CN115031434B - 热声自循环换热器的回热式制冷系统及制冷机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热声自循环换热器的回热式制冷系统及制冷机构，包括外壳和制冷单元，外壳内设有动力单元，动力单元包括直线压缩机和与直线压缩机连接的动力活塞，直线压缩机用于驱动动力活塞沿外壳轴线方向往复运动产生压力波；制冷单元包括设于外壳内的室温换热器和与室温换热器相连接的回热器，外壳在回热器背离室温换热器一侧形成有膨胀腔；制冷单元包括设于外壳外的热声自循环换热机构，热声自循环换热机构包括循环管路和设于循环管路上的冷端换热器，循环管路的两个连接端分别与外壳在膨胀腔的相对两端相连接，且循环管路与膨胀腔连通；循环管路上设有压差调节机构，用于使制冷工质在循环管路中产生单向的时均质量流。如此满足大冷量需求。

Description

热声自循环换热器的回热式制冷系统及制冷机构

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种热声自循环换热器的回热式制冷系统及制冷机构。

背景技术

随着科学技术的发展以及工农业生产的需要，近年来回热式制冷机获得迅速发展，并广泛应用于低温电子、红外器件、超导滤波、核磁成像以及强电超导等前沿领域。相比于采用间壁式换热的Claude循环和逆布雷顿循环制冷机，回热式制冷机基于斯特林循环，依靠可压缩流体工质的周期性振荡与回热器填料间的有限热相互作用，从而实现从低温端泵热，理论上可达到卡诺循环效率，具有结构紧凑、效率高、可靠性高等优点。目前研究较多的回热式制冷机主要包括热声制冷机、斯特林制冷机以及脉管制冷机，它们都属于广义的“热声热机”，即基于热声效应中的声致冷效应实现声能(机械能的一种)到热能的转换，从而达到制冷效果。

在回热式制冷机中，室温换热器、回热器以及冷端换热器紧凑地布置在同一轴线上，这使得回热式制冷机具有结构紧凑的优点，但同时也导致了提取冷量较为困难。尤其是大部分应用场景中都需要远程传热，因此必须增加一个额外的循环回路进行传热。同时交变流动换热器以进出口效应为主，功率的增长难以通过增长轴向长度实现，在大冷量制冷时容易出现换热面积不足的问题。

现有的制冷机采用重力型分离式热管的结构形式，管道内部采用沸点与所需制冷温度相近的气体工质，系统运行时外回路的工质在自由活塞斯特林制冷机的冷端换热器处降温冷凝成为液体，冷凝液在重力作用下沿着液体下降管流至外部换热器中对冷量进行利用并在此过程中吸热蒸发为蒸汽，气态工质又沿着管道上升回到冷端换热器中重新放热冷凝为液体，由此循环完成冷量的提取及应用。但这种应用方式的特点是以液体重力作为循环驱动力，驱动力大小有限且对系统摆放位置要求十分苛刻，必须将制冷机布置在比外部换热器高的位置，同时两者高度差应随着冷量传输距离的增加而增加。此外，当冷量需求较大时，这种结构形式下制冷机的冷端换热器受限于交变流动换热的特性而不宜设计为尺寸过大、长度过长，导致冷端换热器的传热能力无法满足大冷量需求。

发明内容

本发明实施例提供一种热声自循环换热器的回热式制冷系统，用以解决现有技术中系统布置要求高、环路复杂且无法满足大冷量需求的技术问题。

本发明实施例提供一种热声自循环换热器的回热式制冷系统，包括：外壳，内设有动力单元，所述动力单元包括直线压缩机和与所述直线压缩机连接的动力活塞，所述直线压缩机用于驱动所述动力活塞沿所述外壳轴线方向往复运动产生压力波；

制冷单元，包括设于所述外壳内的室温换热器和与所述室温换热器相连接的回热器，所述外壳在所述回热器背离所述室温换热器一侧形成有膨胀腔；

所述制冷单元还包括设于所述外壳外的热声自循环换热机构，所述热声自循环换热机构包括循环管路和设于所述循环管路上的冷端换热器，所述循环管路的两个连接端分别与所述外壳在所述膨胀腔的相对两端相连接，且所述循环管路与所述膨胀腔连通；其中，

所述循环管路上还设有压差调节机构，用于使制冷工质在所述循环管路中产生单向的时均质量流。

根据本发明一个实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统，所述压差调节机构为至少一个单向调节阀，所述单向调节阀中的至少一者设于所述膨胀腔与所述冷端换热器的入口端之间。

根据本发明一个实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统，所述单向调节阀的数量为两个且分设于所述冷端换热器的相对两侧；

所述膨胀腔流出的制冷工质经所述单向调节阀中的一者流向所述冷端换热器的入口端；所述冷端换热器的出口端经所述单向调节阀中的另一者流回所述膨胀腔。

根据本发明一个实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统，所述压差调节机构为至少一个调节管，所述调节管中的至少一者设于所述膨胀腔与所述冷端换热器的入口端之间。

根据本发明一个实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统，所述调节管的数量为两个，分别为第一调节管和第二调节管，所述第一调节管和所述第二调节管分设于所述冷端换热器的相对两侧；

制冷工质流经所述第一调节管和所述第二调节管的相对两侧时，所述第一调节管和所述第二调节管的相对两侧存在压降差并产生时均直流。

根据本发明一个实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统，所述循环管路包括第一管路和第二管路，所述第一管路设于所述膨胀腔与所述冷端换热器入口端之间，所述第二管路设于所述冷端换热器出口端与所述膨胀腔之间，所述第一调节管设于所述第一管路上，所述第二调节管设于所述第二管路上；

所述第一调节管从靠近所述膨胀腔一侧至所述冷端换热器入口端的方向上横截面尺寸递减，且所述第一调节管靠近所述冷端换热器入口端一侧与所述第一管路之间形成节口；

所述第二调节管从靠近所述冷端换热器出口端至所述膨胀腔的方向上横截面尺寸递减，且所述第二调节管靠近所述膨胀腔一侧与所述第二管路之间形成节口。

根据本发明一个实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统，所述第一调节管靠近所述冷端换热器的入口端一侧沿其轴线方向上的横截面尺寸小于所述第一管路沿其轴线方向上的横截面尺寸；

所述第二调节管靠近所述膨胀腔一侧沿其轴线方向上的横截面尺寸小于所述第二管路沿其轴线方向上的横截面积尺寸。

根据本发明一个实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统，所述循环管路的长度为所述制冷单元工作气体波长的整数倍。

根据本发明一个实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统，所述循环管路与所述膨胀腔的连接端为体积流率滞止点。

本发明实施例还提供一种制冷机构，包括：上述的热声自循环换热器的回热式制冷系统。

本发明实施例提供的热声自循环换热器的回热式制冷系统，循环管路与膨胀腔连通，压差调节机构可以使得循环管路中产生稳定的质量流，从而达到换热的目的。也即通过制冷单元自身的工作气体进行循环，不需要依靠重力或其他额外的驱动部件，由此省去了额外的换热回路，降低了系统的复杂程度。同时，冷端换热器设于外壳外，不受整机影响，如此根据不同冷量要求可以选择不同结构形式的冷端换热器，而且，系统各部件可以根据实际需要进行布置，而不用考虑高度差，适应性更广。

本发明实施例提供的制冷机构，包括上述的热声自循环换热器的回热式制冷系统，如此具备热声自循环换热器的回热式制冷系统所具有的所有有益效果，在此不做赘述。

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为本发明实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的热声自循环换热器的回热式制冷系统另一实施例的结构示意图；

附图标记：

10、外壳；110、动力单元；1110、直线压缩机；1120、动力活塞；

20、制冷单元；210、室温换热器；220、回热器；230、膨胀腔；240、热声自循环换热机构；2410、循环管路；2411、第一管路；2412、第二管路；2420、冷端换热器；250、压差调节机构；2510、单向调节阀；2520、调节管；2521、第一调节管；2522、第二调节管。

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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

下面结合图1至图2，本发明实施例提出保护一种制冷机构，制冷机构包括热声自循环换热器的回热式制冷系统。

在本发明的一些实施例中，热声自循环换热器的回热式制冷系统包括外壳10和制冷单元20，外壳10内设有动力单元110，动力单元110包括直线压缩机1110和与直线压缩机1110连接的动力活塞1120，直线压缩机1110用于驱动动力活塞1120沿外壳10轴线方向往复运动产生压力波；制冷单元20包括设于外壳10内的室温换热器210和与室温换热器210相连接的回热器220，外壳10在回热器220背离室温换热器210一侧形成有膨胀腔230；制冷单元20还包括设于外壳10外的热声自循环换热机构240，热声自循环换热机构240包括循环管路2410和设于循环管路2410上的冷端换热器2420，循环管路2410的两个连接端分别与外壳10在膨胀腔230的相对两端相连接，且循环管路2410与膨胀腔230连通；其中，循环管路2410上还设有压差调节机构250，用于使制冷工质在循环管路2410中产生单向的时均质量流。

需要说明的是，循环管路2410与膨胀腔230连通，压差调节机构250可以使得循环管路2410中产生稳定的质量流，从而达到换热的目的。也即，通过制冷单元20自身的工作气体进行循环，不需要依靠重力或其他额外的驱动部件，由此省去了额外的换热回路，降低了系统的复杂程度。同时，冷端换热器2420设于外壳10外，不受整机影响，如此根据不同冷量要求可以选择不同结构形式的冷端换热器2420，而且，系统各部件可以根据实际需要进行布置，而不用考虑高度差，适应性更广。

在本发明的一些实施例中，压差调节机构250为至少一个单向调节阀2510，单向调节阀2510中的至少一者设于膨胀腔230与冷端换热器2420的入口端之间。

例如，单向调节阀2510可以为单向阀，单向阀的作用是为了在循环管路2410中形成单向的通路，进而循环管路2410中便可以产生单向的时均质量流。

具体地，单向调节阀2510的数量为两个且分设于冷端换热器2420的相对两侧；膨胀腔230流出的制冷工质经单向调节阀2510中的一者流向冷端换热器2420的入口端；冷端换热器2420的出口端经单向调节阀2510中的另一者流回膨胀腔230。

也即，单向阀的通路方向与膨胀腔230至冷端换热器2420入口端的方向以及冷端换热器2420出口端至膨胀腔230的方向同向。如此利用两个单向阀的单向导通性，可以使得系统内的工作气体在循环管路2410中产生稳定的时均质量流，从而达到换热的目的。通过制冷单元20自身的工作气体进行循环，不需要依靠重力或者其他额外驱动部件，例如泵等，由此省去了额外的换热回路，降低了系统的复杂程度，同时，系统各部件还可以根据实际应用需求进行布置，而不用考虑高度差，换热效果也不会受限于高度差而无法实现很好的换热目的。冷端换热器2420设于外壳10外部，可以设计成任意结构形成以满足不同场景以及不同冷量的应用需求。

在本发明的再一些实施例中，压差调节机构250为至少一个调节管2520，调节管2520中的至少一者设于膨胀腔230与冷端换热器2420的入口端之间。

具体地，调节管2520的数量为两个，分别为第一调节管2521和第二调节管2522，第一调节管2521和第二调节管2522分设于冷端换热器2420的相对两侧；制冷工质流经第一调节管2521和第二调节管2522的相对两侧时，第一调节管2521和第二调节管2522的相对两侧存在压降差并产生时均直流。

在本发明的一些实施例中，循环管路2410包括第一管路2411和第二管路2412，第一管路2411设于膨胀腔230与冷端换热器2420入口端之间，第二管路2412设于冷端换热器2420出口端与膨胀腔230之间，第一调节管2521设于第一管路2411上，第二调节管2522设于第二管路2412上；第一调节管2521从靠近膨胀腔230一侧至冷端换热器2420入口端的方向上横截面尺寸递减，且第一调节管2521靠近冷端换热器2420入口端一侧与第一管路2411之间形成节口；第二调节管2522从靠近冷端换热器2420出口端至膨胀腔230的方向上横截面尺寸递减，且第二调节管2522靠近膨胀腔230一侧与第二管路2412之间形成节口。

膨胀腔230侧流出的制冷工质，经第一管路2411流至冷端换热器2420的入口端，然后换热后从冷端换热器2420的出口端流至膨胀腔230。其中，在第一管路2411中第一调节管2521两侧形成气压差并使得制冷工质的流向从膨胀腔230至冷端换热器2420的入口端。同理，在第二管路2412中，第二调节管2522两侧形成压力差并使得制冷工质的流向从冷端换热器2420的出口端至膨胀腔230。

对于节口的形成方式，第一调节管2521靠近冷端换热器2420的入口端一侧沿其轴线方向上的横截面尺寸小于第一管路2411沿其轴线方向上的横截面尺寸；第二调节管2522靠近膨胀腔230一侧沿其轴线方向上的横截面尺寸小于第二管路2412沿其轴线方向上的横截面积尺寸。

具体地，第一调节管2521与第一管路2411一体设置，且第一调节管2521沿其轴线方向横截面尺寸递减，在靠近冷端换热器2420一侧与第一管路2411之间的横截面发生突变形成节口。节口的两侧形成压差，也即靠近膨胀腔230一侧的气压大于靠近冷端换热器2420一侧的气压，如此气体在流经过程中，遵循高压至低压的流向，使得经过第一调节管2521的气体流向均流至冷端换热器2420进口端。同理，第二调节管2522与第二管路2412一体设置，且第二调节管2522沿其轴线方向横截面尺寸递减，且在靠近膨胀腔230一侧与第二管路2412之间形成节口。节口两侧形成压差，也即靠近冷端换热器2420一侧的气压高于靠近膨胀腔230一侧的气压，如此气体在流经第二调节管2522时，遵循高压至低压的流向，使得气体从冷端换热器2420出口端一侧流至膨胀腔230。

节口处不对称性的结构使得流体沿着不同方向流过时会产生不同的压降，而且循环管路2410中的工作气体处于往复振荡状态，因此时均流动上会产生沿着单方向流动的稳定的压降差，如此在循环管路2410中产生时均质量流用于传输冷量。

在本发明的一些实施例中，循环管路2410的长度为制冷单元20工作气体波长的整数倍。进一步地，循环管路2410与膨胀腔230的连接端为体积流率滞止点。

需要说明的是，根据声学振荡特性的要求，自循环换热器的换热环路总长度为制冷单元20内工作气体波长的整数倍，以使得循环环路连接膨胀腔230的两个端口处于体积流率滞止点，从而更好地减小循环环路对制冷单元20内部交流流动的影响。

此外，当不需要过长的传输距离时，循环管路2410的长度也可以为工作波长的二分之一，如此需要增加冷端换热器2420的空容积，进而实现接近全波长循环管路2410的效果。或者当传输距离更短时，也可以将循环管路2410设计为更短，此时循环管路2410增加了制冷机构的无效容积，制冷机的制冷性能有所下降，但是也在本发明所保护的范围内。

在本发明的一些实施例中，动力单元110还包括板弹簧、调相器等其他结构，工作时，在外电路施加交变电压，设于动力活塞1120上的永磁体与线圈的耦合磁场可产生轴向力，在板弹簧、气体弹簧以及机械阻尼等的共同作用下，驱动动力活塞1120做直线往复运动，从而产生声功并在冷端换热器2420实现制冷降温。也即，直线压缩机1110利用交流电在线圈内感应出交变磁场，推动动力活塞1120做直线运动，产生压力波，将电能转化为声波形式的机械能，声波进入制冷单元20后，使工作气体在膨胀腔230侧膨胀吸热，携带热量的工作气体经过回热器220至室温换热器210散发至外部环境中，产生制冷效果。具体的制冷过程属于本领域技术人员熟知的技术手段，在此不做赘述。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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)

1.一种热声自循环换热器的回热式制冷系统，其特征在于，包括：

外壳，内设有动力单元，所述动力单元包括直线压缩机和与所述直线压缩机连接的动力活塞，所述直线压缩机用于驱动所述动力活塞沿所述外壳轴线方向往复运动产生压力波；

制冷单元，包括设于所述外壳内的室温换热器和与所述室温换热器相连接的回热器，所述外壳在所述回热器背离所述室温换热器一侧形成有膨胀腔；

所述制冷单元还包括设于所述外壳外的热声自循环换热机构，所述热声自循环换热机构包括循环管路和设于所述循环管路上的冷端换热器，所述循环管路的两个连接端分别与所述外壳在所述膨胀腔的相对两端相连接，且所述循环管路与所述膨胀腔连通；其中，

所述循环管路上还设有压差调节机构，用于使制冷工质在所述循环管路中产生单向的时均质量流；

所述压差调节机构包括第一调节管；

所述循环管路包括第一管路，所述第一管路设于所述膨胀腔与所述冷端换热器入口端之间，所述第一调节管设于所述第一管路上，所述第一调节管从靠近所述膨胀腔一侧至所述冷端换热器入口端的方向上横截面尺寸递减，且所述第一调节管靠近所述冷端换热器入口端一侧与所述第一管路之间形成节口。

2.根据权利要求1所述的热声自循环换热器的回热式制冷系统，其特征在于，所述压差调节机构为至少一个单向调节阀，所述单向调节阀中的至少一者设于所述膨胀腔与所述冷端换热器的入口端之间。

3.根据权利要求2所述的热声自循环换热器的回热式制冷系统，其特征在于，所述单向调节阀的数量为两个且分设于所述冷端换热器的相对两侧；

所述膨胀腔流出的制冷工质经所述单向调节阀中的一者流向所述冷端换热器的入口端；所述冷端换热器的出口端经所述单向调节阀中的另一者流回所述膨胀腔。

4.根据权利要求1所述的热声自循环换热器的回热式制冷系统，其特征在于，所述压差调节机构为至少一个调节管，所述调节管中的至少一者设于所述膨胀腔与所述冷端换热器的入口端之间。

5.根据权利要求4所述的热声自循环换热器的回热式制冷系统，其特征在于，所述调节管的数量为两个，分别为第一调节管和第二调节管，所述第一调节管和所述第二调节管分设于所述冷端换热器的相对两侧；

制冷工质流经所述第一调节管和所述第二调节管的相对两侧时，所述第一调节管和所述第二调节管的相对两侧存在压降差并产生时均直流。

6.根据权利要求5所述的热声自循环换热器的回热式制冷系统，其特征在于，所述循环管路包括第一管路和第二管路，所述第一管路设于所述膨胀腔与所述冷端换热器入口端之间，所述第二管路设于所述冷端换热器出口端与所述膨胀腔之间，所述第一调节管设于所述第一管路上，所述第二调节管设于所述第二管路上；

所述第一调节管从靠近所述膨胀腔一侧至所述冷端换热器入口端的方向上横截面尺寸递减，且所述第一调节管靠近所述冷端换热器入口端一侧与所述第一管路之间形成节口；

所述第二调节管从靠近所述冷端换热器出口端至所述膨胀腔的方向上横截面尺寸递减，且所述第二调节管靠近所述膨胀腔一侧与所述第二管路之间形成节口。

7.根据权利要求6所述的热声自循环换热器的回热式制冷系统，其特征在于，所述第一调节管靠近所述冷端换热器的入口端一侧沿其轴线方向上的横截面尺寸小于所述第一管路沿其轴线方向上的横截面尺寸；

所述第二调节管靠近所述膨胀腔一侧沿其轴线方向上的横截面尺寸小于所述第二管路沿其轴线方向上的横截面积尺寸。

8.根据权利要求1所述的热声自循环换热器的回热式制冷系统，其特征在于，所述循环管路的长度为所述制冷单元工作气体波长的整数倍。

9.根据权利要求1所述的热声自循环换热器的回热式制冷系统，其特征在于，所述循环管路与所述膨胀腔的连接端为体积流率滞止点。

10.一种制冷机构，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的热声自循环换热器的回热式制冷系统。