CN218895542U - 阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及热声技术领域，提供一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，包括：每个热声单元包括热声发动机和热声制冷机/热泵，热声发动机内设置有阶梯活塞，阶梯活塞能够在热声发动机内往复运动，阶梯活塞与热声发动机的壁面之间存在间隙，间隙内设置有密封圈或采用间隙密封；多个热声单元依次通过连接管连接成环形管路。上述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，通过在每个热声发动机内设置阶梯活塞，利用阶梯活塞往复运动做功，可将热声发动机产生的部分声功消耗，从而减小进入热声制冷机/热泵内的声功的量，以实现更高加热温度条件下热声发动机产生的声功与热声制冷机/热泵需要消耗声功之间的高效能匹配。
Description
技术领域
本实用新型涉及热声技术领域，尤其涉及一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统。
背景技术
热声技术是基于热声效应，即热能与声能这种形式的机械能之间的能量相互转换现象，热声正效应能够将热能转换为声功，而热声逆效应则可以通过声功驱动来产生制冷或泵热。热驱动热声制冷机/热泵系统正是基于热声正效应和热声逆效应，热声发动机单元将热能转化为声功，并直接用于驱动热声制冷机/热泵单元，从而实现热能-声能-制冷/泵热的能量转换过程。热驱动热声制冷机/热泵系统具有结构紧凑、功率密度和潜在效率高、工质绿色环保等优势，尤其在电力缺乏但热能丰富的场合具有良好的应用前景。
热声热声制冷机/热泵系统可分为双驻波型、行驻波混合型以及双行波型。与双驻波型和行驻波混合型相比，双行波环路型制冷机/热泵在理论和实验上均初步显示具有更高的热制冷效率和功率密度。但是，对于双行波环路型制冷机/热泵系统，当加热温度升高时，热声发动机单元所产生声功较多，而热声制冷机/热泵单元的耗功量较少，系统能量不匹配，会使得整机系统热驱动制冷/制热系数严重下降。
实用新型内容
本实用新型提供一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，用以解决现有技术中当热端温度较高时，热声发动机所产生的声功与热声制冷机/热泵所消耗声功不匹配的缺陷。
本实用新型提供一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，包括：多个热声单元，每个所述热声单元包括热声发动机和热声制冷机/热泵，所述热声发动机内设置有阶梯活塞，所述阶梯活塞能够在所述热声发动机内往复运动，所述阶梯活塞与所述热声发动机的壁面之间存在间隙，所述间隙内设置有密封圈或采用间隙密封；多个连接管，多个所述热声单元依次通过所述连接管连接成环形管路。
根据本实用新型提供的一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，还包括多个气液耦合谐振器，每个所述气液耦合谐振器设置于相邻的两个所述热声单元之间，每个所述气液耦合谐振器的两端分别与所述连接管连通，所述气液耦合谐振器用于调节所述阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统的共振频率。
根据本实用新型提供的一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，所述热声发动机还包括：第一换热器、第一回热器和第二换热器，所述第一换热器、所述第一回热器和所述第二换热器依次排布，所述第一换热器、所述第一回热器和所述第二换热器均为环形结构，所述阶梯活塞的部分位于所述环形结构的内腔内。
根据本实用新型提供的一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，所述阶梯活塞包括第一本体和第二本体，所述第一本体的直径大于所述第二本体的直径，所述第二本体穿设于所述内腔内。
根据本实用新型提供的一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，所述热声发动机还包括第一缓冲管，所述第二换热器与所述热声制冷机/热泵通过所述第一缓冲管连接。
根据本实用新型提供的一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，所述热声发动机还包括：冷源，用于维持所述第一换热器的温度；热源，用于提高所述第二换热器的温度。
根据本实用新型提供的一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，所述热声制冷机/热泵包括：第三换热器、第二回热器和第四换热器，所述第三换热器、所述第二回热器和所述第四换热器依次排布，其中，所述第三换热器与所述第一缓冲管连接。
根据本实用新型提供的一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，所述热声制冷机/热泵还包括第二缓冲管，所述第二缓冲管与所述第四换热器连接。
根据本实用新型提供的一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，所述气液耦合谐振器包括U型管体，所述U型管体的两端分别与所述连接管连接，所述U型管体内填充有液体，所述液体用于调节共振频率。
根据本实用新型提供的一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，还包括液体分隔元件，所述液体分隔元件设置于所述U型管体内液体上方，每个所述U型管体的两侧液体上方均设置有所述液体分隔元件，以将液体阻挡在所述U型管体内。
本实用新型提供的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，通过在每个热声发动机内设置阶梯活塞，阶梯活塞做功可将热声发动机部分声功消耗，从而减少进入热声制冷机/热泵内的声功的量，以实现更高加热温度条件下热声发动机产生的声功与热声制冷机/热泵需要消耗声功之间的高效能匹配。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型提供的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统的结构示意图之一；
图2是本实用新型提供的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统的结构示意图之二；
图3是本实用新型提供的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统的结构示意图之三；
图4是图1中示出的气液耦合谐振器的结构示意图；
附图标记：
10：热声发动机；11：阶梯活塞；12：第一换热器；13：第一回热器；14：第二换热器；15：第一缓冲管；16：密封圈；20：热声制冷机/热泵；21：第三换热器；22：第二回热器；23：第四换热器；24：第二缓冲管；100：热声单元；200：连接管；300：气液耦合谐振器；301：U型管体；400：液体分隔元件。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
下面结合图1-图4描述本实用新型的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统。
如图1、图2和图3所示，在本实用新型的实施例中，阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统包括：多个热声单元100和多个连接管200。多个热声单元100依次通过连接管200连接形成环形管路，每个热声单元100包括热声发动机10和热声制冷机/热泵20，每个热声发动机10内设置有阶梯活塞11，阶梯活塞11能够在热声发动机10内往复运动，阶梯活塞11与热声发动机的壁面之间存在间隙，该间隙内设置有密封圈16或采用间隙密封。
具体来说，在本实施例中，多个热声单元100依次连接形成环形管路。每个热声单元100均包括一个热声发动机10和一个热声制冷机/热泵20。热声发动机10用于将热能转化为声功形式的机械能，声功进入热声制冷机/热泵20完成制冷/泵热过程。
热声制冷机/热泵20若想要获得较好的热力性能，系统运行时的热端加热温度Th、冷端温度Tc以及中温放热温度T0这三个温度工况参数之间会存在一定的制约关系，即Th近似等于T0·T0/Tc。当热端加热温度Th较高时，热声发动机10单元产生的声功过多，不能被热声制冷机/热泵20有效利用，导致二者功流不匹配而使整机热力性能并不能随着热端加热温度的升高而得到有效提高。
在本实施例中，热声发动机10内设置有阶梯活塞11，在热声发动机10的高温换热器温度较高时，热声发动机10产生的声功较多，此时，阶梯活塞11在热声发动机10内往复运动，阶梯活塞11做功消耗掉部分声功，从而减小了进入热声制冷机/热泵20内的声功，进而使进入热声制冷机/热泵20内的声功的量与热声制冷机/热泵20能够消耗的声功的量相匹配，以提高系统热力学性能。
本实用新型实施例提供的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，通过在每个热声发动机内设置阶梯活塞，阶梯活塞做功可将热声发动机产生的部分声功消耗，从而减少进入热声制冷机/热泵内的声功的量，以实现更高加热温度条件下热声发动机产生的声功与热声制冷机/热泵需要消耗声功之间的高效能匹配。
进一步地，在本实用新型的实施例中，热声单元100的数量可以为2个、3个或4个等。
如图1、图2和图3所示，在本实用新型的实施例中，每个热声发动机10还包括：第一换热器12、第一回热器13和第二换热器14。第一换热器12、第一回热器13和第二换热器14依次排布，第一换热器12、第一回热器13和第二换热器14均为环形结构，阶梯活塞11的部分位于该环形结构的内腔内。进一步地，热声发动机10还包括冷源和热源。冷源用于为第一换热器12提供冷量，热源用于为第二换热器14提供热量。
具体来说，第一换热器12由冷源进行冷却，使其维持所需要的环境温度，第二换热器14由热源进行加热，使其具有较高的温度，由于第一换热器12和第二换热器14设置于第一回热器13的两侧，从而可在第一回热器13的两侧产生温度梯度，当第一回热器13的轴向温度梯度超过临界值时，第一回热器13内的气体产生自激振荡，将热能转化为声功形式的机械能。进一步地，阶梯活塞11在第一换热器12、第一回热器13和第二换热器14的内腔组成的空间内往复运动，阶梯活塞11运动做功可消耗部分声功，进而减小了进入热声制冷机/热泵20内的声功的量，以实现更高加热温度条件下热声发动机10产生的声功与热声制冷机/热泵20需要消耗声功之间的高效能匹配，从而构建出一种在中高加热温度工况下具有更高制冷/泵热效率的热驱动热声制冷机/热泵系统。
进一步地，在本实用新型的实施例中，每个热声发动机10还包括第一缓冲管15。第二换热器14与热声制冷机/热泵20通过第一缓冲管15连接。
具体来说，每个由热声发动机10与热声制冷机/热泵20构成的热声核心单元通过较长的气体谐振管连接，导致热驱动热声制冷机/热泵系统的体积较大。在本实施例中，传统较长的气体谐振管被U型气液谐振器300替换，可以有效的减小了热驱动热声制冷机/热泵系统的体积，同时降低了声功在传统气体谐振管内传递时的能量损失。
如图1、图2和图3所示，在本实用新型的实施例中，每个热声制冷机/热泵20包括：第三换热器21、第二回热器22和第四换热器23。第三换热器21、第二回热器22和第四换热器23依次排布，其中，第三换热器21与第一缓冲管15连接。
具体来说，在本实施例中，第三换热器21为室温换热器，第四换热器23为低温换热器，其中，第四换热器23的温度低于第三换热器21的温度。热声发动机10产生的声功形式的机械能，通过第一缓冲管15进入热声制冷机/热泵20内，完成制冷/泵热过程。
如图1、图2和图3所示，在本实用新型的实施例中，阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统还包括多个气液耦合谐振器300。每个气液耦合谐振器300设置于相邻的两个热声单元100之间，每个气液耦合谐振器300的两端分别与连接管200连接，气液耦合谐振器300用于调节共振频率。
具体来说，在本实施例中，热声发动机10产生的声功中的部分声功由阶梯活塞11分流，剩余部分声功进入热声制冷机/热泵20内产生制冷/泵热效应，多余的声功通过气液耦合谐振器300传递至下一个热声单元100。
进一步地，在现有技术中，两个热声单元100之间设置有气体谐振器，气体谐振器的质量密度较小，声感较低，从而限制了热驱动热声制冷机/热泵系统的功率密度。采用质量密度较小的气体工质作为谐振器，输出压比通常仅在1.0-1.1，即使采用氮气等大分子量的气体也难以达到要求，而在频率方向，50Hz左右的连接管长度一般需要数米到数十米，如果要降低工作频率至30Hz以下，还需要进一步增加连接管长度，导致热驱动热声制冷机/热泵系统的体积较为庞大。
在本实施例中，在相邻两个热声单元100之间设置气液耦合谐振器300，采用气体和液体作为谐振器的振子，有效利用液体振子的高质量惯性声感和气体振子的高可压缩性声容，强化声震荡，进而提高了热驱动热声制冷机/热泵系统的效率，减小了热驱动热声制冷机/热泵系统的体积。
如图4所示，在本实用新型的实施例中，气液耦合谐振器300包括U型管体301，该U型管体301的两端分别与连接管200连接，U型管体301内填充有液体，液体用于调节共振频率及声学相位。
进一步地，阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统还包括多个液体分隔元件400，设置于U型管体301内液体上方，每个U型管体301的液体上方均设置有液体分隔元件400，防止液体在系统运行中溅入核心单元，影响热驱动热声制冷机/热泵系统的性能。
在本实用新型的实施例中，液体分隔元件400可以选用弹性膜或浮子。当液体分隔元件400为浮子时，浮子必须布置于液体的表面，且其密度大致与液体相当，或略小于液体。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，包括：
多个热声单元，每个所述热声单元包括热声发动机和热声制冷机/热泵，所述热声发动机内设置有阶梯活塞，所述阶梯活塞能够在所述热声发动机内往复运动，所述阶梯活塞与所述热声发动机的壁面之间存在间隙，所述间隙内设置有密封圈或采用间隙密封；
多个连接管，多个所述热声单元依次通过所述连接管连接成环形管路。
2.根据权利要求1所述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，还包括多个气液耦合谐振器，每个所述气液耦合谐振器设置于相邻的两个所述热声单元之间，每个所述气液耦合谐振器的两端分别与所述连接管连通，所述气液耦合谐振器用于调节所述阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统的共振频率。
3.根据权利要求1所述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，所述热声发动机还包括：第一换热器、第一回热器和第二换热器，所述第一换热器、所述第一回热器和所述第二换热器依次排布，所述第一换热器、所述第一回热器和所述第二换热器均为环形结构，所述阶梯活塞的部分位于所述环形结构的内腔内。
4.根据权利要求3所述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，所述阶梯活塞包括第一本体和第二本体，所述第一本体的直径大于所述第二本体的直径，所述第二本体穿设于所述内腔内。
5.根据权利要求3所述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，所述热声发动机还包括第一缓冲管，所述第二换热器与所述热声制冷机/热泵通过所述第一缓冲管连接。
6.根据权利要求3所述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，所述热声发动机还包括：
冷源，用于降低所述第一换热器的温度；
热源，用于提高所述第二换热器的温度。
7.根据权利要求5所述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，所述热声制冷机/热泵包括：第三换热器、第二回热器和第四换热器，所述第三换热器、所述第二回热器和所述第四换热器依次排布，其中，所述第三换热器与所述第一缓冲管连接。
8.根据权利要求7所述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，所述热声制冷机/热泵还包括第二缓冲管，所述第二缓冲管与所述第四换热器连接。
9.根据权利要求2所述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，所述气液耦合谐振器包括U型管体，所述U型管体的两端分别与所述连接管连接，所述U型管体内填充有液体，所述液体用于调节共振频率及声学相位。
10.根据权利要求9所述的阶梯活塞分流型热驱动热声制冷机/热泵系统，其特征在于，还包括液体分隔元件，所述液体分隔元件设置于所述U型管体内液体上方，每个所述U型管体的两侧液体上方均设置有所述液体分隔元件，以将液体阻挡在所述U型管体内。
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