述脉管制冷机的一端设置。
根据本发明一个实施例的热声驱动制冷装置，
所述发动管体包括主管体和反馈管体，所述主管体内依次设有高温换热器、回热器、发动机室温换热器以及弹性膜；还包括设于所述高温换热器远离所述回热器一侧间隔设置的发动机次室温换热器，所述反馈管体的两端分别靠近所述发动机室温换热器以及所述发动机次室温换热器设置；
所述发动机次室温换热器与所述高温换热器之间设有热缓冲管。
根据本发明一个实施例的热声驱动制冷装置，所述热声发动机、所述谐振机构以及所述脉管制冷机的数量为两组，且任一组中的所述热声发动机和所述脉管制冷机分别与另一组中的所述脉管制冷机和所述热声发动机对应连接。
本发明实施例提供的热声驱动制冷装置，包括热声发动机、谐振机构以及脉管制冷机，且谐振机构包括气液谐振管，气液谐振管对声场进行调相，也即提高压力波的幅值以及降低系统的谐振频率，从热声发动机发出的声功进入脉管制冷机时便可以产生多级温度值且每一级的温度值递减且最终实现低于现有技术中的最低温度值。且利用气液谐振子可以避免只使用气体谐振子整个装置体积较大、谐振管中能量损失大的问题，进而可以使得整个装置更加紧凑高效，且整个系统具有完全无机械运动部件、低振动、高可靠性、长寿命的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的热声驱动制冷装置的结构示意图；
图2是图1的热声驱动制冷装置中的脉管制冷机的结构示意图；
图3是本发明另一实施例的热声驱动制冷装置的结构示意图；
图4是本发明另一实施例的热声驱动制冷装置的机构示意图；
图5是图4中A处的放大结构示意图。
附图标记：
10、热声发动机；110、发动管体；1110、主管体；1120、反馈管体；1130、弹性膜；120、热声转换组件；1210、高温换热器；1220、回热器；1230、发动机室温换热器；1340、发动机次室温换热器；
20、谐振机构；210、气液谐振管；220、液柱；230、限位膜；
30、脉管制冷机；310、制冷管；320、制冷单元；3210、热端换热单元；3220、回热单元；3230、冷端换热单元；3240、第一制冷单元；3241、制冷机室温换热器；3242、一级回热器；3243、一级冷端换热器；3250、第二制冷单元；3251、二级回热器；3252、二级脉管；3253、二级冷端换热器；3260、第三制冷单元；3261、三级回热器；3262、三级脉管；3263、三级冷端换热器；330、气库；340、惯性管。
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作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。
下面结合图1和图2，图1是本申请一实施例的热声驱动制冷装置的结构示意图，图2是图1的热声驱动制冷装置中的脉管制冷机30的结构示意图。本发明一实施例提供一种驱动制冷装置，该驱动制冷装置包括热声发动机10、谐振机构20以及脉管制冷机30。其中，热声发动机10，包括发动管体110，发动管体110内设有热声转换组件120，用于将通入的热量转换成压力波。
在本申请一实施例中，热声转换组件120包括依次连接的高温换热器1210、回热器1220以及发动机室温换热器1230，发动机室温换热器1230靠近谐振机构20以及脉管制冷机30的一端设置。热声转换组件120用于热制声，也即从高温换热器1210接收外界传输的热量，当高温换热器1210所处的温度达到一定的阈值，例如100摄氏度至600摄氏度之间，位于回热器1220中的气体与其位于回热器1220内的固体填料之间会产生热声效应，进而自发产生周期性的压力波动，产生的压力波动随发动机室温换热器1230传输至谐振机构20以及脉管制冷机30。可以理解的是，谐振机构20以及脉管制冷机30均位于声功传输路线的下游。进而便于声功从热声转换组件120可以顺利传输至谐振机构20和脉管制冷机30。
请参照图3，图3是本申请另一实施例的热声驱动制冷装置的结构示意图。在另一实施例中，发动管体110包括主管体1110和反馈管体1120，主管体1110内依次设有高温换热器1210、回热器1220、发动机室温换热器1230以及弹性膜1130；还包括设于高温换热器1210远离回热器1220一侧间隔设置的发动机次室温换热器1340，反馈管体1120的两端分别靠近发动机室温换热器1230以及发动机次室温换热器1340设置。也即发动管体110为环状设置且设置有一个连接谐振机构20和脉管制冷机30的连接管口。从高温换热器1210接收的热量传输至回热器1220，进而在回热器1220中的气体会与固体填料产生热声效应，如此产生压力波动，且压力波动依次流过反馈管体1120至连接管口处并传输至谐振机构20以及脉管制冷机30。反馈管体1120的设置用于接收热声发动机10、谐振机构20以及脉管制冷机30之间传输的声功，并将该声功重新通过反馈管体1120连接至发动机次室温换热器1340进而依次通过高温换热器1210和回热器1220，并与回热器1220产生的声功混合，起到增大声功的作用，且循环利用了热声发动机10、谐振机构20以及脉管制冷机30之间流通的声功。
请参照图4和图5，图4是本申请另一实施例的热声驱动制冷装置的机构示意图，图5是图4中A处的放大结构示意图。在另一实施例中，热声发动机10、谐振机构20以及脉管制冷机30的数量为两组，且任一组中的热声发动机10和脉管制冷机30分别与另一组中的脉管制冷机30和热声发动机10对应连接。也即两组的热声驱动制冷装置首尾相连接，进而整体为循环封闭设置，也对应第一组中的热声发动机10和第二组中的脉管制冷机30相连接，而第一组中的脉管制冷机30与第二组中的热声发动机10相连接。且第一组以及第二组中的谐振机构20位于热声发动机10和脉管制冷机30之间。如此设置，热声发动机10、谐振机构20以及脉管制冷机30的设置为紧凑设置，可以节省热声驱动制冷装置的空间排布，节省使用空间。
请继续参照图1和图2，脉管制冷机30包括制冷管310，制冷管310内设置的制冷单元320包括依次连接的是热端换热单元3210、回热单元3220以及冷端换热单元3230，热端换热单元3210用于接收热量，冷端换热单元3230将回热单元3220传导处理后的温度降低。可以理解的是，热端换热单元3210的温度值与发动机室温换热器1230传输的温度值相对应。该温度经回热单元3220以及冷端换热单元3230的传输进而实现降温的效果。
在本申请一实施例中，脉管制冷机30包括三级制冷单元320，分别为依次连接的第一制冷单元3240、第二制冷单元3250以及第三制冷单元3260，第一制冷单元3240接收的温度与冷端换热单元3230传导的温度相对应。还包括气库330和惯性管340，气库330和惯性管340与脉管制冷机30相连接，起到调相的作用。
第一制冷单元3240包括依次叠加的制冷机室温换热器3241、一级回热器3242以及一级冷端换热器3243；第二制冷单元3250包括与一级冷端换热器3243相连接的二级回热器3251、套设于二级回热器3251内的二级脉管3252以及设于二级回热器3251远离一级冷端换热器3243一侧的二级冷端换热器3253；第三制冷单元3260包括与二级冷端换热器3253相连接的三级回热器3261、套设于三级回热器3261内的三级脉管3262以及设于三级回热器3261远离二级冷端换热器3253的三级冷端换热器3263。需要说明的是，在本申请一实施例中，一级冷端换热器3243接收的温度、二级冷端换热器3253接收的温度以及三级冷端换热器3263接收的温度依次递减。也即在本发明一实施例中，通过第一制冷单元3240后，在一级冷端换热器3243可以达到的最低温度可以为80K，而经过二级冷端换热器3253可以达到的最低温度可以为20K，进而经过三级冷端换热器3263可以达到的温度可以为4K。如此可以突破现有技术中脉管制冷机30可以达到的18.1K的最低制冷温度。且本申请中的三级制冷单元320可以外接三种不同的应用场景。例如可以分别适应要求为最低温度为80K的工作环境需求、要求为最低温度20K的工作环境需求以及要求为最低温度4K的工作环境需求。
在申请一实施例中，气液谐振管210可以为U型管，但是在其他实施例中，气液谐振管210也可以为其他形状，例如圆弧形等，在此不对此进行限定。因为热声发动机10、谐振机构20以及脉管制冷机30为连通状态，所以在热声发动机10、谐振机构20以及制冷结构中通入的工作气体为氦气。而U型管中还包括液柱220，液柱220中的液体可以为室温离子液体等，在此不做限定。进一步地，谐振机构20设于脉管制冷机30远离热声发动机10的一侧，且限位膜230设于液柱220靠近脉管制冷机30的一侧，以分隔开液柱220与脉管制冷机30。对于不同的实施例，对应谐振机构20的不同放置位置，而不同的放置位置，限位膜230的位置也可以对应进行调整。限位膜230的数量和位置均不作限定，只要可以保证液柱220中的液体不会进入脉管制冷机30即可。限位膜230可以为浮子结构，进而可以防止液柱220中的液体流入至脉管制冷机30中。相比于气体谐振子，气液谐振子使得谐振管的长度大大缩小，进而可以节省整个装置内的可使用空间，大大减小了谐振管中的能量损失。而相比于液体谐振子，液体容易进入脉管制冷机30中，对脉管制冷机30中的各个机构造成损害，大大缩小了脉管制冷机30的可使用寿命，且液柱220的相对两端如果想避免液体进入脉管制冷机30，则均需留出安全空间，也即增长管体的长度，如此还会使得整个装置的体积较大。
需要说明的是，本申请采用的为气液谐振子，相比于现有的气体谐振子可以进行调相，也即对应提高压力波的幅值以及同时降低系统的谐振频率。可以理解的是，提高压力波幅值是为了提高热声驱动装置的驱动力，而降低谐振频率是为了降低热声驱动装置中的能量损失。以下以电声类比进行阐述：在热声驱动脉管制冷的过程中，对提高制冷性能参数分为压力波幅值和工作频率。而压力波幅值正比于
Figure BDA0002740068380000091
而谐振频率
Figure BDA0002740068380000092
其中，L为总声感，C为总声容。对于气体谐振子：
Figure BDA0002740068380000093
LGR＝∑ΔLg、
Figure BDA0002740068380000094
CGR＝∑ΔCg；其中，A为谐振管的横截面积；ρg为气体密度、lg为气体段谐振管长度、Lg为气体声感、LGR为气体谐振子总声感、γ为绝热指数、Pm为平均压力、Cg为气体声容、CGR为气体谐振子总声容。而本申请中的气液谐振子：
Figure BDA0002740068380000101
LGLR＝Ll+∑ΔLg、
Figure BDA0002740068380000102
CGLR＝Cl+∑ΔCg。其中，ρl为液体密度、ll为液体段谐振管长度、Ll为液体声感、LGLR为气液谐振子总声感、Cl为液体声容、CGLR为气液谐振子总声容。因为液体的密度大于气体，所以气液谐振子与气体谐振子相比，采用相同直径的管路实现等量的声感，气液谐振管210的长度远小于气体谐振管。而同时，采用气液谐振管210，声感和声容虽然都会变大，但是液体的密度远大于气体密度，所以对于液体部分增加的液体声容部分相比增加的声感的量可以忽略不计，参照上述压力波幅值的公式可以得出，声感变化的量大于声容变化的量，所以压力波幅值整体值还会变大。对于谐振频率，因为气液谐振子的声感和声容均变大，参照上述谐振频率的公式可以得出，气液谐振子的谐振频率远小于气体谐振子的谐振频率，进而可以降低热声驱动装置中的能量损失。本申请采用气液谐振管210可以利用液体的高声感和气体的高可压缩声容，便于脉管制冷机30获得更低的温度。
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 (10)

1.一种热声驱动制冷装置，其特征在于，包括：
热声发动机，包括发动管体，所述发动管体内设有热声转换组件，用于将通入的热量转换成压力波；
所述热声发动机还包括谐振机构，与所述热声发动机相连接，所述谐振机构包括气液谐振管，所述气液谐振管与所述发动管体相连通，所述气液谐振管用于提高所述压力波的幅值以及同时降低系统的谐振频率；
脉管制冷机，分别与所述谐振机构和所述热声发动机相连接，所述脉管制冷机包括制冷管，所述制冷管内设有多级制冷单元，多级所述制冷单元用于接收所述压力波，并依次产生多级温度值。
2.根据权利要求1所述的热声驱动制冷装置，其特征在于，所述制冷单元包括依次连接的热端换热单元、回热单元以及冷端换热单元，所述热端换热单元用于接收热量，所述冷端换热单元用于将所述回热单元传导处理后的温度降低。
3.根据权利要求2所述的热声驱动制冷装置，其特征在于，所述脉管制冷机包括三级所述制冷单元，分别为依次连接的第一制冷单元、第二制冷单元以及第三制冷单元，所述第一制冷单元接收的温度与所述冷端换热单元传导的温度相对应。
4.根据权利要求3所述的热声驱动制冷装置，其特征在于，所述第一制冷单元包括依次叠加的制冷机室温换热器、一级回热器以及一级冷端换热器；
所述第二制冷单元包括与所述一级冷端换热器相连接的二级回热器、套设于所述二级回热器内的二级脉管以及设于所述二级回热器远离所述一级冷端换热器一侧的二级冷端换热器；
所述第三制冷单元包括与所述二级冷端换热器相连接的三级回热器、套设于所述三级回热器内的三级脉管以及设于所述三级回热器远离所述二级冷端换热器的三级冷端换热器。
5.根据权利要求4所述的热声驱动制冷装置，其特征在于，所述一级冷端换热器接收的温度、所述二级冷端换热器接收的温度以及所述三级冷端换热器接收的温度依次递减。
6.根据权利要求1所述的热声驱动制冷装置，其特征在于，所述气液谐振管为U型管，所述U型管内设有液柱和限位膜，所述限位膜用于分隔开所述液柱和所述脉管制冷机。
7.根据权利要求6所述的热声驱动制冷装置，其特征在于，所述谐振机构设于所述脉管制冷机远离所述热声发动机的一侧，且所述限位膜设于所述液柱靠近所述脉管制冷机的一侧，以分隔开所述液柱与所述脉管制冷机。
8.根据权利要求1所述的热声驱动制冷装置，其特征在于，所述热声转换组件包括依次连接的高温换热器、回热器以及发动机室温换热器，所述发动机室温换热器靠近所述谐振机构以及所述脉管制冷机的一端设置。
9.根据权利要求1所述的热声驱动制冷装置，其特征在于，所述发动管体包括主管体和反馈管体，所述主管体内依次设有高温换热器、回热器、发动机室温换热器以及弹性膜；还包括设于所述高温换热器远离所述回热器一侧间隔设置的发动机次室温换热器，所述反馈管体的两端分别靠近所述发动机室温换热器以及所述发动机次室温换热器设置；
所述发动机次室温换热器与所述高温换热器之间设有热缓冲管。
10.根据权利要求1所述的热声驱动制冷装置，其特征在于，所述热声发动机、所述谐振机构以及所述脉管制冷机的数量为两组，且任一组中的所述热声发动机和所述脉管制冷机分别与另一组中的所述脉管制冷机和所述热声发动机对应连接。
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