CN1137631A - 新型热声制冷机 - Google Patents

Abstract

一种新型热声制冷机装置，它消耗声能，利用半波谐振或近谐振声场产生的声致冷作用将低温热源的热量输送到高温热源。新型热声制冷机由扬声器1、声波导管2，6，8、换热器3，5、回热器4、谐振管7、声吸收器9、带声阻抗调节器的声波导管或导管组10，11组成。热声制冷机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。在热声制冷机回热机中，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。

Description

新型热声制冷机

本发明涉及一种类型的新型制冷机装置，特别涉及一种利用热声效应中的泵热作用制冷的热声制冷机装置。热声制冷机消耗由电能或机械能等其它形式有功能量转换来的声能，或直接利用声能，通过振荡的可压缩流体工作介质(声)与固体工作介质的热相互作用，将较低温度热源的热量输送到较高温度的热源，从而实现制冷。

目前，已知的热声制冷机如美国专利4,398,398(Wheailey 8/1983)，4,772,201(Hofler 2/1988)所描述。这是一种半波长的热声制冷机(L≈1/2λ，λ为声波长)，它仅利用工作介质的不可逆性和驻波声场产生的热声效应工作，因而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。又如美国专利4,114,380(Ceperley 9/1978)，4,355,517(Ceperley 10/1982)所描述，它们利用行波产生的热声效应工作，这是一种全波长的热声制冷机(L≈λ)，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。

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声制冷机的缺点，最大限度地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制冷机装置，其能源使用电能、机械能转换来的声能、或直接使用声能，其声场采用半波谐振声场(L≈1/2λ)或近谐振声场(1/2λ＜L＜1/4λ)的设计，综合和合理地利用等温壁热声效应和绝热壁热声效应的特点，并同时利用声场的行波部分产生的热声效应和声场的驻波部分产生的热声效应的泵热作用，将热量从低温热源转移到高温热源，实现制冷。

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，而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化分，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。

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(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)的区域，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。制冷时在绝热壁热声效应中，声能被消耗并转换为热能，同时热流由低温端泵送到高温端。

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，制冷时的绝热壁热声效应中，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；4.在温度梯度一定时，声场的驻波部分产生的泵热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，声场的驻波部分不能产生的泵热效应。

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；4.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，声场的行波部分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，在热声制冷机中完成声能、热能的提供、转换、输运等功能。这些基本部件是：

1.声换能器。声换能器是实现电能、机械能、压力能等有功能量与声能的相互转换的部件。如电磁式、活塞式、气流式扬声器等能实现有功能量与声能的转换，为热声制冷机提供能源；电磁振荡式，往复活塞式传声器或发电机可实现声能与电能的转换，往复运动活塞可实现声能与机械能的转换，压缩机阀片组、电磁阀组或旋转阀组等可实现声能于压力能的相互转换等，它们可将热声制冷机中的声能量输出。以下将实现其它有功能量转换为声能换能器统称为扬声器，而将声能转换为其它有功能量换能器统称为传声器。

2.、热声换热器。热声换热器是利用等温壁热声效应实现热声制冷机与外热源的热量交换的部件。放置于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。

3.热声回热器。热声回热器是利用绝热壁热声效应实现热声制冷机的泵热作用和声能与热能的转换的关键部件。它放置于热声制冷机声场中适当位置，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，以便能量转换和泵热得以顺利进行，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(如颗粒材料)。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热声效应产生由高温端向低温端的热输运损失。

4.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，在整个系统中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空容积太大，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。

5.声吸收器(或称消声器)。声吸收器是一种在声场中吸收声功并将其耗散为热能的部件。声吸收器在热声制冷机中的作用是在一些场合用于替代将声能转换为其它形式有功能量的传声器以在热机中适当位置形成较大的行波分量。这里的一些场合是指利用传声器将这些声能转换后所得到的能量较小不值得利用，或利用这部分能量太复杂、不经济，或为了提高系统的简单性和可靠性需要减少运动的机械部件等场合。声吸收器的形式可以多种多样，如小孔声吸收器、Helmholtz共鸣器、多孔材料声吸收器等。声吸收器的声阻部分可以做成可调节形式的，如采用针阀实现声阻的调节。

6.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区的两端以形成声波的反馈调节回路，或用于调节系统的固有频率。

7.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。

本发明所指的热声制冷机是由以上几种基本的声学和热声部件构成。这几种部件不同的选择和组合，形成不同结构特点的热声制冷机。在这里所指的不同的选择和组合，都需要满足这样的条件，即一个热声制冷机至少包括以上几种基本部件；在低温端，热声换热器是从外界的低温热源吸热的；在热声回热器中，声场的行波部分和驻波部分产生的热声效应均是产生泵热作用，即将热量由低温端输送到高温端；在高温端，热声换热器是向外界的高温热源放热的；整个热声制冷机中的声场是半波谐振声场或近谐振声场，声场的谐振靠热声谐振管和声波导管来匹配；声场的行波分量的产生靠传声器或声吸收器将声能转换为其它形式的能量，同时靠带有声阻抗调节器的声反馈回路来实现。

采用上述的设计，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的换能器等不同特点的部件的组合(如要求体积小、重量轻、效率高时，选用电磁活塞或膜片式换能器，采用较高的工作频率；而要求制冷温度较低、制冷量较大时，选用气流式换能器)，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声制冷机装置的布置和工作过程所较详细的说明。

图1是采用单个扬声器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(下同)。

图2是采用传声器替代图1结构中声吸收器的(双驱动)热声制冷机的结构图。

在图1的热声制冷机中，扬声器1(它可以是活塞式或膜片式，气流式等)将其它形式的能量转换成声能在系统中产生声振荡，并以行波形式提供热声效应产生泵热作用所需的声能量。工作于环境温度的高温声波导管2用于传输声振荡和匹配扬声器1的末端声阻抗，使得机械能等得以顺利转换为声能，并使高温热声放热器3工作于低声导率比的区域。同时利用声场的行波部分和驻波部分所产生的热声效应中的泵热作用工作的热声回热器4消耗部分由扬声器1来的部分声功流，使得低温热声吸热器5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泵送到高温端，并由高温热声放热器3向环境放出。工作于低温端的声波导管6实现低温热声吸热器5与热声谐振管7低温端的连接，热声谐振管7用于将声波动由低温端传播到高温端。这里热声谐振管的长度应使其高温端的和低温端的声阻抗得到匹配，使它在低温端工作于高声导率比的区域，在高温端工作于低声导率比的区域。声波导管8用于热声谐振管7和声吸收器9的连接，并用于匹配末端声阻抗和声吸收器9的阻抗，使热声谐振管7的高温端工作于低声导率比的区域，以便声能得以顺利转换和声吸收器的正常工作。声吸收器9用于在系统中将声能耗散为热能，在系统中产生一个贯穿热声回热器4的行波分量。带有声阻抗调节器的声波导管10用于形成声波的主反馈调节回路，以使调节热声回热器中的行波与驻波分量(调节压力波动和速度波动的相位差)和匹配声阻抗使得各个热声部件工作在良好状态。带声阻抗调节器的声波导管或导管组11用于热声回热器4与热声谐振管7中间位置的连接，形成一路或多路的声波的次反馈调节回路，以使得热声回热器4的工作效率得到最佳的发挥。整个热声制冷机从扬声器声源到的声吸收器的长度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，从而实现半波谐振或近谐振声场，总的效果是使得在热声回热器中压力波动的相位超前于速度波动的相位，保证在热声回热器中，声场的行波部分和驻波部分产生的热声效应均是产生泵热作用，即将热量由低温端输送到高温端。

图2是以传声器12替代图1中声吸收器9和声波的主反馈回路10的结构。传声器12(它也可以是活塞式或膜片式，气流式等)将声能转换为其它形式能量输出供利用，或反馈给扬声器1再利用，并在声场中产生一个行波分量，使得在系统中产生一个贯穿热声回热器4的从高温端向低温端的行波分量。这里传声器12与扬声器1应协调工作(可以通过控制扬声器1和传声器12的声波动的相位来实现)，以保证声功流动的方向是由扬声器到传声器，及保证在热声回热器中压力波动的相位超前于速度波动的相位。图中其它部件的作用与图1结构中相应部件的作用相同。

以上所指的热声制冷机中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 (11)

1.一种热声制冷机装置，它消耗声能，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中的声致冷作用将低温热源的热量输送到高温热源；热声制冷机装置由扬声器、室温声波导管、室温热声放热器、热声回热器、低温热声吸热器、低温声波导管、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主反馈调节回路和次反馈调节回路等部件组成；其主要特征是，热声制冷机中的声场是半波谐振或半波近谐振声场，热声制冷机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；热声谐振管的两端分别处于环境温度和低温(制冷温度)，由扬声器提供的声功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声吸收器被吸收或耗散，形成一个贯穿整个制冷机的声功流(行波)；声波的主反馈调节回路连接在扬声器出口的声波导管和声吸收器进口声波导管之间，声波的次反馈调节回路连接在热声回热器和热声谐振管之间。

2.按权利要求1所述的热声制冷机，其特征是扬声器是指实现将电能、机械能、压力能等有功能量转换为声能的部件；如电机驱动、电磁驱动的活塞(膜片)式、气流式扬声器等，它实现有功能量与声能的转换，为热声制冷机提供能源。

3.按权利要求1所述的热声制冷机，其特征是声波导管、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。

4.按权利要求1所述的热声制冷机，其特征是热声回热器内部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(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；热声回热器与外热源应有良好的热绝缘。

5.按权利要求1所述的热声制冷机，其特征是热声谐振管是一段与外界有良好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；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。

6.按权利要求1所述的热声制冷机，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。

7.按权利要求1所述的热声制冷机，其特征是声吸收器的形式可以多种多样，如小孔声吸收器、Helmholtz共鸣器、多孔材料声吸收器等；声吸收器的声阻部分可以做成可调节形式的，如采用针阀实现声阻的调节。

8.按权利要求1所述的热声制冷机，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。

9.按权利要求1所述的热声制冷机，其特征是声波的主反馈调节回路连接在扬声器出口的声波导管和声吸收器进口声波导管之间，声波的次反馈调节回路连接在热声回热器和热声谐振管之间，声波的次反馈调节回路可以是一路、两路或多路；声波的反馈调节回路由带声阻抗调节器的声波导管构成。

10.按权利要求1所述的热声制冷机，其特征是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。

11.按权利要求1所述的热声制冷机，其特征是声吸收器和声波的主反馈回路的结构可以由一个传声器替代；这里传声器是指实现将声能转换为电能、机械能、压力能等有功能量的部件；如电磁振荡式，往复活塞式传声器或发电机可实现声能与电能的转换，往复运动活塞可实现声能与机械能的转换，压缩机阀片组、电磁阀组或旋转阀组等可实现声能与压力能的相互转换等，它们可将热声制冷机中的声能量输出；转换后得到的其它形式有功能量可输出供反馈给扬声器再利用；这里传声器与扬声器应协调工作(可以通过控制扬声器和传声器中的声波动的相位来实现)，以保证声功流动的方向是由扬声器到传声器，及保证在热声回热器中压力波动的相位超前于速度波动的相位。

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