CN2702246Y - 热声制冷机板叠 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热声制冷机板叠。本实用新型提供的板叠具有圆棒，在圆棒外固定有螺旋型柔性板，螺旋型柔性板上横向固定有间距均匀的间隔物，间隔物之间的间隙为工作流体的通道，具有结构简单，加工方便，可重复性好的优点。

Description

热声制冷机板叠

                             技术领域

本实用新型涉及一种热声制冷机板叠，板叠连接着制冷机高低温端，是热声效应发生的场所，是热声制冷机不可缺少的一部分。

                             背景技术

热声制冷机的核心部件包括作为动力源的声驱动器及用来带走声驱动器产生热量的换热器、共振管、热声板叠及其两端的冷、热换热器。系统由以上几个独立部件组成，便于部件的更换与优化。冷热换热器分别处于板叠两端，由于声驱动器的振荡压迫工作流体产生压力波，在热声板叠的轴向形成一个温度梯度。热换热器把热声板叠的高温端温度稳定在环境温度，因此热声板叠的轴向温度梯度的大小就主要取决于声驱动器提供的声功功率。靠近板叠表面的气体与板叠表面的相互作用，并按一定的方式吸取或供给气体热能就可以产生热声振荡。若沿板叠表面沿轴向方向有足够大的温度梯度则产生声波将得以维持[5]；相反，声功也可以被吸收用来泵热。热声效应的产生机理可通过一个装满气体的管子来形象的演示。将管子一端封闭，另一端放置一往返振荡的活塞，压缩和膨胀管中气体。整个热力学循环包括，两个绝热压缩过程和两个定压换热过程。

在第一步压缩过程中，气团既沿壁面进行移动，同时气体压缩体积缩小，有两个温度很重要，即气体绝热压缩温度和靠近气团的当地壁面温度。如果气体温度高于管壁温度，热流从气体转移到管壁(热泵)。如果气体温度相对较低，热从管壁转移到气体(发动机)，热功守恒而且可以通过改变沿壁面温度梯度来实现他们之间的转换。小的温度梯度是泵热的必要条件；同样，大的温度梯度是热声发动机的必要条件，临界温度梯度是制冷机与发动机的界限。由于绝热压缩，在泵热过程中，会吸收声功用以将热从低温端泵送到高温端，因此，需要源源不断的提供声功来完成此过程。在热声发动机中，气体在高压下膨胀吸热，在低压下压缩放热，因而能够产生声功，在这种情况下，需要较大的温度梯度来维持声振荡。所有周期性热机与制冷机的热功转化都需要一定时间相位来完成其运行，也就是要控制系统与热源及冷源的换热过程相位。在热声装置中，这种时间相位是由于存在两种热媒(气体和板叠表面)而得以实现的。正因为如此在第二步和第四步热交换过程中，气体的温度和运动存在热滞后。在此过程中，值得注意的是并非共振管中所有的气体对热声效应都存在着影响。那些远离管壁的气体微团，由于与壁面没有很好的热接触，它们仅在声波的作用下进行简单地可逆绝热压缩和膨胀，就连那些处在离管壁很接近的区域内的气体微团，虽然与壁面的热接触较好，同样只能简单地绝热压缩和膨胀。只有那些位于一个热渗透深度内的气体微团，它们有足够好的热接触来与管壁进行热交换，并且存在气体微团运动和热交换之间产生时间滞后，这对泵热过程非常重要。所谓热渗透深度，就是在时间1/πf内热在气体中所扩散的距离，其中f为声波频率。由于板叠上存在很大的温度梯度，因此有声功产生，这样的装置的性能和发动机一样；Γ＜1时，需要泵送热量来维持温度度，因而需要声功，这样装置可以作为制冷机。总的说来，如果要产生制冷效果只需板叠上的温度梯度小于临界温度梯度，而如果给板叠强加一个很大的温度梯度，使之大于临界温度梯度，则会产生声功。

                             发明内容

本实用新型的目的是提供一种热声制冷机板叠。

它具有圆棒，在圆棒外固定有螺旋型柔性板，螺旋型柔性板上横向固定有间距均匀的间隔物，间隔物之间的间隙为工作流体的通道。

热声效应是热与声之间相互转换的现象，即声场中的工作流体与固体介质之间的时均热力学效应。热声制冷机是一种通过热声效应实现热能与声能转化的装置。热声制冷机可以利用环境噪声就可以使振荡流体的速度和压力之间建立起合适的相位关系，系统中除振荡气体外，没有运动部件，特别是消除了滑动密封部件，因此结构简单且运行寿命长。

热声制冷机的核心部件包括作为动力源的声驱动器及用来带走声驱动器产生热量的换热器、共振管、热声板叠及其两端的冷、热换热器。系统由以上几个独立部件组成，便于部件的更换与优化。

本实用新型提供的板叠具有圆棒，在圆棒外固定有螺旋型柔性板，螺旋型柔性板上横向固定有间距均匀的间隔物，间隔物之间的间隙为工作流体的通道，具有结构简单，加工方便，可重复性好的优点。

                             附图说明

图1：热声制冷机板叠结构示意图，图中：柔性板1、间隔物2、圆棒3；

图2：热声制冷机原理示意图，图中：板叠4、低端换热器5、高端换热器6、谐振管7；

图3：热声制冷机板叠制作平台结构示意图，图中：固定杆8、工作平台9。

                             具体实施方式

如图1所示，热声制冷机板叠具有圆棒3，在圆棒外固定有螺旋型柔性板1，螺旋型柔性板上横向固定有间距均匀的间隔物2，间隔物之间的间隙为工作流体的通道。

螺旋型柔性板的材料为热导率较低的聚酯薄膜，其形状为长方形。圆棒的材料为热导率较低的不锈钢、陶瓷，其形状为圆柱形。  间隔物的材料为热导率较低的聚酯线、尼龙线、不锈钢、陶瓷，其形状为圆柱形。

如图2所示，板叠连接着制冷机高低温端，为了减小由于热传导而导致制冷量损失，以及保持板叠中温度梯度的稳定，板叠材料导热率必须较低，并且其比热容须比工作流体大，满足以上条件能用作板叠的材料很多如聚酯薄膜、陶瓷、不锈钢。板叠的设计主要是指其结构设计，包括板叠型式或与间距选择和板叠中心位置、板叠长度以及板叠直径的确定。板叠有平板型、多孔材料型、细管型(包括圆和方形)、丝网型和针棒型等多种型式，其中针棒型板叠性能最佳，平板型板叠性能次之，但考虑到针棒型制造工艺较为复杂，因此，一般采用平板型板叠，其水力半径为平板间距的一半。

如图3所示在柔性板上均匀粘贴有低热导率间隔物，在间隔物之间形成工作流体流动的通道，具有加工方便，可重复性好是本发明的优点。由热声学基本原理可知，热声效应只发生在距平板约一个热渗透深度范围内，若板叠间距取得过大，必然有一部分面积不参与热声泵热，影响热声转化效率；间距取得过小，粘滞损失会相应增加，同样会影响热声转化效率。

板叠中心位置和长度是两个很重要的参数。中心位置直接关系到板叠中热声转化效率的高低，而板叠长度决定在最佳中心位置时能否获得最高制冷效率及最低制冷温度。板叠最佳位置应在压力波腹与速度波腹之间。当板叠中心位置和板叠两端温差确定时，其长度有一个最佳值，在该长度下制冷机的效率最高，并且最佳板叠长度随中心位置的减少而减少。对某一驱动压比而言，当板叠中心位置确定时存在一个是制冷机冷端达到最低温度的板叠长度，该长度大于最佳板叠长度。

板叠是热声制冷机中的关键部件，它的结构与材料对制冷效果有直接影响。为了使板叠的温度梯度比较稳定，板叠的材料的热导率必须较小，比热容也须比工作流体大，因此我们选用聚脂薄膜做材料。常用的板叠主要有两种形式：平行板叠和丝网板叠。两种板叠各有优缺点。平行板叠的优点是流道畅通，气流阻力小。但由于要求较高，尤其是要求流道间距保持在0.38mm，其制作难度大。丝网板叠是由金属或非金属丝网叠加而成的。与平行板叠相比，丝网板叠加工简单，但其轴向热阻由于许多片叠加而增大。由于加工和填装时的随机性，丝网型板叠中不同丝网片之间的铜丝相互交错，不能形成一个线性通道的网孔供流体穿行，从而使得流道中的层流被严重破坏，影响径向温度梯度的建立，使得热声效应减弱。因此我们采用与平行流道具有相近几何结构的板叠——螺旋形结构板叠。其制作过程如下：选用0.06mm厚的聚脂薄膜，将其剪成宽度为85.0mm的长条，长度为3.8m，这样才能得到直径为38mm的螺旋形结构板叠。先用丙酮清洗，再将薄膜平放在高精度镜面平板上，将钓鱼线绕在线板上，同时拉紧线的两端以保证定位，在聚脂薄膜的前50cm钓鱼线之间的距离取为3.5mm，以后的间距为7mm。在线的下面均匀涂上504胶水，然后将钓鱼线盖在聚脂薄膜上，再用另一平板压住。干燥后切割、修整，使钓鱼线在薄膜边缘处平整，以免气流受到干扰而影响内部流场和温度场。同时在制作时要注意线的张力控制在适当的范围，以免将线切断时薄膜受力卷曲。最后将制作好的薄膜一端用透明胶带粘在直径为6mm的PVC棒上，以适当的张力将薄膜卷起来。卷好后，对光观察以确定层隙是否均匀，合乎要求后用小刀将板叠的直径修整到38.0mm，薄膜的外端沿接口用透明胶带粘住，这样一个完整的板叠便制作成了。

Claims (4)

1.一种热声制冷机板叠，其特征在于：具有圆棒(3)，在圆棒外固定有螺旋型柔性板(1)，螺旋型柔性板上横向固定有间距均匀的间隔物(2)，间隔物之间的间隙为工作流体的通道。

2.根据权利要求1所述的一种热声制冷机板叠，其特征在于：所说的螺旋型柔性板的材料为聚酯薄膜，其形状为长方形。

3.根据权利要求1所述的一种热声制冷机板叠，其特征在于：所说的圆棒的材料为不锈钢、陶瓷，其形状为圆柱形。

4.根据权利要求1所述的一种热声制冷机板叠，其特征在于：所说的间隔物的材料为聚酯线、尼龙线、不锈钢、陶瓷，其形状为圆柱形。

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