CN1793756A

CN1793756A - 一种热声驱动脉管制冷机系统

Info

Publication number: CN1793756A
Application number: CN 200610049129
Authority: CN
Inventors: 邱利民; 孙大明
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2026-01-17
Also published as: CN100427848C

Abstract

本发明公开了一种热声驱动脉管制冷机系统。它包括脉管制冷机和行波热声发动机，脉管制冷机具有依次连接的制冷机回热器、脉管，行波热声发动机具有行波环路、谐振直路，行波环路具有依次连接的直流控制部件、主冷却器、发动机回热器、加热器、热缓冲管、次冷却器、反馈回路，制冷机回热器的室温端与发动机行波环路之间接有声功传输管，其特征在于：脉管的热端与热声发动机谐振直路之间接有惯性调相管。本发明改变了以往惯性管末端用盲板或气库封闭的方式，把惯性管的末端与热声发动机直接相连。惯性管除可以实现调相功能外，还把一部分从制冷机脉管热端传出的声功输送回发动机，实现了声功回收，可提高热声驱动脉管制冷机系统的效率。

Description

一种热声驱动脉管制冷机系统

技术领域

本发明涉及一种热声驱动脉管制冷机系统，适用于热声发动机与脉管制冷机之间的耦合。

背景技术

热声效应是热与声之间相互转换的现象，即声场中的时均热力学效应。热声热机本质上是一种通过热声效应实现热能与声能之间相互转化或传输的装置。热声热机不需要外部的机械手段就可以使振荡流体的速度和压力之间建立起合理的相位关系，因此，不需要机械传动部件，大大简化了系统的结构。按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输。只要具备一定的条件，热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。

根据声场特性不同，热声发动机主要分为驻波型、行波型及驻波行波混合型三种型式。行波声场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差90°。由于驻波场中速度和压力之间的相位差为90°，当板叠处气体速度处于正向最大时，气体在板叠通道中高速向热端极限移动，掠过正向半个周期运动中的绝大部分位移(即掠过大部分的温度梯度)，因此，这一过程应该是加热最强烈的时间段。但此时也正是压力变化最大的时候，气体在这一时段被迅速压缩，压缩过程和加热过程同时发生，从热力学的角度看既不利于压缩也不利于加热，因此造成气体与固体之间传热的滞后，这一热滞后使得当气体运动变缓吸收热量时气体与固体介质之间已经有相当的温差，从而造成很大的不可逆损失。但是我们也应当看到，如果没有热滞后，驻波声场理论上不能产生声功，它是以降低热力学效率为代价来产生声功的；同理，当气体经历膨胀过程时，却同时经历气体高速向低温端运动的冷却过程，这样的过程既不利于膨胀也不利于放热。从上面的过程分析可以看到：为了在驻波场中实现热功转化就必须采用间距较大的板叠以形成热滞后，使一部分加热发生在压缩过程之后，一部分冷却发生在膨胀过程之后，然而气体同固体间的有限温差热传递造成的不可逆热力过程使整个装置的效率大大降低。

行波热声发动机中回热器填料的空隙尺寸远小于气体热渗透深度，实现了固体与气体间的理想热接触，加热和冷却近似为可逆等温过程。同时，行波声场中速度和压力同相位。在行波热声发动机回热器处，当气体被迅速压缩时，气体运动速度很小，跨过回热器上较小的温度增量，因此可以被高效地压缩而在加热过程中，气体具有最大的正向速度，跨过最大的温度增长区间，而此时压力却变化很小，因此可以实现高效的吸热膨胀过程，从热力学角度来看这无疑是对热能到声功的转换非常有利；同理，当气体进入压力降低阶段后，气体运动速度较小，掠过热声回热器较小的温度区间，所以利于压力的降低，当气体压力降到一定程度时速度变大，温度变化迅速，气体对回热器放热，气体先经历膨胀再放热。从以上分析可以看出行波声场中的热声转换过程自然进行，没有不可逆过程的参与，并且很小的回热器水利半径能够保证气体与回热器的等温传热，因此，行波热声发动机理论上进行的是可逆热声转换过程，可以获得比驻波热声发动机更高的热力学效率。一般来说，具有纯行波声场的热声发动机是不存在的，目前在研的行波热声发动机都是行波驻波混合型热声发动机。所以，通常把热声核心部件在环路结构内的热声发动机称为行波热声发动机。

脉管制冷机一般由回热器、脉管、冷热端换热器、导流器以及调相机构等构成。根据供气方式，可分为斯特林型和G-M型，前者在压缩机和制冷机之间采用无阀连接，后者的压缩机与制冷机之间有高低压切换阀。根据回热器和脉管的布置方式，脉管制冷机又可以分为直线型、U型和同轴型。另外，为了获得更低的制冷温度，还出现了多级制冷机。目前，热声驱动的脉管制冷机多采用单级脉管制冷机，已经开始有研究者用热声驱动多级脉管制冷机。由于脉管制冷机的制冷量与通过脉管的声功大小直接相关，而声功大小取决于压力波动和速度波动的强度和相位，因此调相机构对于脉管制冷机至关重要。

脉管制冷机的发展历程几乎就是调相方式改进和发展的历史。1963年，美国Gifford和Longsworth等利用气体对一端封闭的薄壁空管进行周期性压力振荡所产生的制冷效应发明的脉管制冷机，称为基本型脉管制冷机，当时所得到的单级最低制冷温度为124K。1966年，Gifford和Longsworth提出表面泵热原理，用来解释脉管制冷机的制冷原理。该理论指出，脉管内任一气体微团的循环压缩和膨胀会产生大的温度梯度，由于气团与脉管壁面的热接触将热量逐步从冷端传递到热端，产生制冷效应。

1984年前苏联的Mikulin等人对基本型脉管制冷机的热端做出了重大革新，引入了一个气库和小孔，形成了小孔气库型脉管制冷机。气体由负荷换热器进入脉管，受到推挤后通过小孔和热端换热器进入气库。在放气过程中，不仅留在脉管中的气体经过负荷换热器及回热器返回到低压气源，而且部分气库中的气体也返回到脉管中进行膨胀。这不仅对压缩(充气)过程中带走压缩热有好处，而且增加了脉管内工质的数量，大大提高了脉管制冷机的制冷能力。Mikulin用空气为工质，最低制冷温度达到105K。被看作是脉管制冷机发展史上的一个里程碑。1986年美国学者Radebaugh等对Milkulin的方案作了进一步的改进，将小孔从脉管与热端换热器之间移到气库与热端换热器之间，并用针阀代替小孔，采用氦气为工质，达到无负荷最低制冷温度60K。这是一种斯特林型(可逆型)脉管制冷循环。Radebaugh等为了解释小孔型脉管制冷机的原理，基于焓流理论分析，得出脉管内质量流和压力波之间的相位差大小是影响制冷量的关键因素这一重要结论。基于相位理论，提出了一系列新颖的相移器来改善脉管制冷机性能。

1990年朱绍伟和吴沛宜在理论分析的基础上，提出了一种新型脉管制冷机，称为双向进气型脉管制冷机。它是在小孔型的基础上，用一气体分配器连接脉管热端和回热器热端，该方案获得了42K的最低制冷温度。分析指出，在小孔型脉管制冷机中，有一部分气体在脉管中来回振荡，既不通过小孔进入气库，也不从冷端换热器进入回热器，消耗功但不产生制冷效应，称为无功气体。双向进气就是设置第二进气口，将不参加制冷的那部分气体不经过回热器，直接从压缩机出口引入脉管热端，从而提高了回热器单位质量气体的制冷量。现在，世界各国的脉管制冷机不论是在单级或多级结构中都广泛采用这一方案，被视为脉管制冷发展史上的又一个里程碑。

1988年，日本大学Matsubara提出了双活塞型脉管制冷机，由于该结构可以回收膨胀功，降低因小孔引起的不可逆损失，进而提高了制冷机的性能。其不足之处在于增加了一个膨胀活塞，降低了脉管制冷机的可靠性。1993年Matsubara等人又研制出四阀型脉管制冷机，去除了小孔和气库。该结构的调相作用不是通过小孔气库而是通过另一对连接脉管热端与压缩机进排气管的切换阀来实现。

1992年，中科院低温中心周远等人提出了一种新的布置方案，称为多路旁通型脉管制冷机。在脉管中部与回热器中部之间通过一个小孔相连，让回热器中一部分气体进入脉管中间温度点，产生制冷效应。

1994年日本的Kanao等在研究小孔型高频脉管制冷机时，发现用一根尺寸合适的毛细管代替小孔阀可以提高脉管制冷机的性能，从此研究者开始了惯性管调相理论的研究。1996年Godshalk等在用热声发动机驱动脉管制冷机的研究中，明确指出长颈管利用高频振荡气流的惯性效应控制压力波和速度波的相位关系。惯性管是适应于斯特林型脉管制冷机的一种理想调相方式，它不仅具有很强的调相能力，还能增强脉管内的压比，同时不产生直流效应。但是，对于压缩机排气体积小于2cm³的微型脉管制冷机，仅利用惯性管不能获得理想的相位。

除此之外，还有内调相型、热膨胀型、增大气库压力法和双阀双小孔型等多种调相方式，都不同程度地改善了脉管制冷机的性能。

纵上所述，脉管制冷机中压力波与速度波之间的相位关系是影响其性能的关键因素。回热器损失是脉管制冷机中的主要损失之一。从热声学观点来看，调相的目的就是使脉管回热器处达到行波相位，即压力波与速度波同相位。目前来看，无论是斯特林型还是G-M型脉管制冷机，在80K温区的制冷效率均已经达到甚至超过斯特林制冷机和G-M制冷机的水平。

热声发动机驱动的脉管制冷机为高频斯特林型脉管制冷机，目前多采用小孔气库加双向进气的相位调节方式。双向进气能够在一定程度上降低制冷温度，改善脉管制冷机的性能。但是，双向进气的存在，使脉管制冷机内存在一个环路，容易引发一个时均的单向质量流动，从而使脉管和回热器的轴向温度分布严重偏离线性。这个单向质量流动给脉管制冷机带来了一个附加热负荷，导致制冷量的减小。因此，许多研究者开始把目光转向惯性管调相，理论上讲，惯性管具有更强的调相能力，使脉管制冷机回热器处达到行波相位。目前，在利用惯性管进行相位调节时，惯性管的一端接在脉管热端，另一端可以用盲板封闭，也可以接在一个气库上。由于惯性管直径一般较小，如果末端采用盲板封闭或者气库连接，从脉管热端传递过来的声功就会完全被消耗，使得整个热声驱动脉管制冷系统的性能系数下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种热声驱动脉管制冷机系统。

它包括脉管制冷机和行波热声发动机，脉管制冷机具有依次连接的制冷机回热器、脉管，行波热声发动机具有行波环路、谐振直路，行波环路具有依次连接的直流控制部件、主冷却器、发动机回热器、加热器、热缓冲管、次冷却器、反馈回路，制冷机回热器的室温端与发动机行波环路之间接有声功传输管，其特征在于：脉管制冷机的脉管热端与热声发动机谐振直路之间接有惯性调相管。

本发明改变了以往惯性管末端用盲板或气库封闭的方式，把惯性管的末端与热声发动机直接相连。由此，惯性管除了可以实现调相功能外，还可以把一部分从脉管制冷机脉管热端传出的声功输送回热声发动机，实现了声功回收，可在一定程度上提高热声驱动脉管制冷机系统的效率。

附图说明

附图是热声驱动脉管制冷机系统示意图。

具体实施方式

附图所示的热声驱动脉管制冷机系统，由行波热声发动机、脉管制冷机及其它附属部件组成。脉管制冷机具有依次连接的制冷机回热器1、脉管2，行波热声发动机具有行波环路、谐振直路10，其中行波环路具有依次连接的直流控制部件3、主冷却器4、发动机回热器5、加热器6、热缓冲管7、次冷却器8、反馈回路9。脉管制冷机的回热器热端通过一条内径约为8mm的管路11与热声发动机相连，用于把声功从热声发动机传输进脉管制冷机。在脉管制冷机的脉管热端接一条内径约为1～4mm、长度为2～5m的细长管，其末端直接接在发动机管路上，这根细长管就是惯性管12。惯性管12可以为不锈钢管、紫铜管，甚至塑料软管。附图给出的连接方法示意图中，惯性管的末端接在热声发动机环路和谐振直路之间的三通处。当发动机和脉管制冷机开始工作后，声功从脉管制冷机的回热器输入，在回热内产生热量的传输，从而在脉管制冷机冷头发生制冷效应。此时惯性调相管的作用有两个，一是其直径和长度决定着脉管制冷机内的压力波动和速度波动的相位，确保脉管制冷机回热器处于行波相位；另外，它把从脉管热端传出的声功反馈回热声发动机，提高了热声驱动脉管制冷机系统的效率。

Claims

1.一种热声驱动脉管制冷机系统，它包括脉管制冷机和行波热声发动机，脉管制冷机具有依次连接的制冷机回热器(1)、脉管(2)，行波热声发动机具有行波环路、谐振直路(10)，其中行波环路具有依次连接的直流控制部件(3)、主冷却器(4)、发动机回热器(5)、加热器(6)、热缓冲管(7)、次冷却器(8)、反馈回路(9)，制冷机回热器的室温端与发动机行波环路之间接有声功传输管(11)，其特征在于：脉管的热端与热声发动机谐振直路之间接有惯性调相管(12)。