CN202002389U - 一种整体式太阳能驱动热声制冷装置 - Google Patents

Abstract

一种整体式太阳能驱动热声制冷装置，包括依次相连的太阳能聚光装置，采用组合抛物面顺向聚光装置，其焦点不在反射凹面的内侧，而在其圆柱镜反射面形成的直管内；驻波型热声发动机，其高温加热器直接放置在集光装置焦点上接受太阳能，并且直接利用聚光装置圆柱镜反射面形成的直管作为发动机高温热腔，将太阳能聚光装置的圆柱镜反射面与热声发动机的高温热腔整合为一个元器件；热声制冷机通过谐振管与所述驻波型热声发动机连接。本实用新型提供的整体式太阳能驱动热声制冷装置将太阳能聚光装置、热声发动机和热声制冷机有效地结合为一体，使系统结构紧凑化和整体化，便于设计、安装、调试和维修维护。

Description

一种整体式太阳能驱动热声制冷装置

技术领域

本实用新型涉及一种制冷机装置，特别涉及一种整体式太阳能驱动热声制冷装置。

背景技术

热声热机(包括热声发动机和热声制冷机)是20世纪80年代发展起来的一种新型热机，它利用热声效应，可以直接实现热能和声能之间的相互转换。同传统热机相比，这种新型的热声热机结构简单、无运动部件、可靠性高、使用寿命长；它采用氮气、氦气等惰性气体作为工质，工质环境友好，无污染；热声热机可利用太阳能或工业废热作为热源，实现对低品位能源及可再生能源的利用，有助于提高能源的综合利用率，尤其对缺乏电能而富集热能的场合具有重要意义。

另外，太阳能是地球上最丰富的能源，是清洁可再生能源，取之不尽，用之不竭，探索太阳能的高效利用符合人类可持续发展的总体要求。节能和环保是我国经济和社会发展的长远战略，也是当前极为紧迫的任务，与太阳能利用相结合的热声技术更加显著地体现了环保、节能等优点，利用热声效应实现太阳能的利用已经成为环保和能源领域的一个研究热点。

最早利用太阳能作为驱动热源的热声系统，是美国宾州大学的Chen和Garrett于1998年研制的太阳能驱动热声发动机。他们以40cm长的一端开口的管作为谐振管，用一英尺直径的凹面镜将阳光聚焦到陶瓷热声板叠的一端进行加热，稳定工作时，可测得120dB的声波，它验证了太阳能驱动热声系统的可行性。2000年，美国海军研究生院设计了一台太阳能驱动的热声制冷机，其热声发动机利用一个直径0.457m的菲涅耳透镜把太阳光聚集到板叠的热端，将板叠热端加热到475℃，热声发动机产生的声功驱动热声制冷机，在冷端温度为5℃时获得2.5W的制冷量，此时温降为23℃。这一结果证明了太阳能驱动热声制冷机的方案是可行的，在实用性、简单性和可靠性方面具有很大的潜力。2009年，西安交通大学的何雅玲为充分利用太阳能作为驱动热源，开展了驻波型热声发动机在不同安装倾角下热力性能的试验研究，建设完成了太阳能驱动热声发动机并对热声发动机性能进行了仿真研究。

目前，世界上已开展的太阳能驱动热声热机实验系统中，或者热声热机装置位于太阳能聚光抛物面的内侧，在聚光器反射面上产生阴影，减少了反射面的集光面积；或者太阳能聚光装置、热声发动机和热声制冷机是分离的，存在结构不紧凑、所需空间大、不便于安装调试和不便于实现对太阳能的实时跟踪等问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种整体式太阳能驱动热声制冷装置，将太阳能聚光装置、热声发动机和热声制冷机有效地结合为一体，使系统结构紧凑化、简单化、便于安装调试的同时实现对太阳能的实时跟踪；同时热声热机装置位于太阳能聚光装置的反射凹面外侧，不会在反射面上产生阴影，增加了反射面的集光面积，从而提高太阳能驱动热声热机的实际效率。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供的整体式太阳能驱动热声制冷装置，包括：太阳能聚光装置(1)、热声发动机和热声制冷机；其中热声发动机为驻波型热声发动机，包括：依次相连的高温热腔(2)、发动机加热器(3)、发动机回热器(4)和发动机室温端冷却器(5)；热声制冷机通过谐振管(6)与热声发动机连接；其特征在于，发动机加热器位于太阳能聚光装置(1)的聚光点，用于接收太阳能并实现高温加热，驱动热声发动机产生声波，产生的声波再驱动热声制冷机产生冷量；采用组合抛物面聚光器(1)的顺向聚焦集热技术，由于集光装置(1)的焦点不在反射凹面的内侧，而在其圆柱镜反射面形成的直管(2)内；发动机加热器直接放置在直管段(2)中集光装置焦点上，并且直接利用热声发动机高温热腔(2)的圆柱管管壁作为圆柱镜反射面进行反射聚焦，将太阳能聚光装置(1)的圆柱镜反射面与热声发动机的高温热腔(2)整合为一个元器件，这样热声热机装置不会在反射面上产生阴影，增加了反射面的集光面积，也使太阳能驱动热声热机装置的设计、安装、调试和维修维护带来方便。

本实用新型的整体式太阳能驱动热声制冷装置，包括所述太阳能聚光装置(1)由组合抛物面聚光器(15)和圆柱镜反射面(16)组成。

所述组合抛物面聚光器(15)的焦线经圆柱镜反射面(16)反射后形成镜像焦点(17)。

所述组合抛物面聚光器(1)是这样得到的，将平面内的开口向上的抛物线沿水平方向平移一个满足特定条件的距离(27)，平移后的抛物线与原抛物线相互交叉，平移后的抛物线焦点(24)与原抛物线焦点(25)的距离与平移距离相同，去掉交点两侧有拐点的两个抛物线段(20)和(21)，交点以上部分即为一个锥状的组合抛物线平面图形，然后水平地截去其尖顶部分，即虚线段(22)和(23)，剪截位置必须满足以下两个要求：第一，截口位置不能低于抛物线的焦点(24)位置；第二，截口宽度(26)正好是两个抛物线焦点距离(27)的一半。用这样的方法得到的由两条抛物线段(18)和(19)组成的平面图，绕其对称轴(28)旋转即可得到组合抛物面聚光器(1)。

所述圆柱镜反射面(16)的直径等于抛物线平移距离或平移前后抛物线焦点距离(27)的一半。

本实用新型的整体式太阳能驱动热声制冷装置，包括所述圆柱镜反射面(16)为高温热腔(2)的管壁。

本实用新型的整体式太阳能驱动热声制冷装置，还包括所述热声制冷机为驻波型热声制冷机，

所述驻波型热声制冷机包括依次相连的制冷机冷头(7)、制冷机回热器(8)、制冷机室温端冷却器(9)和制冷机室温管(14)。

本实用新型的整体式太阳能驱动热声制冷装置，还包括所述热声制冷机为驻波型热声制冷机，所述热声制冷机为行波型热声制冷机。

所述行波型热声制冷机为环形结构，包括依次相连的声功反馈管(12)、谐振腔(13)、制冷机室温端冷却器(9)、制冷机回热器(8)、制冷机冷头(7)、热缓冲管(10)组成声波环路。

本实用新型的整体式太阳能驱动热声制冷装置，还可进一步包括安装于所述热缓冲管(10)中的层流化元件(11)。

本实用新型的整体式太阳能驱动热声制冷装置与现有技术相比，其关键技术在于：

采用组合抛物面聚光器，由于该集光装置的焦点不在反射凹面的内侧，而在其圆柱镜反射面形成的直管内。将其应用在热声转换技术领域，发动机加热器直接放置在直管段中集光装置焦点上，并且直接利用热声发动机高温热腔的圆柱管管壁作为圆柱镜反射面进行反射聚焦，将太阳能聚光装置的圆柱镜反射面与热声发动机的高温热腔整合为一个元器件，这样热声热机装置不会在反射面上产生阴影，增加了反射面的集光面积，也使太阳能驱动热声热机装置的设计、安装、调试和维修维护带来方便。

本实用新型的整体式太阳能驱动热声制冷装置具备如下优点：

本实用新型的整体式太阳能驱动热声制冷装置将太阳能聚光装置、热声发动机和热声制冷机有效地结合为一体，使系统结构紧凑化和整体化，便于设计、安装、调试和维修维护。同时采用顺向聚焦集热技术，热声热机装置位于太阳能聚光装置的反射凹面外侧，不会在反射面上产生阴影，增加了反射面的集光面积，从而提高太阳能驱动热声热机的实际效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例1结构示意图；

图2为本实用新型实施例2结构示意图；

图3为太阳能聚光装置的结构图；

图4为太阳能聚光装置形成原理图；

附图标记说明：

1-太阳能聚光装置、2-发动机高温热腔、3-发动机加热器、4-发动机回热器、5-发动机室温端冷却器、6-谐振管、9-制冷机室温端冷却器、8-制冷机回热器、9-制冷机冷头、10-热缓冲管、11-层流化元件、12-声功反馈管、13-谐振腔、14-制冷机室温管、15-组合抛物面聚光器、16-圆柱镜反射面、17-太阳能聚光装置焦点、18-左抛物线段、19-右抛物线段、20-左带拐点的抛物线段、21-右带拐点的抛物线段、22-左虚线段、23-右虚线段、24平移后的抛物线焦点、25-原抛物线焦点、26-截口宽度、27-两个抛物线焦点距离。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本实用新型：

实施例1

本实施例的结构如图7所示，它包括依次相连的太阳能聚光装置1、驻波型热声发动机包括依次相连的发动机高温热腔2、发动机加热器3、发动机回热器4和发动机室温端冷却器5、谐振管6、和行波型热声制冷机包括依次相连的声功反馈管12、谐振腔13、制冷机室温端冷却器9、制冷机回热器8、制冷机冷头7、热缓冲管10和层流化元件11组成声波环路。

本是实例中，发动机加热器3位于太阳能聚光装置1的聚光点，用于接收太阳能并实现高温加热，驱动热声发动机产生声波，产生的声波再驱动热声制冷机产生冷量。

本实施例中，太阳能聚光装置1由组合抛物面聚光器15和圆柱镜反射面16组成。

具体地，组合抛物面聚光器1是这样得到的，将平面内的开口向上的抛物线沿水平方向平移一个满足特定条件的距离27，平移后的抛物线与原抛物线相互交叉，平移后的抛物线焦点24与原抛物线焦点25的距离与平移距离相同，去掉交点两侧有拐点的两个抛物线段20和21，交点以上部分即为一个锥状的组合抛物线平面图形，然后水平地截去其尖顶部分，即虚线段22和23，剪截位置必须满足以下两个要求：第一，截口位置不能低于抛物线的焦点24位置；第二，截口宽度26正好是两个抛物线焦点距离27的一半。用这样的方法得到的由两条抛物线段18和19组成的平面图，绕其对称轴28旋转即可得到组合抛物面聚光器1。

实施例2

本实施例的结构如图7所示，它包括依次相连的太阳能聚光装置1、驻波型热声发动机包括依次相连的发动机高温热腔2、发动机加热器3、发动机回热器4和发动机室温端冷却器5、谐振管6、和驻波型热声制冷机包括依次相连的制冷机冷头7、制冷机回热器8、制冷机室温端冷却器9和制冷机室温管14。

本是实例中，发动机加热器3位于太阳能聚光装置1的聚光点，用于接收太阳能并实现高温加热，驱动热声发动机产生声波，产生的声波再驱动热声制冷机产生冷量。

本实施例中，太阳能聚光装置1由组合抛物面聚光器15和圆柱镜反射面16组成。

具体地，组合抛物面聚光器1是这样得到的，将平面内的开口向上的抛物线沿水平方向平移一个满足特定条件的距离27，平移后的抛物线与原抛物线相互交叉，平移后的抛物线焦点24与原抛物线焦点25的距离与平移距离相同，去掉交点两侧有拐点的两个抛物线段20和21，交点以上部分即为一个锥状的组合抛物线平面图形，然后水平地截去其尖顶部分，即虚线段22和23，剪截位置必须满足以下两个要求：第一，截口位置不能低于抛物线的焦点24位置；第二，截口宽度26正好是两个抛物线焦点距离27的一半。用这样的方法得到的由两条抛物线段18和19组成的平面图，绕其对称轴28旋转即可得到组合抛物面聚光器1。

Claims (8)

1.整体式太阳能驱动热声制冷装置，包括：太阳能聚光装置(1)、热声发动机和热声制冷机；其中热声发动机为驻波型热声发动机，包括：依次相连的高温热腔(2)、发动机加热器(3)、发动机回热器(4)和发动机室温端冷却器(5)；热声制冷机通过谐振管(6)与热声发动机连接；其特征在于，发动机加热器位于太阳能聚光装置(1)的聚光点；发动机加热器直接放置在直管段中集光装置焦点上。

2.如权利要求1所述的整体式太阳能驱动热声制冷装置，其特征在于，所述太阳能聚光装置(1)由组合抛物面聚光器(15)和圆柱镜反射面(16)组成。

3.如权利要求书2所述的整体式太阳能驱动热声制冷装置，其特征在于，圆柱镜反射面(16)的直径等于抛物线平移距离或平移前后抛物线焦点距离(27)的一半。

4.如权利要求2所述的整体式太阳能驱动热声制冷装置，其特征在于，圆柱镜反射面(16)为高温热腔(2)的管壁。

5.如权利要求1所述的整体式太阳能驱动热声制冷装置，其特征在于，所述热声制冷机为驻波型热声制冷机。

6.如权利要求1所述的整体式太阳能驱动热声制冷装置，其特征在于，所述热声制冷机为行波型热声制冷机。

7.如权利要求6所述的整体式太阳能驱动热声制冷装置，其特征在于，所述行波型热声制冷机为环形结构，包括：依次相连的声功反馈管(12)、谐振腔(13)、制冷机室温端冷却器(9)、制冷机回热器(8)、制冷机冷头(7)、热缓冲管(10)组成的声波环路。

8.如权利要求7所述的整体式太阳能驱动热声制冷装置，其特征在于，还进一步包括安装于所述热缓冲管(10)中的层流化元件(11)。 

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