CN2913968Y - 耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置。它具有声功传输装置、密封罩，声功传输装置上设有下法兰，在下法兰上设有波纹管、波纹管密封板，密封罩具有上法兰，在上法兰上设有密封套管。密封套管具有直管段和与脉管制冷机连接的变径过渡管。上、下法兰通过螺栓或焊接连接。由于波纹管是柔性部件，所以在其弹性限度内可以高效传输声功，当把其一端封闭后，又可以隔断两侧的质量交换。因此，如果把这种连接装置用于热声发动机和脉管制冷机之间的连接，则可以实现在热声发动机和脉管制冷机分别采用不同工质的目的，同时，热声发动机的声功还可以高效地传给脉管制冷机。

Description

耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置

技术领域

本实用新型涉及一种耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置，它适用于热声发动机与各种型式制冷机之间的连接匹配。

背景技术

热声发动机利用热声效应把热能转换为声功，消除了高温和常温下的运动部件，具有结构简单、运行可靠、直接以热能为动力、工质环保性好等突出优点；脉管制冷机消除了低温运动部件，也具有结构简单、运行可靠和工质环保性好等优点。因此二者结合就构成完全没有运动部件的热声制冷系统，在天然气液化、电子器件冷却和近室温制冷等方面显示出巨大的应用潜力。

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。

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，目前已经开始出现用热声驱动的多级脉管制冷机。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，所以调相机构对于脉管制冷机至关重要。

从目前的研究现状看，热声发动机驱动的脉管制冷机系统性能要提高，必须优化发动机和制冷机之间的匹配，需要做两方面的工作。在热声发动机方面，首先要使发动机具有稳定的压力振荡，即单频性和频率稳定性要好；其次要提高发动机的驱动能力，压比作为评价发动机驱动能力的主要指标，是脉管制冷机赖以工作的动力，要使脉管制冷机获得低制冷温度和大制冷功率就要求发动机有高的输出压比。对于脉管制冷机来说，与发动机对接的最大问题是频率匹配。脉管制冷机分为两类，一类是G-M型脉管制冷机，一般工作在2Hz以下；另一类是斯特林型脉管制冷机，其频率范围一般为15～60Hz。而采用氦气为工质的热声发动机工作频率一般在70Hz以上，所以二者之间的频率匹配是一个需要解决的问题。最后，对于热声发动机和脉管制冷机来说，还存在一个工质匹配，一些工质，如氮气和氩气，是很好的压缩机工质，用于热声发动机可以获得较高的压比，但传输性质不理想，不利于低温制冷机的工作，另外一些工质，如氦气，热量的传输特性好，同时又具有很低的沸点，所以是很好的低温制冷工质，但用在热声发动机中却不易获得高的压比。如果能在热声发动机采用氮气等工质，在制冷机中采用氦气为工质，把二者通过一个连接部件连接，这样就可以同时利用两种工质的优点，而消除其不利方面。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置。

它具有声功传输装置、密封罩，声功传输装置上设有下法兰，在下法兰上设有波纹管、波纹管密封板。密封罩具有上法兰，在上法兰上设有密封套管。密封套管具有直管段和与脉管制冷机连接的变径过渡管。上、下法兰通过螺栓连接或直接焊接连接。

本实用新型为优化热声发动机与脉管制冷机之间的工质匹配，以满足工程需要，提出一种新型的波纹管连接装置。由于波纹管是柔性部件，所以在其弹性限度内可以高效传输声功，当把其一端封闭后，又可以隔断两侧的质量交换。因此，如果把这种连接装置用于热声发动机和脉管制冷机之间的连接，则可以实现在热声发动机和脉管制冷机分别采用不同工质的目的，同时，热声发动机的声功还可以高效地传给脉管制冷机。

附图说明

附图是耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置结构示意图。

具体实施方式

首先要选择合适的波纹管，材质、长度和可伸缩性都能满足热声发动机中的声功传输要求。

如附图所示，耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置具有声功传输装置、密封罩，声功传输装置上设有下法兰3，在下法兰上设有波纹管2、波纹管密封板1，密封罩具有上法兰4，在上法兰上设有密封套管5。密封套管5具有直管段和与脉管制冷机连接的变径过渡管。上、下法兰通过螺栓或直接焊接连接。

在制作时，首先把波纹管2的一端用密封板1封住，可以用胶粘，也可以采用焊接方式；然后，把波纹管2的另一端焊接到下法兰3上，下法兰3的轴线方向上留有与热声发动机输出端对接的开口，直接与热声发动机连接；密封套管5包括一段直管和一段变径过渡管，通过焊接连接，变径过渡管的另一开口端与脉管制冷机连接，密封套管与上法兰焊接在一起。最后，把上下法兰按照附图所示方向通过螺栓或焊接固定连接，之间采用O型圈或金属密封。工作中波纹管2在密封罩内运动，把发动机的声功传输给脉管制冷机。

制作完成后，就可以把波纹管连接装置接在脉管制冷机和热声发动机之间，端口对应附图所示。工作时，热声发动机侧的气体工质带动波纹管2运动，波纹管密封板1像活塞一样对脉管制冷机侧的工质进行压缩和膨胀做功，即把声功从热声发动机传递给脉管制冷机，同时由于密封板1的阻隔作用，热声发动机与脉管制冷机之间的工质互相独立，保证了各自之间的独立运行。从而实现热声发动机驱动脉管制冷系统中的工质匹配。

Claims (3)

1.一种耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置，其特征在于，它具有声功传输装置、密封罩，声功传输装置上设有下法兰(3)，在下法兰上设有波纹管(2)、波纹管密封板(1)，密封罩具有上法兰(4)，在上法兰上设有密封套管(5)。

2.根据权利要求1所述的一种耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置，其特征在于，所述的密封套管(5)具有直管段和与脉管制冷机连接的变径过渡管。

3.根据权利要求1所述的一种耦合热声发动机和脉管制冷机的波纹管连接装置，其特征在于，所述的上、下法兰通过螺栓连接或焊接连接。