CN1818508B - 由g-m型脉管制冷机预冷的热声驱动脉管制冷机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由单级G-M型脉管制冷机预冷的热声驱动脉管制冷机系统。它包括机械式压缩机、G-M型脉管制冷机、斯特林型脉管制冷机和行波热声发动机。机械式压缩机与单级G-M型脉管制冷机的回热器热端通过旋转阀相连，G-M型脉管制冷机冷端换热器与斯特林型脉管制冷机的回热器中部通过热桥相连，斯特林型脉管制冷机的回热器热端与行波热声发动机的反馈管路相连。本发明采用单级制冷温度更低和制冷量更大的G-M型脉管制冷机对热声驱动的斯特林脉管制冷机进行预冷，构成混合型热耦合二级脉管制冷机。本发明可以使热声驱动的脉管制冷机进入10K以下温区，从而大大拓展热声驱动脉管制冷机系统的研究和应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种由单级G-M型脉管制冷机预冷的热声驱动脉管制冷机系统，它适用于机械压缩机和热声压缩机混合驱动的多级脉管制冷机系统。
背景技术
脉管制冷机是回热式制冷机的一种，具有室温端换热器、回热器、脉管、热端换热器、导流器及调相装置等组成部分。因其消除了低温下的排出器，所以要比传统的G-M和斯特林型制冷机更加可靠，无维护运行时间大大延长，因此在空间探索中具有光明的应用前景。
按照配气型式，脉管制冷机分为两类，一类是G-M型脉管制冷机，另一类是斯特林型脉管制冷机，前者在机械压缩机和脉管制冷机之间采用切换阀门连接，通过控制高低压端阀门的打开和关闭控制脉管制冷机内气体的压缩和膨胀过程，从而在制冷机的冷端换热器产生制冷效应，工作频率一般在10Hz以下。斯特林型脉管制冷机，与压缩机直接相连，由压缩机产生的压力波直接驱动，一般工作在15Hz以上。目前，G-M型脉管制冷机只由机械压缩机驱动一种型式。斯特林制冷机主要有线性压缩机驱动和热声发动机驱动两种驱动型式。
压缩机是制冷系统中的动力部件，主要分为机械压缩机和热声压缩机。一类机械式压缩机利用电动机驱动活塞或者螺杆等对气体进行压缩和膨胀，目前，多采用活塞式压缩机驱动G-M型脉管制冷机。另一类机械式压缩机是线性压缩机，它通过线性电动机以电磁振荡力驱动活塞对气体进行压缩和膨胀，电功转换效率最高可以达到85％以上，同时电动机作直线运动，以电磁力驱动活塞，消除了曲轴连杆机构，可以大大减小摩擦和噪音，甚至可以实现无润滑油运行。
热声压缩机又称为热声发动机，主要包括热声核心部件和谐振部件，热声核心部件包括冷却器、回热器和加热器，谐振部件包括谐振管等。热声发动机利用热声效应把热能转换成声功，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。热声发动机通过冷却器和加热器在回热器轴线方向上施加一个温度梯度，在高压气体中产生自激振荡，即产生声功。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；二是用声来产生或传输热，即声驱动的热量传输。只要条件具备，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°。从结构型式来看，驻波型热声发动机结构最简单，为直线型布置，加热器、回热器、冷却器、谐振管分布在一条管路轴线上；行波型热声发动机为纯环路结构，这样可以形成声波传输的通道；驻波行波混合型热声发动机的结构兼有前两者的特点，同时具有环路结构和谐振直路，热声核心部件分布在环路内。在实际管路中，要实现纯行波声场非常困难，常把具有行波成分的声波称为行波，所以为简化分类，通常把纯环路的行波热声发动机和驻波行波混合型热声发动机统称为行波热声发动机。
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。
G-M型脉管制冷机与机械式压缩机通过旋转阀连接，当压缩机的高压腔与脉管制冷机的入口接通时，完成压缩过程，当压缩机的低压端与脉管制冷机的入口接通时，气体膨胀制冷。在这里，旋转阀是重要的配气部件，它完成了脉管制冷机内压缩和膨胀过程的切换。所说的压缩过程和膨胀过程的相对时间长度由旋转阀的时序控制。
斯特林制冷机直接与压缩机相连接，之间没有任何的配气装置，压缩机内的压力波动通过声学管道传到制冷机中，压缩过程中气体在热端换热器中对外放热，膨胀过程中气体膨胀产生制冷效应。由于直接采用管道连接压缩机和制冷机，这个声功传输过程要比通过旋转阀高效得多，因此斯特林制冷机系统的效率通常比G-M制冷机高。
为了实现尽可能低的制冷温度，常采用多级脉管制冷机耦合的形式。脉管制冷机的耦合方式主要有两种，一种是气体耦合，另一种是热耦合。前者通过共用气体工质实现耦合作用，预冷级和工作级管道相通，工质共用。热耦合的多级脉管制冷机，各级之间工质不相混合，预冷级和工作级之间通过热桥进行热连接。
目前两级G-M型脉管制冷机已经达到2K左右的最低制冷温度，单级G-M脉管制冷机也已经进入11K温区，并能在20K时提供约20W的制冷量。线性压缩机驱动的两级斯特林脉管制冷机目前已达到13K温区，线性压缩机驱动的单级斯特林脉管制冷机也已经进入30K温区。而热声发动机驱动的单级脉管制冷级目前只达到68K，采用热声发动机驱动的气耦合二级脉管制冷只达到41K温区，主要原因在于第一级所能获得的制冷温度过高，制冷量偏小。为使热声发动机驱动的斯特林脉管制冷机进入10K温区，有必要采用单级G-M型脉管制冷机预冷的方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种由单级G-M型脉管制冷机预冷的热声驱动脉管制冷机系统。
它包括机械式压缩机、单级G-M型脉管制冷机、斯特林型脉管制冷机和行波热声发动机，机械压缩机包括相连接的机械式压缩机和旋转阀，单级G-M型脉管制冷机包括依次连接的回热器、冷端换热器、脉冲管和调相机构，斯特林型脉管制冷机包括依次连接的回热器、冷端换热器、脉冲管和调相机构，行波热声发动机包括依次连接的直流抑制部件、主冷却器、回热器、加热器、热缓冲管、副冷却器、反馈管路和谐振直路。机械式压缩机与单级G-M型脉管制冷机的回热器热端通过旋转阀相连，G-M型脉管制冷机冷端换热器与斯特林型脉管制冷机的回热器中部通过热桥相连，斯特林型脉管制冷机的回热器热端与行波热声发动机的反馈管路相连。
本发明改变了以往斯特林型脉管制冷机用斯特林型脉管制冷机预冷的方案。采用单级制冷温度更低和制冷量更大的G-M型脉管制冷机对热声驱动的斯特林脉管制冷机进行预冷，构成混合型热耦合二级脉管制冷机。本发明可以使热声驱动的脉管制冷机进入10K以下温区，从而大大拓展热声驱动脉管制冷机系统的研究和应用范围。
附图说明
附图是单级G-M型脉管制冷机预冷的热声驱动脉管制冷系统示意图。
具体实施方式
本发明包含四大部分，一是机械式压缩机1和旋转阀2；第二部分是一台单级G-M型脉管制冷机，包括依次连接的第一回热器3、第一冷端换热器4、第一脉冲管5和第一调相机构6；第三部分是一台斯特林型单级脉管制冷机，包括依次连接的第二回热器8、第二冷端换热器9、第二脉冲管10和第二调相机构11，G-M型脉管制冷机和斯特林型单级脉管制冷机之间是热桥7，它的作用是把斯特林型单级脉管制冷机回热器中部的热量通过热传导传至G-M型脉管制冷机的冷端换热器，从而实现预冷作用；第四部分是行波热声发动机，它包括依次连接的直流抑制部件12、主冷却器13、第三回热器14、加热器15、热缓冲管16、副冷却器17、反馈管路18和谐振直路19，行波热声发动机的作用是，利用热声效应直接把热能转换为声功，这个声功被引入斯特林型单级脉管制冷机，驱动制冷机获得低温。
具体的装配方法是，首先用金属软管把机械式压缩机1和单级G-M型脉管制冷机第一回热器3热端通过旋转阀2相连；其次，把斯特林型单级脉管制冷机的第二回热器8热端通过一根内径为4～10mm的紫铜管与行波热声发动机的反馈管路18连接，实现由热声发动机至脉管制冷机的声功传输，最后用一个热桥7把单级G-M型脉管制冷机的第一冷端换热器4和斯特林型单级脉管制冷机的第二回热器8中部连接起来，热桥的形状和尺寸由两个脉管制冷机的冷端换热器和回热器结构尺寸决定，目的是实现热桥两端的高效传热。
把整个制冷系统装配完成后，打开机械式压缩机，单级G-M型脉管制冷机的冷端换热器温度开始下降，同时对行波热声发动机的加热器进行加热，热声发动机启动，声功通过连接管路传到斯特林型单级脉管制冷机，由于其回热器的中部与G-M型脉管制冷机的冷端换热器通过热桥连接在一起，所以回热器的上面部分从室温降到与G-M型脉管制冷机的冷端换热器温度相近的温度，一般二者相差不到10K，下半部分从这个中间温度开始降低，一直到斯特林型单级脉管制冷机的冷端换热器的温度。
Claims (1)
1.一种由G-M型脉管制冷机预冷的热声驱动脉管制冷机系统，它包括机械式压缩机、单级G-M型脉管制冷机、斯特林型脉管制冷机和行波热声发动机，机械压缩机包括相连接的机械式压缩机(1)和旋转阀(2)，单级G-M型脉管制冷机包括依次连接的第一回热器(3)、第一冷端换热器(4)、第一脉冲管(5)和第一调相机构(6)，斯特林型脉管制冷机包括依次连接的第二回热器(8)、第二冷端换热器(9)、第二脉冲管(10)和第二调相机构(11)，行波热声发动机包括依次连接的直流抑制部件(12)、主冷却器(13)、第三回热器(14)、加热器(15)、热缓冲管(16)、副冷却器(17)、反馈管路(18)和谐振直路(19)，其特征在于：机械式压缩机(1)与单级G-M型脉管制冷机的第一回热器(3)热端通过旋转阀(2)相连，单级G-M型脉管制冷机冷端换热器与斯特林型脉管制冷机的回热器中部通过热桥(7)相连，斯特林型脉管制冷机的第二回热器(8)热端与行波热声发动机的反馈管路(18)相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100414 Termination date: 20110315 |