CN1297789C - 多级声波制冷机 - Google Patents

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Abstract

一种多级声波制冷机，包括壳体和设置在壳体一侧的扬声器，在壳体内扬声器的声波传输通道内还设置有由热端换热器、板叠和冷端换热器组成的声制冷元件，声制冷元件均设置在位于扬声器产生声波的四分之一波长压力波腹与波节之间，且各声制冷元件的热端换热器、板叠和冷端换热器依次沿波腹指向波节的方向布置，第一级声制冷元件的冷端换热器和第二级声制冷元件的热端换热器通过微型泵相连通。本发明将上一个声制冷元件冷端换热器获得的低温和冷量作为下一个声制冷元件热端换热器的冷却量，从而实现了单一声源驱动下，多级声波制冷的目的，获得更低的制冷温度。

Description

多级声波制冷机
技术领域
本发明属于气体制冷与低温领域，特别涉及一种适用于各种类型的制冷与低温环境获取的多级声波制冷机。
背景技术
随着全球环保意识的增强和高新技术的快速发展，对制冷行业提出了更多、更严格的要求。一方面常规蒸气压缩式制冷循环大量采用氯基有机物，从而造成臭氧空洞和温室效应，严重影响到全球气候和生活环境；另一方面随着高温超导体的发现和高速高密电子集成电路的发展，对常规制冷方式也提出了挑战。如果没有与之相适应的灵活、可靠和高效的制冷技术的出现，电子学、电光学、远距离光导通讯和计算机技术的发展都将受到制约和影响。尤其是某些制冷工质被禁用的法案出台，要求我们必须尽快找到新的环保型制冷工质和新的制冷方法，来解决日益严重的环境污染问题和电子器件高热流密度的问题。
目前，国际上所采用的声波制冷机的结构特点通常为单声波发生器驱动的单级制冷系统，例如美国专利US 4722201“Acoustic Cooling Engine”中比较详细的描述了该类单级声波制冷机的结构特点，在单一的声源驱动下，由布置在谐振管中单一制冷系统(包括热端换热器、板叠、冷端换热器所构成)产生单级制冷效果；日本专利JP2000337724“Acoustic Refrigeration System”中同样描述了单声源驱动的单级制冷系统的结构特点；日本专利JP8014679“ThermoacousticFreezing Cycle and Cooling Device”中同样描述了单声源驱动的四分之一波长的单级制冷系统的结构特点；美国专利US4489553“Intrinsically Irreversible HeatEngine”中描述了单一声源驱动下的单级制冷系统；由于上述专利中均涉及的是单级制冷系统，由于单级声波制冷系统受到结构和工况的约束，无法获得更低的制冷温度，这样限制了其在低温领域的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种利用高频扬声器或低品质噪音形成驻波特点的多级声波制冷机。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括壳体和设置在壳体一侧的扬声器，在壳体内扬声器的声波传输通道内还设置有由热端换热器、板叠和冷端换热器组成的声制冷元件，其特点是声制冷元件均设置在位于扬声器产生声波的四分之一波长的压力波腹与波节之间，且各声制冷元件的热端换热器、板叠和冷端换热器依次沿波腹指向波节的方向布置，第一级声制冷元件的冷端换热器和第二级声制冷元件的热端换热器通过微型泵相连通。
本发明的另一特点是：相连通的第一级声制冷元件的冷端换热器和第二级声制冷元件的热端换热器相向布置；各声制冷元件之间还设置有谐振管。
本发明的各声制冷元件均设置在位于扬声器四分之一波长的压力波腹与波节之间，且各声制冷元件的热端换热器、板叠和冷端换热器依次沿波腹指向波节的方向布置，同时将两个声制冷元件的冷端换热器相连，将上一个声制冷元件冷端换热器获得的低温和冷量作为下一个声制冷元件热端换热器的冷却量，从而实现了单一声源驱动下，多级声波制冷的目的，获得更低的制冷温度。
附图说明
图1是本发明利用热声效应实现制冷过程的基本原理图；
图2是本发明驻波场中压力与速度沿管程的分布关系和单个微元的位置变化图，图中横坐标X表示管的长度，纵坐标表示某时刻的压力与速度的幅值，其中实线为某一时刻沿谐振管长度方向上的压力和速度的分布情况，虚线为该驻波场中压力和速度的最大幅值沿管程的分布情况，同时根据驻波场的特点，把单个波长的驻波管分为4个四分之一波长段，即图中所示的A、B、C、D四个部分。
图3是本发明依据图2中所示的四个四分之一波长的任意微团的压力与速度的时间变化关系，其中图3A是第一段四分之一波长，即A段任意微团的压力与速度的时间变化关系图，图3B是第二段四分之一波长，即B段任意微团的压力与速度的时间变化关系图，图3C是第三段四分之一波长，即C段任意微团的压力与速度的时间变化关系图，图3D是第四段四分之一波长，即D段任意微团的压力与速度的时间变化关系图。
图4是本发明的整体结构图；
图5是本发明中声制冷元件7的整体结构图；
图6a是本发明双级声波制冷机的沿管长方向的温度分布图，图6b是本发明的整体结构示意图；
图7是本发明的另一实施案例的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，本发明依据热声效应原理，利用声场中的固体介质和振荡流体间的相互作用，使距固体壁面一定范围内沿着声传播方向产生一个时均热流，并在这个区域内吸收声功。其制冷过程如下：1)设微团在位置1时的温度为T1，从1到2的绝热压缩过程中，其温度从T1升高到T2；2)此时，如果微团温度高于平板温度Th，则微团换热给平板(过程2-3)，温度变为T3；3)接着，微团从3绝热膨胀向4运动，到达4时的温度变为T4；4)如果此时微团温度低于平板温度T1，则微团从平板吸热(过程4-1)，温度变为T1，从而完成一个热力循环；5)然后，再次从1点开始重复上述循环。
了解了声波制冷的基本原理后，接下来，根据驻波声场的基本理论和特性，对驻波场内的制冷过程进行宏观分析。先以一个波长的驻波场作为分析对象，对其每个四分之一波长的制冷过程进行宏观分析，进而，总结热端换热器、板叠和冷端换热器的放置位置。
参见图2，该图表示了某一时刻气流，微团的压力和速度随驻波管程长度变化的曲线以及A、B、C、D每个四分之一波长中任意一点(除了压力与速度的波节点)的压力与速度随时间的变化曲线，其中实线部分表示某时刻沿谐振管长度方向上的压力和速度的分布情况，虚线部分表示该驻波场中压力和速度的最大幅值沿管程的分布情况。由图2不难发现，在一个波长长度的驻波场内，存在着四个内部特性完全不同的四分之一波长的驻波场，每个气体微团在其平衡位置处进行振荡。对任何一个驻波场，无论其驻波管内形成多少个四分之一波长，均可以实现单个四分之一波长内的制冷效应。例如，针对图2所示的一个波长的驻波管，可以严格按照上面的设计方法和原则，在任意两个四分之一波长段内放置声制冷元件(热端换热器、板叠和冷端换热器)，均可以实现双制冷系统。例如可以在A段和B段放置两个制冷元件，再根据制冷元件放置位置的设计方法，就可以派生出一种双制冷系统。
参见图3a，A段任意点的压力波均超前速度波90°，通过A段任意点的压力和速度随时间的变化规律，随着该点压力的降低，该点位移将从平衡位置的左端移右端；相反，随着压力的增高，该点位移将从平衡位置的右端移向左端。而压力的增减势必会引起温度的增减，所以，如果此时在A段的四分之一波长的位置上，在靠近压力波腹与波节之间的位置上安置一声制冷元件(热端换热器、板叠和冷端换热器)，并且将热端换热器紧靠压力波腹的方向，通过热端换热器将压缩热带走，并随着微团的降压膨胀，势必会产生较低的制冷温度，如果再加上板叠对声热转换效应的强化，势必会在冷端换热器上产生更低的制冷温度。这就是在A段四分之一波长的情况下，获得制冷的工作机理和结构特点。
参见图3b，在B段中，可发现任意点的压力波超前速度波270°，通过B段任意点的压力和速度随时间的变化规律，随着该点压力的降低，该点位移将从平衡位置的右端移向左端；相反，随着压力的增高，该点位移将从平衡位置的左端移向右端。而压力的增减势必会引起温度的增减，所以，如果此时在A段的四分之一波长的位置上，在靠近压力波腹与波节之间的位置上安置一声制冷元件(热端换热器、板叠和冷端换热器)，并且将热端换热器紧靠压力波腹的方向，通过热端换热器将压缩热带走，并随着微团的降压膨胀，势必会产生较低的制冷温度，如果再加上板叠对声热转换效应的强化，势必会在冷端换热器上产生更低的制冷温度。这就是在B段四分之一波长的情况下，获得制冷的工作机理和结构特点。
参见图3c，在C段中，可发现任意点的压力波超前速度波90°，其制冷的工作机理和结构位置同A段。
参见图3d，在D段中，可发现任意点的压力波超前速度波270°，其制冷的工作机理和结构位置同B段。
以上详细分析了驻波场中各种不同情况下如何实现制冷效能的工作原理和结构特点，并总结出在任意的驻波场内，只要严格按照在单个波峰与波节之间，即四分之一波长内，并沿波峰向波节的压力减小的方向上，依次放置热端换热器、板叠和冷端换热器，就可以实现多点制冷效应。
参见图4，本发包括壳体6和设置在壳体6一侧的扬声器1，在壳体6内扬声器1的声波传输通道内还设置有由热端换热器2、板叠3和冷端换热器4组成的声制冷元件7，声制冷元件7均设置在位于扬声器1四分之一波长的压力波腹与波节之间，且各声制冷元件7的热端换热器2、板叠3和冷端换热器4依次沿波腹指向波节的方向布置，在各声制冷元件7之间还设置有谐振管5。
参见图5，声制冷元件7主要有热端换热器2、板叠3和冷端换热器4构成。冷、热端换热器4、2可以选用目前常用的换热器的结构形式，如管翅式、板翅式等，板叠为声制冷系统中常用的材料和结构形式。
参见图6，图6a为双级声波制冷机的沿管长方向的温度分布图，由图6a可以看出，第一级声制冷元件7-1的热端换热器2-1工作在T1温度下，通过热声效应和板叠3的共同作用，在第一级声制冷元件7-1的冷端换热器4-1处产生第一级制冷温度T2；第一级声制冷元件7-1的冷端换热器4-1与第二级声制冷元件7-2的热端换热器2-2工作在相同的温度下T2，通过热声效应和板叠3的共同作用，在第二级声制冷元件7-2的冷端换热器4-2处产生更低的第二级制冷温度T3；从而实现双级声波制冷效果。图5b为双级声波制冷机的结构示意图。针对图2所示的一个波长的驻波管，可以严格按照上面的设计方法和原则，在任意两个四分之一波长段内放置声制冷元件7(热端换热器2、板叠3和冷端换热器4)，但为了实现多级制冷的目的，必须考虑到各级之间的相互关系，主要是根据声制冷元件之间相互冷却关系。例如，如果要在一个波长的驻波管内，形成两级声制冷的效果，就必须设计成前制冷系统的冷端换热器与后冷却系统的热端换热器工作相同的温度下，为此可以在A段和C段放置两个制冷元件，这样就符合了上述的布置原则，即四分之一波场内的制冷效果和后级热端换热器与前级冷端换热器工作温度相同，从而派生出一种双级声制冷系统。以此类推，就可以在上述两个原则的基础上，派生出多级声制冷系统。
参见图6b，本发明包括壳体6和设置在壳体6一侧的扬声器1，在壳体6内扬声器1的声波传输通道内还设置有由热端换热器2、板叠3和冷端换热器4组成的声制冷元件7，声制冷元件7均设置在位于扬声器1产生声波的四分之一波长的压力波腹与波节之间，且各声制冷元件7的热端换热器2、板叠3和冷端换热器4依次沿波腹指向波节的方向布置，第一级声制冷元件7-1的冷热端换热器4-1和第二级声制冷元件7-2的热端换热器2-2通过微型泵8相连，且各声制冷元件7之间还设置有谐振管5。本发明的工作机理和实施办法如下：以冷却水作为第一级声制冷系统中声制冷元件7-1热端换热器2-1的冷却源，首先当热声压缩过程中产生的压缩热，通过翅片传递给热端换热器2-1的基体，然后再通过在热端换热器2-1内流动的冷却水，把这部分热量带走；相类似，当热声膨胀过程中产生的膨胀冷量，通过翅片传递给冷端换热器4-1的基体，然后再通过在冷端换热器4-1内流动的冷却介质或导热元件，把这部分冷量带走，从而实现第一级声制冷系统的制冷效应；然后通过微型泵8和管道把第一级声制冷系统获得的这部分冷量传递给第二级声制冷系统中声制冷元件7-2的热端换热器2-2，来作为第二级声制冷系统热端换热器4-2的冷却源，首先当热声压缩过程中产生的压缩热，通过翅片传递给热端换热器2-2的基体，然后再通过在热端换热器2-2内流动的冷却介质，把这部分热量带走；相类似，当热声膨胀过程中产生的膨胀冷量，通过翅片传递给冷端换热器4-2的基体，然后再通过在冷端换热器4-2内流动的冷却介质或导热元件，把这部分冷量带走，从而实现第二级声制冷系统的制冷效应，获得更低的制冷温度；本发明的工作机理与热声制冷机的工作机理基本相同，唯一不同的是本发明根据驻波的特性，在多个四分之一波长的制冷系统中，声制冷元件7均设置在位于扬声器1四分之一波长的压力波腹与波节之间，且各声制冷元件7的热端换热器2、板叠3和冷端换热器4依次沿波腹指向波节的方向布置，同时第一级声制冷元件7-1的冷热端换热器4-1和第二级声制冷元件7-2的热端换热器2-2通过微型泵8相连，将上一个声制冷元件冷端换热器获得的低温和冷量作为下一个声制冷元件热端换热器的冷却量，从而实现了单一声源驱动下，多级声波制冷的目的，获得更低的制冷温度。与此同时，采用高频驻波场的特点，就可以大大减小系统的总长，例如以空气为工作介质，要形成一个频率为2.5KHz的二分之一波长的驻波场，所需的系统总长仅为6.4cm，如果在高频下工作，就可以实现整个制冷系统的微型化需要。
参见图7，其结构原理和工作原理与图6所示基本相同，唯一的改动是在此采用了直接热传导的耦合方式，即将第一级声制冷元件7-1的冷端换热器4-1直接与第二级声制冷元件7-2的热端换热器2-2相连通进行耦合，实现二者之间的冷量传递。
本发明选用纯天然物质——空气、氦气、氮气等作为工作介质，解决了现有的制冷工质对环境的污染问题；根据高频驻波的特点，可以实现微型化应用的需要；该制冷机的结构简单，操作方便，使用寿命长；选用声波扬声器或低品质的噪音作为驱动源，并提高声波的利用效率，从而实现了低品质能源的进一步利用，减少了相应的噪音污染；尤其是，考虑到更低制冷温度的获得，将多个声制冷元件7安装在特定的位置上，并通过相应的热耦合方式，实现多级制冷的效果，有助于在单一声源驱动下的更低制冷温度的获得。

Claims (2)

1、一种多级声波制冷机，包括壳体(6)和设置在壳体(6)一侧的扬声器(1)，在壳体(6)内扬声器(1)的声波传输通道内还设置有由热端换热器(2)、板叠(3)和冷端换热器(4)组成的声制冷元件(7)，其特征在于：所说的声制冷元件(7)均设置在位于扬声器(1)产生声波的四分之一波长的压力波腹与波节之间，且各声制冷元件(7)的热端换热器(2)、板叠(3)和冷端换热器(4)依次沿波腹指向波节的方向布置，第一级声制冷元件(7-1)的冷端换热器(4-1)和第二级声制冷元件(7-2)的热端换热器(2-2)通过微型泵(8)相连通，且各声制冷元件(7)之间还设置有谐振管(5)。
2、根据权利要求1所述的多级声波制冷机，其特征在于：所说的相连通的第一级声制冷元件(7-1)的冷端换热器(4-1)和第二级声制冷元件(7-2)的热端换热器(2-2)相向布置。
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