CN1779386A - 一种用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置：包括：一与制冷机输入端相连的小气缸，其内安装一小活塞；一与热声发动机输出端相连的大气缸，其内安装一大活塞；两气缸相连通；两活塞之间垂向连接一连接杆；大气缸截面面积大于小气缸截面面积；两活塞之间封闭的气缸容积大于制冷机内部容积，启动热声发动机，在制冷机内就能够获得比热声发动机内更高的压比。可有效提高制冷机内的驱动压比，使制冷机的性能得以大大提高。

Description

一种用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置

发明领域

本发明主要涉及制冷与低温技术领域，特别涉及一种用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置。

背景技术

热声发动机驱动的制冷机是一种完全无运动部件的制冷装置，它运行稳定可靠，使用寿命长；使用热作为驱动能源，因此可以利用太阳能、废热等作为驱动源，这对于电力缺乏的场合非常有意义；另外它以惰性气体作为工质，有利于环保，所以具有非常广阔的发展前景。1990年美国研制了第一台驻波热声驱动脉管制冷机，在无负载条件下达到了91K的低温。1998年他们又用热声驱动脉管制冷机液化天然气取得成功，在120K的制冷温度能够获得2kW的冷量，每天可以液化600升天然气。最近用行波热声发动机驱动脉管的最低温度达到了68K，已经成功突破了液氮温度的限制；用热声发动机驱动热声制冷机在普冷温区最近也取得了很大的进展。

热声发动机驱动脉管制冷机或者热声制冷机中影响制冷效果的关键因素之一是驱动压比，一般要想获得更低的制冷温度和更大的制冷量，就要求有更高的驱动压比。目前的热声发动机，如果使用氦气作为工作介质，其压比一般很难达到1.2，如果使用其他的工作介质，如二氧化碳、氮气、氩气、氧气、二氧化氮等等，其压比也一般不超过1.25。所以如何提高热声发动机驱动脉管制冷机或者热声制冷机的驱动压比是目前这一方向的研究重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，该增压装置可以提高热声发动机驱动热声制冷机或者是脉管制冷机的驱动压比，从而提高制冷机的制冷性能。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，其特征在于，包括：

一个与制冷机G输入端相连的气缸A，其内安装一在该气缸A内运动的活塞C；

一个与热声发动机F输出端相连的气缸B，其内安装一在该气缸B内运动的活塞D；

所述气缸A和气缸B相连通；

所述活塞C和活塞D之间垂向连接有一连接杆E；

所述气缸B截面面积大于气缸A截面面积；

所述活塞C与活塞D之间封闭的气缸容积为制冷机G内部容积的10-1000倍。

所述气缸B截面面积是气缸A截面面积的2-50倍。

所述活塞C与气缸A之间的密封以及活塞D与气缸B之间的密封均采用微间隙密封。

所述活塞C与气缸A之间的密封以及活塞D与气缸B之间的密封均采用活塞环密封。

所述活塞C与气缸A之间的密封以及活塞D与气缸B之间的密封均采用波纹管密封，所述热声发动机F和制冷机G内的工作介质不同，热声发动机F内的工作介质选自氦气、氮气、二氧化碳、氩气和氢气中的一种、两种或多种；制冷机G内的工作介质选自氦气、氮气、二氧化碳、氩气和氢气中的一种、两种或多种。

所述的热声发动机F为行波热声发动机或驻波热声发动机。所述的制冷机G为脉管制冷机或热声制冷机。所述脉管制冷机为直线布置、U型布置或同轴布置单级脉冲管制冷机，或者为直线布置、U型布置或同轴布置多级脉冲管制冷机。

与现有技术相比，本发明提供的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，关键在于在热声发动机与其驱动的制冷机系统之间增加了两个面积不同的活塞和气缸，使发动机内的波动压力在经过此结构后波动幅值变大。

为了进一步说明本发明所使用的气缸活塞结构具有提高压力波动幅值，同时也进一步说明在进行本结构设计时所需要遵循的一些原则，下面将从理论上对其增压原理进行解释。

假设发动机、制冷机以及两活塞之间的气缸内部气体的压强在平衡时均为P₀，大活塞的面积为S₁，小活塞的面积为S₂，制冷机内部气体的体积为V₂，两活塞之间气缸容积为V₀，现在如果发动机内气体作用一个附加的压力P₁在大活塞上，活塞的位移量为A，假设气体经历等温变化过程，则两活塞之间气缸内的气体压力变化为

，制冷机内气体的压力变化为

，对活塞作受力平衡分析，有

$P_1{S}_1=\frac{(S_1-S_2)A}{V_0}{P}_0(S_1-S_2)+\frac{S_{2}A}{V_2}{P}_0{S}_2---\left(1\right)$

可以进一步变形得到：

$A=\frac{P_1{S}_1}{\frac{{(S_1-S_2)}^2{P}_0}{V_0}+\frac{S_2^2{P}_0}{V_2}}-----\left(2\right)$

制冷机内气体的压力变化与发动机内作用的附加压力P₁之比r为：

$r=\frac{S_1{S}_2}{\frac{{(S_1-S_2)}^2{V}_2}{V_0}+S_2^2}----\left(3\right)$

图1为大活塞面积为10个单位，两活塞之间气缸容积为10个单位，小活塞面积分别为1、3、5个单位时，r随制冷机内气体体积的变化趋势图。可以看出：如果气缸容积、大活塞面积、小活塞面积给定，则制冷机内气体体积越小能获得的压力变化就越高。

图2为两活塞之间气缸容积为10个单位，大活塞面积为10个单位，制冷机内气体体积分别为0.5、1、3个单位时，r随小活塞面积的变化趋势图。可以看出：如果给定气缸容积、大活塞面积、制冷机内气体体积，则存在一个最佳的小活塞面积使得r最高。

对(3)式中的S₂求导，并令其等于0：

$\frac{S_0(\frac{{(S_1-S_2)}^2{V}_2}{V_0}+S_2^2)-S_1{S}_2(\frac{-2(S_1-S_2)V_2}{V_0}+{2S}_2)}{{(\frac{{(S_1-S_2)}^2{V}_2}{V_0}+S_2^2)}^2}=0-----\left(4\right)$

即： $S_2=S_1\sqrt{\frac{V_2}{V_0+V_2}}-----\left(5\right)$

如果两活塞之间气缸容积、大活塞面积、制冷机内气体体积给定，根据等式(5)就可以得到最佳的小活塞面积。

由此可知，本发明的创新点在于一种汽缸活塞结构的应用，使得在热声发动机内产生的相对较低的压比在经过这一增压结构后，在制冷机内产生较大的压比，从而大大提高制冷机的性能。从上面的理论分析也可以得知：因为制冷机内气体体积较之两活塞之间的气缸容积也不能较大，所以本增压装置只适用于热声发动机驱动小型的制冷机。

附图说明：

图1为气缸B中活塞D(大活塞)的面积为10个单位，两活塞之间气缸容积为10个单位，气缸A中活塞C(小活塞)面积分别为1、3、5个单位时，压力波动比r随制冷机内气体体积的变化趋势图；

图2为两活塞之间气缸容积为10个单位，气缸B中活塞D(大活塞)面积为10个单位，制冷机内气体体积分别为0.5、1、3个单位时，压力波动比r随小活塞面积的变化趋势图；

图3为气缸与活塞之间采用微间隙密封的增压装置(实施例1)轴向剖面视图；

图4为气缸与活塞之间采用波纹管密封的增压装置(实施例2)轴向剖面视图；

图5为用于驻波热声发动机驱动双向进气带长颈管和气库的脉管制冷机中的增压装置(实施例4)的示意图；

图6为用于驻波热声发动机驱动采用环路设计的行波热声发动机的增压装置(实施例4)的示意图；

图7为用于环路设计的行波热声发动机驱动二级脉管制冷机的增压装置(实施例5)的示意图；

图8为用于对称布置采用环路设计的行波热声发动机驱动同轴双向进气带小孔气库的脉管制冷机的增压装置(实施例4)的示意图；

图9为用于同轴设计的行波热声发动机驱动驻波热声制冷机的增压装置(实施例4)的示意图；

具体实施方式

下面将结合图3～图9描述本发明的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置：制作一个横截面积较小的气缸A和一个横截面积较大的气缸B(如图3、图4所示)，并将这两个气缸连接在一起；同时制作一个与气缸A配合的小活塞C和一个与气缸B配合的大活塞D，并用连接杆E将小活塞与大活塞D连接在一起，使大小活塞可以在各自的气缸内同时运动(如图3、图4所示)；

小活塞C与大活塞D之间封闭的气缸容积与制冷机内部容积之比应尽量大，在大活塞面积给定之后根据公式(5)计算出最佳的小活塞面积；

在选择活塞C、D和连接杆E的材料时，在满足其他条件的情况下，应使其质量尽可能的小，以减少它对声波相位的影响；

活塞如果采用波纹管密封(见图4)，则热声发动机F和制冷机G内可以使用不同的工作介质。热声发动机F内的工作介质选自氦气、氮气、二氧化碳、氩气和氢气中的一种、两种或多种；制冷机G内的工作介质选自氦气、氮气、二氧化碳、氩气和氢气中的一种、两种或多种。

将大气缸B连接在热声发动机F输入端压力波动最大的地方，将小气缸A连接在制冷机G的输出端。不论是行波热声发动机还是驻波热声发动机，如果系统以基频振动，则压力波动作大的地方通常在谐振管的两端。

开启热声发动机F，热声发动机F内自激振荡的气体作用在大活塞D上，经过连接杆E传递到小活塞C上，小活塞C推动制冷机内产生更大的振荡。

下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明：

实施例1：采用图5所示的结构装置。本实施例的增压装置如图3所示，其中H为本发明的增压装置，1为热声发动机加热器，2为热声发动机冷却器，3为热声发动机板叠，5为热声发动机热缓冲管，为热声发动机谐振器，9为制冷机回热器，10为制冷机冷头，11为制冷机室温换热器，12为制冷机脉管，13为脉管制冷机双向进气阀、24为脉管制冷机长颈管；

气缸与活塞之间采用微间隙密封，发动机为采用驻波热声发动机，制冷机为双向进气带长颈管和气库的脉管制冷机。气缸B连接在谐振器接近冷却器处。制冷机和发动机内均采用氦气作为工作介质。制冷机内部气体体积为5×10^-6m³，气缸两活塞之间的容积设计为50×10^-6m³(即活塞C和活塞D之间的容积为制冷机容积的10倍时)，当活塞D面积设计为78×10^-4m²，用公式(5)计算的活塞C的最佳面积为23.5×10^-4m²，当发动机侧的压比为1.1时，制冷机侧的压比可达到1.23；当活塞D的面积为活塞C的面积的2倍时(即活塞C的面积为39×10^-4m²)，则制冷机侧的压比为1.19。

实施例2：采用图6所示的结构装置。本实施例的增压装置采用图3所示结构，气缸与活塞之间采用微间隙密封，发动机为采用环路设计的行波热声制冷机，制冷机为环路设计的小型行波热声发动机。图中，A为横截面积较小的气缸，B为横截面积较大的气缸，C为小活塞，D为大活塞，E为连接杆，F为热声发动机，G为热声制冷机，H为增压装置，1为热声发动机加热器，2为热声发动机冷却器，3为热声发动机板叠，5为热声发动机热缓冲管，9为制冷机回热器，10为制冷机冷头，11为制冷机室温换热器，17为热声制冷机缓冲管，18为热声制冷机惯性管，19为热声制冷机容性腔；

制冷机和发动机内均采用氦气作为工作介质。活塞、连接杆的质量特别进行了加重，除了具有增压效果之外，还具有了谐振子的作用，可以减少谐振器长度甚至替代谐振器。制冷机内部气体体积为10×10^-6m³，气缸两活塞之间的容积设计为10000×10^-6m³，即活塞C、D之间容积为制冷机容积的1000倍时，如大活塞面积设计为100×10^-4m²，用公式(4)计算的小活塞最佳面积为2×10^-4m²(即大小活塞面积之比为50时)，当发动机侧的压比为1.1时，制冷机侧的压比可达到5.68；如大小活塞面积之比为2时，制冷机侧的压比为1.21。

实施例3：如图7所示实施例的增压结构为图4所示，图中，A为横截面积较小的气缸，B为横截面积较大的气缸，C为小活塞，D为大活塞，E为连接杆，F为热声发动机，G为热声制冷机，H为增压结构装置，1为热声发动机加热器，2为热声发动机冷却器，4为热声发动机回热器，5为热声发动机热缓冲管，6为热声发动机惯性腔，7为热声发动机容性管，8为热声发动机谐振器，10为制冷机冷头，11为制冷机室温换热器，13为脉管制冷机双向进气阀，15为脉管制冷机气库，20为脉管制冷机一级回热器，21为脉管制冷机二级回热器，22为脉管制冷机一级脉管，23为脉管制冷机二级脉管；

发动机为采用环路设计的行波热声制冷机，制冷机为二级脉管制冷机。制冷机采用氦气作为工作介质，发动机内采用氮气作为工作介质，因为在相同的条件下不接制冷机时，发动机采用氮气作为工作介质可以获得更高的压比。制冷机内部气体体积为15×10^-6m³，气缸两活塞之间的容积设计为500×10^-6m³，大活塞面积设计为90×10^-4m²，用公式(4)计算的小活塞面积为15.36×10^-4m²。增压装置连接在发动机三通处。当发动机侧的压比为1.1时，制冷机侧的压比可达到1.39。

实施例4：如图8所示的增压装置为图4所示，图中，A为横截面积较小的气缸，B为横截面积较大的气缸，C为小活塞，D为大活塞，E为连接杆，F为热声发动机，G为热声制冷机，H为增压结构装置，1为热声发动机加热器，2为热声发动机冷却器，4为热声发动机回热器，5为热声发动机热缓冲管，6为热声发动机惯性腔，7为热声发动机容性管，8为热声发动机谐振器，9为制冷机回热器，10为制冷机冷头，12为制冷机脉管，13为脉管制冷机双向进气阀，14为脉管制冷机小孔阀，15为脉管制冷机气库；

发动机为对称布置采用环路设计的行波热声制冷机，这样可以减少发动机系统的振动，制冷机为同轴双向进气带小孔气库的脉管制冷机。制冷机采用氦气作为工作介质，发动机内采用氮气和氢气作为工作介质，氮气的摩尔百分含量为70％，氢气的摩尔百分含量为30％。制冷机内部气体体积为15×10^-6m³，气缸两活塞之间的容积设计为500×10^-6m³，大活塞面积设计为120×10^-4m²，用公式(4)计算的小活塞面积为20.5×10^-4m²。增压装置连接在发动机三通处。当发动机侧的压比为1.1时，制冷机侧的压比可达到1.39。

实施例5：本实施例(图9)所示的增压装置如图4所示，图中，C为小活塞，D为大活塞，E为连接杆，F为热声发动机，G为热声制冷机，1为热声发动机加热器，2为热声发动机冷却器，4为热声发动机回热器，5为热声发动机热缓冲管，7为热声发动机容性管，9为制冷机回热器，10为制冷机冷头，11为制冷机室温换热器，17为热声制冷机缓冲管，26为替代惯性管的具有一定质量和弹性的膜片。

发动机为同轴设计的行波热声制冷机，并用一带有一定质量和弹性的膜片替代了惯性管，制冷机为驻波热声制冷机。制冷机采用氦气作为工作介质，发动机内采用氮气和二氧化碳作为工作介质，氮气的摩尔百分含量为70％，二氧化碳的摩尔百分含量为30％。制冷机内部气体体积为20×10^-6m³，气缸两活塞之间的容积设计为1500×10^-6m³，大活塞面积设计为113×10^-4m²，用公式(4)计算的小活塞面积为13×10^-4m²。活塞、连接杆的质量特别进行了加重，除了具有增压效果之外，还具有了谐振子的作用，可以减少谐振器长度甚至替代谐振器。当发动机侧的压比为1.1时，制冷机侧的压比可达到1.61。

Claims (8)

1.一种用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，其特征在于，包括：

一个与制冷机(G)输入端相连的气缸(A)，其内安装一在该气缸(A)内运动的活塞(C)；

一个与热声发动机(F)输出端相连的气缸(B)，其内安装一在该气缸(B)内运动的活塞(D)；

所述气缸(A)和气缸(B)相连通；

所述活塞(C)和活塞(D)之间垂向连接有一连接杆(E)；

所述气缸(B)截面面积大于气缸(A)截面面积；

所述活塞(C)与活塞(D)之间封闭的气缸容积为制冷机(G)内部容积的10-1000倍。

2.按照权利要求书1所述的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，其特征在于：所述气缸(B)截面面积为气缸(A)截面面积的2-50倍。

3.按照权利要求书1所述的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，其特征在于：所述活塞(C)与气缸(A)之间的密封以及活塞(D)与气缸(B)之间的密封采用微间隙密封。

4、按照权利要求书1所述的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，其特征在于：所述活塞(C)与气缸(A)之间的密封以及活塞(D)与气缸(B)之间的密封采用活塞环密封。

5、按照权利要求书1所述的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，其特征在于：所述活塞(C)与气缸(A)之间的密封以及活塞(D)与气缸(B)之间的密封采用波纹管密封，所述热声发动机(F)和制冷机(G)内的工作介质不同，热声发动机(F)内的工作介质选自氦气、氮气、二氧化碳、氩气和氢气中的一种、两种或多种；制冷机(G)内的工作介质选自氦气、氮气、二氧化碳、氩气和氢气中的一种、两种或多种。

6、按照权利要求书1所述的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，其特征在于：所述的热声发动机(F)为行波热声发动机或驻波热声发动机。

7.按照权利要求书1所述的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，其特征在于：所述的制冷机(G)为脉管制冷机或热声制冷机。

8、按权利要求7所述的用于热声发动机驱动的制冷机的增压装置，其特征在于：所述脉管制冷机为直线布置、U型布置或同轴布置单级脉冲管制冷机，或者为直线布置、U型布置或同轴布置多级脉冲管制冷机。

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