CN1137630A - 无运动部件的热驱动热声制冷机 - Google Patents

Abstract

一种新型热驱动的热声制冷机装置，它由一个热声发动机和一个热声制冷机组成。热声发动机部分和制冷机部分，分别利用半波谐振或近谐振声场产生的热致声作用和声制冷作用，将高温热源的热能部分转换为声能和消耗声能将低温热源的热量输送到环境。这种热驱动的热声制冷机中，声场的行波部分和驻波部分，在热声发动机部分的回热器中均是产生热致声效应；在热声制冷机部分的回热器中均是产生泵热效应。

Description

说明书 无运动部件的热驱动热声制冷机

本发明涉及一种类型的新型制冷机装置，特别涉及一种由热能驱动的热声制冷机装置。这种制冷机利用热声效应中的热致声作用将高温热源的热能转换为声能，利用热声效应中的声制冷作用，消耗声能将低温热源的热量泵送到环境温度的热源，即制冷，而不需要运动的机械部件。

目前，已知的热驱动的热声制冷机如美国专利4,114,380(Ceperley 9/1978)所描述，这种热驱动的热声制冷装置仅利用声场的行波部分产生的热声效应工作，但这是一种全波长(L≈λ，λ为声波长)的热声制冷机，其声路的阻抗不易匹配而实现困难，至今并未见到实施应用的报道。又如美国专利4,858,441(Wheatley 8/1989)所描述，这种半波长的热驱动热声制冷装置仅利用声场的驻波部分产生的热声效应工作，而驻波产生的热声效应完全依赖于工作介质的不可逆性，其产生的热声效应的强度和有效能量的转换和利用率较低，从而使得它们的使用受到限制。

本发明是在系统研究热声效应的基础上，提出一种新的方法、流程和设计，能克服或减少以往热驱动的热声制冷机的缺点，提高热声效应的强度和有效能量的转换和利用率。

本发明提供一类新型的利用热声效应的热驱动制冷机装置，其能源使用热能，热能在热声发动机部分被转换为声能，并直接利用此声能在热声制冷机部分制冷。热声发动机和热声制冷机部分的声场分别采用半波谐振声场(L≈1/2λ)或近谐振声场(1/4λ＜L＜1/2λ)的设计，它们分别同时利用声场的行波和驻波部分产生的热声效应中的热致声作用和声制冷作用工作，消耗高温热源提供的热能，将低温热源的热量输送到环境，实现制冷，而不需要任何运动的机械部件

为了阐明本发明的思想，以下对热声效应进行必要的说明。

热声效应是指可压缩的具有热膨胀性的流体工作介质，与具有较大热容量和导热系数的固体工作介质之间，由于流体相对固体的声振荡和产生热相互作用，导致的时均热力学能量效应。

按固体外壁面与外热源的热接触方式来划分，热声效应可分为等温壁热声效应，绝热壁热声效应，和一般情形热声效应三种情形。

等温壁热声效应是指固体工作介质的外壁面与外热源理想热接触时，由于理想热接触的结果，固体和流体的平均温度在任一截面不变，且与外热源温度相同，这时出现工作介质和外部热源间的横向热量交换的时均能量效应。等温壁热声效应的特点是：1.在低声导率比的区域(声导率比是当地流体密度、声速、速度波动振幅三项乘积与压力波动振幅的比值)，工作介质向外热源放出热量，2.在高声导率比的区域，如果流体工作介质的普朗特数(粘性系数与导热系数的比值)足够小，工作介质由外热源吸取热量，3.在工作介质和声导率比一定时，等温壁热声效应的强度和效率与声流道宽度与流体的热穿透深度的比值有关，当声流道当量尺度与流体的热穿透深度相当时较好。

绝热壁热声效应是指固体工作介质的外壁面与外热源理想热绝缘时，由于理想热绝缘的结果，总能量流(总能量流是焓流与热传导热流之和，也等于热流与声功流之和)将维持不变，这时出现热能和声能的相互转换的时均能量效应。热致声时，热能被转换为声能，同时热流由高温端流向环境温度端；制冷时，声能被消耗并转换为热能，同时热流由低温端泵送到环境温度端。

当固体工作介质的外壁面与外热源处于有限热接触时发生一般情形的热声效应。等温壁热声效应和绝热壁热声效应是一般情形热声效应的两个极限情形。

任一声场可视为声场的驻波部分和行波部分之和，绝热壁热声效应中，声场的驻波部分产生的效应有以下特点：1.产生的热声效应强度较低；2.热流方向总是由高声导率比的区域流向低声导率比的区域；3.当高温端在高声导率比的区域，低温端在低声导率的区域，在承受较大的温度梯度时，产生热致声效应，这时热流方向由高温端流向低温端，部分热能转换为声能，声功流的方向可由高温端流向低温端，也可由低温端流向高温端。4.当低温端在高声导率比的区域，高温端在低声导率比的区域，在承受较小的温度梯度时产生制冷效应。热流方向由低温端流向高温端，声能除部分用于克服工作介质的不可逆耗散外，一部分还被用于泵热。声功流的方向可由低温端流向高温端，也可由高温端流向低温端；5.当温度梯度一定时，驻波产生的热声效应的强度和效率当声流道当量尺度约为流体的热穿透深度时最大。这时流体工作介质与固体工作介质有中等程度的热接触，热声效应依靠工作介质的有限热力学不可逆性工作。对完全可逆或完全不可逆的工作介质，声场的驻波部分均不能产生热声效应。

声场的行波部分产生的效应有以下特点：1.产生的热声效应强度较高(对同样的压力和速度振幅的声波，可达的能流密度约为驻波可达到的两倍)；2.热流方向总是与声功流的方向(行波传播的方向)相反。且理想情况下当工作介质完全可逆时热流与功流大小相等，当工作介质存在热力学不可逆性时热流小于与功流；3.当高温端在高声导率比的区域，低温端在低声导率比的区域，在承受较大的温度梯度时，热流方向由高温端流向低温端，产生热致声效应，部分热能转换为声能，而声功流方向由低温端流向高温端；4.当低温端在高声导率比的区域，高温端在低声导率比的区域，在承受较小的温度梯度和声功流方向由高温端流向低温端时时产生声制冷效应，热流方向由低温端流向高温端，部分声能被消耗转换为热能；5.在温度梯度一定时，声场的行波部分产生的热声效应的强度和效率当声流道的当量尺度与热穿透深度相比较小而又不引起较大的粘性耗散时最大。这时流体工作介质与固体工作介质有较好的热接触，热声效应依靠工作介质的热力学可逆性工作。对完全可逆的工作介质，行波产生的泵热效应的强度和能量转换利用的效率最高。

产生热声效应的工作介质应是具有较高热膨胀度、较低普朗特数的可压缩的流体介质和与流体介质相比具有较大热容量的固体介质。特别对流体介质，在高、低温温差较大，而对能量流密度要求又较低的场合(如制冷温度较低和较小的制冷功率的热声制冷机)，可采用分子式简单、分子量较小的气体(如氦气、氢气、氮气等)；在高、低温温差较小，而又对能量流密度要求较大的场合(如要求获得不太低的制冷温度和较大的制冷功率的热声制冷机)，可用较高工作压力的分子式较简单的气体(如氦气、氮气、二氧化碳等气体)或采用临界温度在环境温度附近的简单分子式的近临界流体(如室温附近可采用二氧化碳，丙烯等，但工作压力应在临界压力附近)。

本发明是采用以下几种基本的声学和热声部件来实现的。这些部件各具有不同的功能，在热驱动的热声制冷机中完成热能提供、热能和声能的转换和输运、声阻抗的匹配和调节等功能。这些基本部件是：

1.热声换热器。热声换热器是利用等温壁热声效应实现热声发动机和热声制冷机与外热源的热量交换的部件。放置于热声发动机和热声制冷机声场中高声导率比区域的热声换热器由外热源吸热，称热声吸热器，放置于热声发动机和热声制冷机声场中低声导率比区域的热声换热器向外热源放热，称热声放热器。热声换热器的结构可以是采用导热性良好的固体平板(如金属板)的叠层结构，板与板之间形成声流道；也可以采用固体圆管组或整块固体中加工出声通道的结构，还可以采用金属丝网的堆叠形成多孔性声流道或使用其它类型的固体多孔材料。热声换热器中，声流道的形状可以是多种多样，如矩形、圆或椭圆性、三角形、菱形、六角形等，但声流道当量尺度应与流体的热穿透深度相当。热声换热器的固体介质应有良好的导热性，而固体介质的外壁应与外热源有良好的热接触，以使整个换热器的温度尽量处于等温状态。换热器的长度与声波长相比应较小，以避免同一换热器越出高声导率比区域或低声导率比的区域，使得吸热或放热效应被削减或抵消。

2.、热声回热器。热声回热器是利用绝热壁热声效应实现热声发动机和热声制冷机的热致声作用和声制冷作用，即声能与热能的转换的关键部件。它放置于热声发动机和热声制冷机声场中适当位置，消耗热能其部分转换为声能实现热致声，和消耗声功将热量由低温端输送到高温端实现制冷。热声回热器的设计应使其两端的声导率比适当，以便能量转换得以顺利进行，且与热声换热器能协调工作。热声回热器的结构可以是固体薄板(如金属板)的叠层结构，板与板之间形成声流道；也可以采用金属丝网的堆叠形成多孔性声流道或其它类型的固体多孔材料。热声回热器中，声流道的形状可以是多种多样或同一回热器中采用多种形状的组合。但声流道的当量尺度应约为当地流体的热穿透深度(在驻波声场占主要部分的区域)，或远小于流体的热穿透深度(在行波声场占主要部分的区域)，或为一小于流体热穿透深度的适当值(在驻波和行波声场均占相当份额的区域)。热声回热器可以是直管，也可以采用从高温端向低温端收缩的变截面管，如喇叭形连续收缩，或梯形阶梯式收缩。热声回热器的固体介质应有较好的横向(垂直于声传播方向)导热性和较差的纵向(沿声传播方向)导热性(这可用纵向布置的叠层结构实现)，以使整个回热器在同一截面的温度尽量相同，而又不会由于热传导造成较大的由回热器高温端到低温端的纵向热流损失。回热器在同一截面上固体介质的热容应远大于流体介质的热容，固体介质与流体介质的热接触面积应较大以避免不完善的热接触而使热声效应不充分和导致不必要的热力学不可逆损失。热声回热器与外热源应有良好的热绝缘，以避免向环境的漏热和产生额外的热力学不可逆损失。

3.热声谐振管。热声谐振管是一段外壁面绝热的两端分别与高、低温端相连的固体管道，它的两端视情形可设有高、低温热声换热器，以维持两端温度恒定。它的主要作用是通过管道长度在系统中的匹配，在热声发动机系统和热声制冷机系统中分别产生半波谐振或近谐振声场，并连接工作于高温段和低温段的任意两个热声部件，而又不会导致较大的由高温端到低温端的热流损失和声功流的衰减。热声谐振管的两端声导率比最好跨越高声导率比和低声导率比的区域。热声谐振管应采用导热性较差的管道，如薄壁金属管或非金属管，或外壁面为金属内壁面为非金属的复合型薄壁管道。热声谐振管的截面形状可以多种多样，但其声流道当量尺度应大于或远大于当地流体的热穿透深度，以避免由于固体热传导和热声效应产生从高温端向低温端的热流损失，但也不能太大以使得整个系统的工作容积太大，能量密度太低。热声谐振管沿纵向方向可采用直管，也可以采用从低温端向高温端扩张的变截面管，如喇叭形连续扩张，或梯形阶梯式扩张。热声谐振管的管内可以填充或部分填充或不填充热声回热材料，以改善热声谐振管的轴向温度分布。热声谐振管的外壁面与外热源应尽量热绝缘，以避免热损失。热声谐振管的两端可设置(也可不设置)层流化元件，使热声谐振管管内的流动尽量接近于层流，降低或消除紊流混合损失。

4.声波导管。声波导管是一段或一组工作于相同或相近温度的固体管道。它的作用主要是用于连接热声热机中处于同样温度区域的两端传播声振荡，或用以形成声回路(声反馈调节回路)，或用于调节系统的固有频率。

5.声阻抗调节器。声阻抗调节器是调节和匹配声阻抗的部件，用它可在热声热机中适当位置调节和匹配当地的声振荡(速度与压力波动)的大小和相位。在声路中有三种阻抗类型，声阻、声容和声感，所以声阻抗调节器也有三种基本类型。声阻调节器(或声阻尼调节器)可以是一小段细孔管或一小段多孔介质或一个小孔调节阀门或其组合。声容抗调节器是在声通道上连接一个较大的空腔。而声感抗调节器一般是声通道上连接一段细长的管道。实际使用时可将这三种基本的调节器单独或通过并联、串联等方式组合使用，以在声路中特定位置获得所需的声振荡，调节一定位置声场的振幅和相位。

本发明所指的热驱动的热声制冷机是由以上几种基本的声学和热声部件构成。

采用上述设计，可以较大地提高热声制冷机的制冷能力，降低各种热流损失和有用能的损耗，提高热声制冷机的效率。更由于采用了灵活的设计，根据情形我们可以选择不同形式、不同特点的部件的组合，这样可以满足不同场合的需要。

以下结合附图对本发明所指的热驱动的热声制冷机装置的布置和工作过程所较为详细的说明。

图1是采用热驱动的新型热声制冷机的结构图。图中箭头所指是声功流的方向。

参见图1的热驱动的热声制冷机，它也可看成是的热声发动机1与热声制冷机2的组合，这时热声发动机输出的声能直接用于驱动热声制冷机。热声发动机1的高温热声吸热器5从外部高温热源吸收热量，这个热量的一部分在发动机热声回热器4中转化为声能，另一部分由发动机热声放热器3向环境热源放出。工作于高温端的声波导管6实现高温热声吸热器5与发动机热声谐振管7的连接，发动机热声谐振管7用于将声波由高温端传播到环境温度端。处于环境温度的声波导管8用于连接发动机热声谐振管7的环境温度端和工作于环境温度的制冷机热声放热器9。制冷机热声回热器10消耗部分声功，使得制冷机低温热声吸热器11由外部低温热源吸收的热量和被消耗的声功转化来的热量一起从低温端泵送到室温端，并由制冷机热声放热器9向环境放出。工作于低温端的声波导管12实现低温热声吸热器11与制冷机热声谐振管13的连接。制冷机热声谐振管13用于将声波动由低温端传播到环境温度端。工作于环境温度的声波导管14用于制冷机热声谐振管13的环境温度端和工作于环境温度的发动机热声放热器3。带有声阻抗调节器的声波导管15同时用于形成热声发动机1和热声制冷机2的声波主反馈调节回路，以调节发动机热声回热器4、制冷机热声回热器10中声场的行波和驻波分量和匹配声场的阻抗，使得各个热声部件工作在良好状态。热声发动机和热声制冷机的声波回路的长度各应约等于声波的半波长或大于声波的四分之一波长和小于声波的半波长，以保证在热声发动机回热器中，声场的压力波动的相位落后于速度波动的相位，声场的行波部分和驻波部分产生的热声效应均是产生热致声效应，即将热能转换为声能；在热声制冷机回热器中，声场的压力波动的相位超前于速度波动的相位，声场的行波部分和驻波部分产生的热声效应均是产生声致冷效应，即将利用声能泵热。而阻抗的选择应按使系统工作在最佳状态。带声阻抗调节器的声波导管或导管组16用于发动机热声回热器4与发动机热声谐振管7中间位置的连接，形成发动机端一路或多路声波的次反馈调节回路，以使得发动机热声回热器的工作效率得到最佳的发挥。带声阻抗调节器的声波导管或导管组17用于制冷机热声回热器10与制冷机热声谐振管13中间位置的连接，形成制冷机端一路或多路声波的次反馈回路，以使得制冷机热声回热器的工作效率得到最佳的发挥。

以上所指的热声发动机部分和热声制冷机部分在同样温区工作的热声回热器和热声谐振管可以制作成同轴结构，以增加装置的紧凑性。

Claims (8)

1.一种热驱动的热声制冷机装置，它可视为一个热声发动机和一个热声制冷机组合而成，它利用振荡的可压缩流体(声)介质与固体介质之间热相互作用产生的热声效应工作，其中热声发动机部分利用热声效应中的热致声作用将高温热源的热量部分转换为声能，声能被直接用于驱动热声制冷机，热声制冷机部分热声效应中的声致冷作用将低温热源的热量输送到环境热源；热声发动机部分由环境温度热声放热器、发动机热声回热器、高温热声吸热器、高温声波导管、发动机热声谐振管、环境温度声波导管、带声阻抗调节器的声波导管或导管组组成的声波反馈调节回路等声学和热声部件组成；热声制冷机部分由环境温度热声放热器、制冷机热声回热器、低温热声吸热器、低温声波导管、制冷机热声谐振管、室温声波导管、声吸收器、带声阻抗调节器的声波导管或导管组组成的声波反馈调节回路等部件组成；热声发动机部分和热声制冷机部分共用一个由带声阻抗调节器的声波导管构成的声波的主反馈调节回路；其主要特征是，热声发动机和热声制冷机中的声场是均是半波谐振或半波近谐振声场，各回路的长度约为声波的半波长或大于四分之一波长和小于半波长；在热声发动机回热器中，工作流体速度波动的相位超前于压力波动的相位，声场的行波部分和驻波部分产生的热声效应均是热致声效应；在热声制冷机回热器中，工作流体压力波动的相位超前于速度波动的相位，声场的行波部分和驻波部分产生的热声效应均是泵热效应；发动机热声谐振管的两端分别处于高温和环境温度，制冷机热声谐振管的两端分别处于环境温度和低温(制冷温度)；发动机热声回热器产生的声能流的一部分由声波的主反馈调节回路反馈给发动机热声回热器，形成一个贯穿整个热声回热器的声能流(行波)；制冷机由热声发动机部分提供的声能流一部分提供给热声回热器用于泵热，一部分通过热声回热器和热声谐振管传播到热声发动机部分，形成一个穿透整个制冷机的声能流(行波)；热声发动机与热声制冷机部分共用的声波的主反馈调节回路连接在发动机与制冷机共用的两个环境温度声波导管之间，声波的次反馈调节回路分别连接在发动机和制冷机的热声回热器和热声谐振管之间。

2.按权利要求1所述的热驱动的热声制冷机，其特征是其发动机和制冷机部分的声波导管、热声回热器和热声谐振管由金属管或非金属管制作，其轴线的布置形状可以分别是直线形、U形、弯曲形或部分弯曲形；热声回热器和热声谐振管之间的相对位置可以为同轴和非同轴布置。

3.按权利要求1所述的热驱动的热声制冷机，其特征是其发动机和制冷机部分的热声回热器的内部结构可以是固体薄板(如金属薄板)的叠层结构，板与板之间形成声流道；也可以是采用金属丝网的堆叠形成多孔性声流道或其它类型的固体多孔材料(如颗粒材料)；回热器中，声流道的形状可以是多种多样或同一回热器中采用多种形状的组合；热声回热器可以是直管，也可以采用从低温端向高温端扩张的变截面管，如喇叭形连续扩张，或梯形阶梯式扩张；热声回热器与外热源应有良好的热绝缘。

4.按权利要求1所述的热驱动的热声制冷机，其特征是其发动机和制冷机部分的热声谐振管是一段与外界有良好绝热的，两端分别与一端为高温端(对发动机)或为低温端(对制冷机)，另一端为环境温度端相连的固体管道，它的两端视情形可设有高、低温热声换热器，以维持两端温度恒定；热声谐振管应采用轴向导热性较差的管道，如薄壁金属管或非金属管，或外壁面为金属内壁面为非金属的复合型薄壁管道；热声谐振管的截面形状可以多种多样，沿轴向方向可采用直管，也可以采用从高温端向低温端收缩的变截面管，如喇叭形连续收缩，或梯形阶梯式收缩；热声谐振管的管内可以填充或部分填充或不填充热声回热材料，以改善热声谐振管的轴向温度分布；热声谐振管的两端可设置，也可不设置层流化元件，使热声谐振管管内的流动尽量接近于层流，降低或消除紊流损失。

5.按权利要求1所述的热驱动的热声制冷机，其特征是热声换热器内部的结构可以是采用导热性良好的固体平板(如金属板)的叠层结构，板与板之间形成声流道；也可以采用固体圆管组或整块固体中加工出声通道的结构，还可以采用金属丝网的堆叠形成多孔性声流道或使用其它类型的固体多孔材料；热声换热器中，声流道的形状可以是多种多样，如矩形、圆或椭圆性、三角形、菱形、六角形等；热声换热器的固体介质应有良好的导热性，而固体介质的外壁应与外热源有良好的热接触，以使整个换热器的温度尽量处于等温状态；换热器的长度与声波长相比应较小，以避免同一换热器越出高声导率比区域或低声导率比的区域，使得吸热或放热效应被削减或抵消。

6.按权利要求1所述的热驱动的热声制冷机，其特征是声阻抗调节器有三种基本类型，即声阻、声容和声感调节器。声阻调节器(或声阻尼调节器)可以是一小段细孔管或一小段多孔介质或一个小孔调节阀门(针阀)或其组合；声容抗调节器是在声通道上连接一个较大的空腔；而声感抗调节器一般是声通道上连接一段细长的管道。实际使用时可将这三种基本的调节器单独或通过并联、串联等方式组合使用，以在声路中特定位置获得所需的声振荡，调节一定位置声场的振幅和相位。

7.按权利要求1所述的热驱动的热声制冷机，其特征是其发动机和制冷机部分共用一个声波的主反馈调节回路，它连接在发动机与制冷机共用的两个环境温度声波导管之间；声波的次反馈调节回路可以是一路、两路或多路，分别连接在发动机和制冷机的热声回热器和热声谐振管之间；声波的反馈调节回路由带声阻抗调节器的声波导管构成。

8.按权利要求1所述的热驱动的热声制冷机，其特征是在其发动机或制冷机部分，当热声回热器和热声谐振管之间的相对位置为同轴布置时，旁通的声波反馈调节回路可以是在热声回热器与热声谐振管的共同壁面上，开一个、两个或多个小孔，或将这个共同壁面采用或制作成多孔壁面。