CN117989747A - 气液耦合型热驱动热声制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热声技术领域，公开了一种气液耦合型热驱动热声制冷机，包括热声发动机单元、热声制冷机单元和气液谐振器；气液谐振器包括第一气液谐振管和第二气液谐振管；第一气液谐振管的第一端和第二气液谐振管的第一端分别与热声发动机单元的冷端连通；热声发动机单元的热端和热声制冷机单元的热端连通；热声制冷机单元的冷端和第一气液谐振管的第二端连通。本发明通过气液谐振器进行整机的声场匹配，可实现强化声振荡的同时降低工作频率，不仅起振温度低，而且可提高整机的制冷效率，还可减小各个气液谐振管的长度，降低系统的整体尺寸，提高结构的紧凑性。
Description
技术领域
本发明涉及热声技术领域，尤其涉及一种气液耦合型热驱动热声制冷机。
背景技术
热声技术是一种新型能源转换技术，在太阳能发电或制冷、余热回收利用、天然气液化、深冷制冷等领域具有广阔的应用空间。热声效应是可压缩流体往复振荡过程中和固体介质之间由于热的相互作用而产生的时均能量效应。根据能量转换的方向，热声效应可分为利用热能产生声能的热致声效应和利用声能逆温度梯度泵送热量的声致冷效应。
在环路热驱动热声制冷机中，通常设置有热声发动机单元、热声制冷机单元和气体谐振管，热声发动机单元的热端换热器从外部吸收热量，室温端换热器通过水冷等方式维持在室温温度，从而在热声发动机单元的内部产生温度梯度，当温度梯度达到一定水平时，系统内部会产生自发的热声震荡，在发动机回热器内部实现热能向声功的转化，同时声功会沿着从室温端换热器到热端换热器的方向传播，并进入到热声制冷机单元中被消耗，从而获得冷量，剩余声功则通过环路进行进入下一个热声发动机单元，完成循环。其中，谐振管起到的作用是调节热声发动机单元的出口端和热声制冷机单元的入口端之间的声阻抗匹配。
根据热声发动机单元与热声制冷机单元是否直接相接，环路热驱动热声制冷机可以分为直连型和非直连型两种。由于直连型环路热驱动热声制冷机的热声发动机单元与热声制冷机单元直接相连，热声发动机单元产生的声功直接在热声制冷机单元中消耗，声功损耗小，声功利用率更高，系统性能好。相比于直连型环路热驱动热声制冷机，非直连型环路热驱动热声制冷机的热声发动机单元与热声制冷机单元之间通过可调节的谐振管连接，热声发动机单元的出口端与热声制冷机单元的入口端的声功不是绝对的对应关系，这使得非直连型环路热驱动热声制冷机可实现更为广泛的制冷温度区间。
然而，在实际应用中发现，现有的热驱动热声制冷机通常结构较为复杂，需要配置多个核心单元(热声发动机单元和热声制冷机单元)，存在制冷效率偏低，不便于有效利用太阳能和中低温余热。
发明内容
本发明提供一种气液耦合型热驱动热声制冷机，用以解决现有的热驱动热声制冷机存在结构复杂和制冷效率低的问题。
本发明提供一种气液耦合型热驱动热声制冷机，包括：热声发动机单元、热声制冷机单元和气液谐振器；
所述气液谐振器包括第一气液谐振管和第二气液谐振管；所述第一气液谐振管的第一端和所述第二气液谐振管的第一端分别与所述热声发动机单元的冷端连通；所述热声发动机单元的热端和所述热声制冷机单元的热端连通；所述热声制冷机单元的冷端和所述第一气液谐振管的第二端连通；
所述第一气液谐振管内设有可移动的第一液体谐振子，所述第二气液谐振管内设有可移动的第二液体谐振子；
所述第一液体谐振子的第一端和所述第二液体谐振子的第一端与所述热声发动机单元的冷端之间、所述第一液体谐振子的第二端和所述热声制冷机单元的冷端之间以及所述第二液体谐振子的第二端和所述第二气液谐振管的第二端之间分别形成有谐振气腔。
根据本发明提供的一种气液耦合型热驱动热声制冷机，所述气液谐振器还包括第三气液谐振管；
所述第三气液谐振管的第一端和所述第一气液谐振管连通，以使得所述第一液体谐振子的第三端延伸至所述第三气液谐振管内；所述第一液体谐振子的第三端和所述第三气液谐振管的第二端之间形成有谐振气腔。
根据本发明提供的一种气液耦合型热驱动热声制冷机，还包括：气体谐振管；所述热声发动机单元的热端和所述气体谐振管的第一端连通，所述气体谐振管的第二端和所述热声制冷机单元的热端连通。
根据本发明提供的一种气液耦合型热驱动热声制冷机，还包括：冷却器；所述热声发动机单元的热端通过所述冷却器和所述气体谐振管的第一端连通。
根据本发明提供的一种气液耦合型热驱动热声制冷机，所述热声发动机单元包括发动机室温端换热器、发动机回热器、发动机热端换热器和发动机热缓冲管；
所述发动机室温端换热器、所述发动机回热器、所述发动机热端换热器和所述发动机热缓冲管依次连接，所述发动机室温端换热器远离所述发动机回热器的一端作为所述热声发动机单元的冷端，所述发动机热缓冲管远离所述发动机热端换热器的一端作为所述热声发动机单元的热端。
根据本发明提供的一种气液耦合型热驱动热声制冷机，所述热声制冷机单元包括制冷机室温端换热器、制冷机回热器、制冷机冷端换热器和制冷机热缓冲管；
所述制冷机室温端换热器、所述制冷机回热器、所述制冷机冷端换热器和所述制冷机热缓冲管依次连接，所述制冷机室温端换热器远离所述制冷机回热器的一端作为所述热声制冷机单元的热端，所述制冷机热缓冲管远离所述制冷机冷端换热器的一端作为所述热声制冷机单元的冷端。
根据本发明提供的一种气液耦合型热驱动热声制冷机，所述热声发动机单元、所述热声制冷机单元和所述气液谐振器的所述第一气液谐振管组成环形回路；
所述环形回路中设置有直流抑制件，所述直流抑制件用于阻止所述环形回路中产生直流；所述直流抑制件设于所述热声发动机单元背离所述热声制冷机单元的一侧和所述热声制冷机单元背离所述热声发动机单元的一侧。
根据本发明提供的一种气液耦合型热驱动热声制冷机，所述直流抑制件为弹性阻挡件。
根据本发明提供的一种气液耦合型热驱动热声制冷机，所述弹性阻挡件为弹性膜或非对称流道阻力元件。
根据本发明提供的一种气液耦合型热驱动热声制冷机，所述谐振气腔设置有气体工质，所述气体工质包括氦气、氢气、氮气、氩气、空气、二氧化碳、氙气当中的至少一种。
本发明提供的气液耦合型热驱动热声制冷机，基于热声发动机单元和热声制冷机单元进行气液谐振器的布设，通过将液体谐振子和气体谐振子相结合，以形成新型调相结构，可达到提高系统的声场匹配效果，并且可有效利用液体谐振子的高质量惯性声感和气体谐振子的高可压缩性声容，在强化声振荡的同时降低工作频率，不仅起振温度低，便于实现对太阳能和中低温余热的利用，而且可提高整机的制冷效率，还可减小各个气液谐振管的长度，降低系统的整体尺寸，提高结构的紧凑性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的气液耦合型热驱动热声制冷机的结构示意图之一；
图2是本发明提供的气液耦合型热驱动热声制冷机的结构示意图之二；
附图标记：
1、热声发动机单元；2、热声制冷机单元；3、气液谐振器；4、气体谐振管；5、冷却器；
11、发动机室温端换热器；12、发动机回热器；13、发动机热端换热器；14、发动机热缓冲管；21、制冷机室温端换热器；22、制冷机回热器；23、制冷机冷端换热器；24、制冷机热缓冲管；31、第一气液谐振管；32、第二气液谐振管；33、第三气液谐振管；311、第一液体谐振子；321、第二液体谐振子；301、谐振气腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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-图2，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供的气液耦合型热驱动热声制冷机进行详细地说明。
如图1和图2所示，本实施例提供一种气液耦合型热驱动热声制冷机，包括：热声发动机单元1、热声制冷机单元2和气液谐振器3。
气液谐振器3包括第一气液谐振管31和第二气液谐振管32；第一气液谐振管31的第一端和第二气液谐振管32的第一端分别与热声发动机单元1的冷端连通；热声发动机单元1的热端和热声制冷机单元2的热端连通；热声制冷机单元2的冷端和第一气液谐振管31的第二端连通。
第一气液谐振管31内设有可移动的第一液体谐振子311，第二气液谐振管32内设有可移动的第二液体谐振子321。第一液体谐振子311的第一端和第二液体谐振子321的第一端与热声发动机单元1的冷端之间、第一液体谐振子311的第二端和热声制冷机单元2的冷端之间以及第二液体谐振子321的第二端和第二气液谐振管32的第二端之间分别形成有谐振气腔301，各个谐振气腔301内均设置有气体工质，气体工质包括氦气、氢气、氮气、氩气、空气、二氧化碳、氙气当中的至少一种。
可理解的是，本实施例第一气液谐振管31内存储第一预设体积的液态工质，第一预设体积的液态工质在第一气液谐振管31内以液柱的形式分布，以使得第一气液谐振管31内形成第一液体谐振子311。相应地，第二气液谐振管32内存储第二预设体积的液态工质，第二预设体积的液态工质在第二气液谐振管32内以液柱的形式分布，以使得第二气液谐振管32内形成第二液体谐振子321，液态工质可以为本领域公知的纯净水、液态金属等液体，对此不作具体限定。
由于随着第一液体谐振子311或第二液体谐振子321的移动，各个谐振气腔301的体积会发生改变，谐振气腔301内气体工质的压强也会发生改变，这使得每个存储有气体工质的谐振气腔301相当于形成为气体谐振子，在气体谐振子的弹力作用下，可确保第一液体谐振子311能够沿第一气液谐振管31的延伸方向在第一气液谐振管31内往复移动，以及第二液体谐振子321能够沿第二气液谐振管32的延伸方向在第二气液谐振管32内往复移动。
如图1所示，本实施例的热声发动机单元1包括发动机室温端换热器11、发动机回热器12、发动机热端换热器13和发动机热缓冲管14。发动机室温端换热器11、发动机回热器12、发动机热端换热器13和发动机热缓冲管14依次连接，发动机室温端换热器11远离发动机回热器12的一端作为热声发动机单元1的冷端，发动机热缓冲管14远离发动机热端换热器13的一端作为热声发动机单元1的热端。
与此同时，热声制冷机单元2包括制冷机室温端换热器21、制冷机回热器22、制冷机冷端换热器23和制冷机热缓冲管24；制冷机室温端换热器21、制冷机回热器22、制冷机冷端换热器23和制冷机热缓冲管24依次连接，制冷机室温端换热器21远离制冷机回热器22的一端作为热声制冷机单元2的热端，制冷机热缓冲管24远离制冷机冷端换热器23的一端作为热声制冷机单元2的冷端。
其中，热声发动机单元1和热声制冷机单元2既可以设置成直连型结构，也可以设置成非直连型结构，对此不做具体限定。
在实际应用中，可以采用太阳能、中低温余热等外部热源对热声发动机单元1的发动机热端换热器13加热，并通过风冷、水冷等换热方式控制发动机室温端换热器11维持在室温温度，从而使得热声发动机单元1的内部产生温度梯度，当温度梯度达到一定水平时，系统内部会产生自发的热声震荡，在发动机回热器12的内部实现热能向声功的转化，同时声功会沿着从发动机室温端换热器11到发动机热端换热器13的方向传播，并进入到热声制冷机单元2中被消耗，不断地将热量从制冷机冷端换热器23输送至制冷机室温端换热器21，从而可通过制冷机冷端换热器23获得冷量，剩余的声功则通过第一液体谐振子311进行回收，并在经过第二液体谐振子321对整机的谐振频率进行调节后，重新进入至热声发动机单元1，以此循环往复工作。
由于传统的热声制冷机通常采用气体谐振管进行声阻抗匹配，相比于液体工质而言，气体谐振管内气体工质的分子质量小，导致气体工质的声速偏高，进而导致系统的频率和起振温度较高，气体谐振管设置的长度偏大，整机的制冷效率偏低。
相比而言，本发明基于热声发动机单元1和热声制冷机单元2进行气液谐振器3的布设，通过将液体谐振子和气体谐振子相结合，以形成新型调相结构，可达到提高系统的声场匹配效果，并且可有效利用液体谐振子的高质量惯性声感和气体谐振子的高可压缩性声容，在强化声振荡的同时降低工作频率，不仅起振温度低，便于实现对太阳能和中低温余热的利用，而且可提高整机的制冷效率，还可减小各个气液谐振管的长度，降低系统的整体尺寸，提高结构的紧凑性。
在此应指出的是，本发明基于液体谐振子和气体谐振子形成的新型调相结构，可减少热声核心单元(包括热声发动机单元1和热声制冷机单元2)设置的数量，可将热声核心单元设置的数量减少为一个，通过合理调节第一气液谐振管31和第二气液谐振管32的长度、直径和气体工质和液体工质的比例，实现360°的相位调节，以使得整机在热声核心单元减少至1个时仍能高效稳定地工作。
在一些实施例中，为了进一步提高整机工作的稳定性，本实施例的气液谐振器3还包括第三气液谐振管33。
第三气液谐振管33的第一端和第一气液谐振管31连通，以使得第一液体谐振子311的第三端延伸至第三气液谐振管33内；第一液体谐振子311的第三端和第三气液谐振管33的第二端之间形成有谐振气腔301。
具体地，本实施例的第一气液谐振管31包括第一管体段、第二管体段和第三管体段，第一管体段、第二管体段和第三管体段依次连通，第一管体段远离第二管体段的一端和热声发动机单元1的冷端连通，第三管体段远离第二管体段的一端和热声制冷机单元2的冷端连通，第三管体段靠近第二管体段的一端和第三气液谐振管33的第一端连通。
其中，第一气液谐振管31和第二气液谐振管32分别可形成为U型管，第三气液谐振管33和第一气液谐振管31的第三管体段可组合为U型管，从而有利于确保第一液体谐振子311和第二液体谐振子321在气液谐振器3相对应的管道内均能较好地分布。
如图1所示，本实施例的热声发动机单元1和热声制冷机单元2设置成直连型结构。如图2所示，本实施例的热声发动机单元1和热声制冷机单元2设置成非直连型结构。
在热声发动机单元1和热声制冷机单元2设置成非直连型结构的情形下，本实施例的热声制冷机还设置有气体谐振管4；热声发动机单元1的热端和气体谐振管4的第一端连通，气体谐振管4的第二端和热声制冷机单元2的热端连通。
在非直连型结构中，由于热声发动机单元1和热声制冷机单元2不再直接连通，而是通过可调节的气体谐振管4连通，热声发动机单元1的出口端与热声制冷机单元2的入口端的声功不再是绝对的对应关系，因此本实施例的热声制冷机可实现的制冷温区更加广泛。
在一些实施例中，如图2所示，本实施例的热声制冷机还可设置冷却器5；热声发动机单元1的热端通过冷却器5和气体谐振管4的第一端连通。
具体的，本实施例的冷却器5具体可以采用水冷换热器，通过冷却器5可带走从热声发动机单元1的发动机热缓冲管14输出的余热，可在确保整机正常工作的前提下，尽可能减小气体谐振管4设置的长度，从而实现整机的紧凑性设计。
基于上述实施例所示的方案，本实施例的热声发动机单元1、热声制冷机单元2和气液谐振器3的第一气液谐振管31组成环形回路。
其中，环形回路中设置有直流抑制件，直流抑制件用于阻止环形回路中产生直流；直流抑制件设于热声发动机单元1背离热声制冷机单元2的一侧和热声制冷机单元2背离热声发动机单元1的一侧，以实现全方位地抑制直流现象，防止液体溅出影响机器性能，提高系统的制冷效率。
进一步地，本实施例的直流抑制件可以为弹性阻挡件。其中，弹性阻挡件为弹性膜或非对称流道阻力元件。
由上可知，本实施例所示的热声制冷机通过将热声发动机单元和热声制冷机单元的数量降低至一个，降低了系统的复杂程度，提高了系统的稳定性；同时采用气液谐振器代替传统的气体谐振管，一方面能实现更好的声场匹配，使核心单元数量减少至1个时系统仍能高效稳定地工作；同时在强化声振荡的同时降低工作频率，提高制冷效率；此外采用气液谐振器，会大大缩减现有热声制冷机中气体谐振管的长度，降低系统的整体尺寸，提高结构的紧凑性，实现在热驱动热声制冷机中不需设置机械运动部件，并具有稳定性高、环境友好等优点。
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)
1.一种气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，包括：热声发动机单元、热声制冷机单元和气液谐振器；
所述气液谐振器包括第一气液谐振管和第二气液谐振管；所述第一气液谐振管的第一端和所述第二气液谐振管的第一端分别与所述热声发动机单元的冷端连通；所述热声发动机单元的热端和所述热声制冷机单元的热端连通；所述热声制冷机单元的冷端和所述第一气液谐振管的第二端连通；
所述第一气液谐振管内设有可移动的第一液体谐振子，所述第二气液谐振管内设有可移动的第二液体谐振子；
所述第一液体谐振子的第一端和所述第二液体谐振子的第一端与所述热声发动机单元的冷端之间、所述第一液体谐振子的第二端和所述热声制冷机单元的冷端之间以及所述第二液体谐振子的第二端和所述第二气液谐振管的第二端之间分别形成有谐振气腔。
2.根据权利要求1所述的气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，所述气液谐振器还包括第三气液谐振管；
所述第三气液谐振管的第一端和所述第一气液谐振管连通，以使得所述第一液体谐振子的第三端延伸至所述第三气液谐振管内；所述第一液体谐振子的第三端和所述第三气液谐振管的第二端之间形成有谐振气腔。
3.根据权利要求1所述的气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，还包括：气体谐振管；
所述热声发动机单元的热端和所述气体谐振管的第一端连通，所述气体谐振管的第二端和所述热声制冷机单元的热端连通。
4.根据权利要求3所述的气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，还包括：冷却器；所述热声发动机单元的热端通过所述冷却器和所述气体谐振管的第一端连通。
5.根据权利要求1至4任一项所述的气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，所述热声发动机单元包括发动机室温端换热器、发动机回热器、发动机热端换热器和发动机热缓冲管；
所述发动机室温端换热器、所述发动机回热器、所述发动机热端换热器和所述发动机热缓冲管依次连接，所述发动机室温端换热器远离所述发动机回热器的一端作为所述热声发动机单元的冷端，所述发动机热缓冲管远离所述发动机热端换热器的一端作为所述热声发动机单元的热端。
6.根据权利要求5所述的气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，所述热声制冷机单元包括制冷机室温端换热器、制冷机回热器、制冷机冷端换热器和制冷机热缓冲管；
所述制冷机室温端换热器、所述制冷机回热器、所述制冷机冷端换热器和所述制冷机热缓冲管依次连接，所述制冷机室温端换热器远离所述制冷机回热器的一端作为所述热声制冷机单元的热端，所述制冷机热缓冲管远离所述制冷机冷端换热器的一端作为所述热声制冷机单元的冷端。
7.根据权利要求1至4任一项所述的气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，所述热声发动机单元、所述热声制冷机单元和所述气液谐振器的所述第一气液谐振管组成环形回路；
所述环形回路中设置有直流抑制件，所述直流抑制件用于阻止所述环形回路中产生直流；所述直流抑制件设于所述热声发动机单元背离所述热声制冷机单元的一侧和所述热声制冷机单元背离所述热声发动机单元的一侧。
8.根据权利要求7所述的气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，所述直流抑制件为弹性阻挡件。
9.根据权利要求8所述的气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，所述弹性阻挡件为弹性膜或非对称流道阻力元件。
10.根据权利要求1至4任一项所述的气液耦合型热驱动热声制冷机，其特征在于，所述谐振气腔设置有气体工质，所述气体工质包括氦气、氢气、氮气、氩气、空气、二氧化碳、氙气当中的至少一种。
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| CN202211366235.3A CN117989747A (zh) | 2022-10-31 | 2022-10-31 | 气液耦合型热驱动热声制冷机 |
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