DE4303052C2

DE4303052C2 - Irreversible thermoakustische Wärmemaschine

Info

Publication number: DE4303052C2
Application number: DE19934303052
Authority: DE
Inventors: Marin Andreev Christov
Original assignee: Individual
Current assignee: CHRISTOV, MARIN ANDREEV, 01127 DRESDEN, DE
Priority date: 1993-02-03
Filing date: 1993-02-03
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: DE4303052A1

Description

Die Erfindung betrifft eine irreversible thermoakustische Wärmemaschine ge mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Wärmemaschinen, denen die Nutzung thermoakustischer Effekte zugrundeliegt, dienen zur Abgabe von Käl te an die Umgebung und finden beispielsweise Anwendung bei der Verflüssi gung von Gasen, sowie der direkten Kühlung von elektronischen Bauelementen. Irreversible thermoakustische Wärmemaschinen können auch in Kühlanlagen, z. B. in solche für Kraftfahrzeuge oder Kühlschränke eingebaut werden.

Irreversible thermoakustische Wärmemaschinen der obigen Gattung sind aus den Druckschriften US-48 58 441, US-4,722,201, US-4,398,398, und US-4,489,553 bekannt. Wie in der Fig. 4 gezeigt, bestehen solche Maschinen aus einer Schallquelle 1 beispielsweise aus einem Lautsprecher oder mechanisch- bzw. thermogetrie benen Pfeifen, einem ersten thermodynamischen Medium 7 beispielsweise aus einem Fluid, einem Resonanzkörper 3 z. B. ein Rohr, einem zweiten thermody namischen Medium 4 genannt auch thermoakustisches Paar beispielsweise be stehend aus einem Stapel von parallel liegenden und voneinander getrennten Platten, dessen Anfang und Ende mit 5 bzw. 6 bezeichnet sind. Als Fluid kann ein Gas beispielsweise He, Ar, Xe o. ä. aber auch Edelgasgemische bei spielsweise Xe/Ar, die ein möglichst großes Verhältnis der volumenbezogenen isobaren Wärmekapazität c_p zur volumenbezogenen isochoren Wärmekapazität c_v aufweisen, verwendet werden. Der Resonanzkörper 3 besteht vorzugsweise aus Metall beispielsweise Cu, Al o. ä. Als Material für das thermoakustische Paar 4 können Werkstoffe mit einem niedrigen Wärmeleitungskoeffizient ver wendet werden, beispielsweise Nylon, Mylar oder Kapton. Der Abstand d zwi schen den Platten muß größer sein als die charakteristische thermische Dif fusionslänge des ersten thermodynamischen Mediums

mit k - als charakteristischer Wärmediffusionskoeffizient
ω - Kreisfrequenz des Schalls ω = 2πf.

Der Wärmediffusionskoeffizient k ist durch

mit K - als Wärmeleitungskoeffizient des ersten thermodynamischen Mediums
ρ_m - als Dichte.

Der Anfang 5 und das Ende 6 des thermoakustischen Paares sind in Ausbrei tungsrichtung des Schalls nacheinander angeordnet.

Irreversible thermoakustische Wärmemaschinen dieser Gattung sind auch im Journal of Acoustical Society of America "Thermoacoustic engines" G.W.Swift 84 (4) October 1988 pp. 1145-1180 beschrieben worden. Diese Wärmemaschinen funktionieren in der Weise, daß durch die Schallwellen entlang der Platten oberfläche ein Entropiefluß induziert wird. Der Entropiefluß entsteht in folgender Weise:

1. Die Gasvolumina des ersten thermodynamischen Mediums 7, die sich nicht in unmittelbarer Nähe von den Oberflächen der Platten des thermoakustischen Paars 4 befinden, unterliegen reversiblen adiabatischen Kompressionen und Expansionen, die durch den Schall verursacht werden. Dabei entsteht noch kein Entropiefluß.
2. Die Gasvolumina, die sich in unmittelbarer Nähe der Plattenoberfläche befinden d. h. eine durch die charakteristische Wärmediffusionslänge gekenn zeichnete Gasschicht, unterliegen ebenfalls adiabatischen Kompressionen und Expansionen durch den Schall, die allerdings irreversibel sind.

Dieser physikalische Vorgang wird im folgenden anhand eines kleinen Gasvo lumens in unmittelbarer Nähe der Plattenoberfläche erläutert. In einer Halbperiode der Schallwelle wird das Gasvolumen adiabatisch komprimiert und gleichzeitig verschoben. Die Temperatur des Gasvolumens wird durch die Kom pression erhöht und durch den unmittelbaren Kontakt mit der Platte wird Wärme von dem Gasvolumen an die Platte abgegeben. Dabei entsteht erneut thermisches Gleichgewicht, d. h. die Gastemperatur und die Plattentemperatur gleichen sich an. In der nächsten Halbperiode der Schallwelle wird das Gas expandiert und an seiner Ursprungsstelle zurückverschoben. Zu diesem Zeit punkt ist die Gastemperatur niedriger als die Plattentemperatur. Um das thermische Gleichgewicht wieder herzustellen, wird Wärme von der Platte an das Gasvolumen abgegeben. Auf dieser Weise wird an einer Stelle der Platte Wärme aufgenommen und an einer anderen Stelle der Platte abgegeben. Die Wärme wird mit jeder Periode der Schallwelle entlang der Plattenoberfläche transportiert. Durch den beschriebenen Entropiefluß entlang der Platten oberfläche wird dem Anfang 5 des thermoakustischen Paars Wärme entzogen und dem Ende 6 Wärme zugeführt. Geeignete Wärmetauscher am Anfang und Ende des thermoakustischen Paars 4 geben an die Umgebung Wärme ab bzw. entziehen der Umgebung Wärme.

Die bekannten irreversiblen Wärmemaschinen, die auf der Grundlage des oben dargelegten thermoakustischen Effekts aufgebaut sind, haben die erheblichen Nachteile, daß sie eine sehr kleine Kälteleistung zur Verfügung stellen. Bei ihnen fehlt die Möglichkeit, die Form der Schallwellen die örtliche Positionierung der Schallwelle in der Anordnung der Wärmemaschine, die transzendenten Schallwellen-Parameter sowie die passiven Kühlaggregats-Parameter, die durch die geometrische Anordnung festgelegt werden, aktiv zu beeinflussen. Ein weiterer Nachteil ist die Notwendigkeit zur genauen Posi tionierung des thermoakustischen Paares 4 in der Anordnung der Wärmemaschi ne.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung der beschriebenen Nachteile eine irreversible Wärmemaschine zu schaffen, die sich durch eine höhere Leistung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentan spruchs 1 gelöst.

Gemäß diesen Merkmalen wird neben der ersten Schallquelle mindestens eine weitere gesteuerte Schallquelle zugeschaltet, wobei die Leistung der Wärmemaschine durch eine beispielsweise zweite Schallquelle unter Beachtung des Superpositionsprinzips in bedeutendem Maße erhöht und geregelt wird, wobei gleichzeitig die Positionierung des thermoakustischen Paares ohne mechanische Einstellarbeiten ermöglicht wird. Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Wärmemaschine unterscheidet sich somit von den be kannten Wärmemaschinen dadurch, daß zwei unterschiedliche Betriebsarten zum einen mit stehenden und zum anderen mit laufenden Schallwellen ermöglicht werden. Laufende Schallwellen erfordern keine Reflexionen in dem System; andernfalls können die stehenden Schallwellen durch die zweite Schallquelle zusätzlich beeinflußt werden.

Das Zuschalten der zweiten Schallquelle anstatt das Resonanzrohr zu ver schließen, ermöglicht eine aktive Steuerung des thermoakustischen Prozeßes in der Wärmemaschine. Durch die höhere Druckamplitude bei einem Gegentakt- Betrieb werden durch die erfindungsgemäße Anordnung auch bedeutend höhere Leistungen erzielt. Die dabei erreichte Verbesserung gegenüber bekannten thermoakustischen Wärmemaschinen besteht in der Möglichkeit der freien Po sitionierung der akustischen Welle gegenüber dem zweiten thermodynamischen Medium, sowie der erhöhten Leistung durch die Superposition der Druckwellen der ersten und zweiten Schallquelle. Dadurch wird im Gegensatz zu den be kannten irreversiblen thermoakustischen Wärmemaschinen gewährleistet, daß die Betriebsparameter der Wärmemaschine nicht mehr konstant sind, sondern vielmehr aktiv durch die Steuerung der zweiten Schallquelle beeinflußt und verändert werden können. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Leistung und der Temperaturbereich der thermoakustischen Wärmemaschine erweitert werden.

Ein entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht desweiteren darin, daß die von den mehreren Schallquellen produzierten Schallwellen die örtliche Position der resultierenden stehenden Schallwelle im Resonanzkör per gegenüber dem thermoakustischen Paar verändern können und dadurch eine aufwendige Einstellprozedur zur Positionierung des thermoakustischen Paares entfallen kann.

Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht darin, daß die Form des Druck verlaufs entlang des thermoakustischen Paares in starkem Maße beeinflußt werden kann. Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Wärmemaschine ergeben sich dadurch die Vorteile einer höheren Leistung, flexibler Systemsteuerung und eines deutlich reduzierten Aufwandes bei der Positionierung des thermo akustischen Paares.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen irreversiblen thermoakustischen Wärmemaschine.

Fig. 2 Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer ir reversiblen thermoakustischen Wärmemaschine mit drei parallel zuein ander geschalteten Resonanzkörpern (3', 3'', 3''').

Fig. 3 Eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer ir reversiblen thermoakustischen Wärmemaschine bestehend aus acht Reso nanzkörpern (3) mit einer zweiten Schallquelle (2), die eine gemein same erste mittig angeordnete Schallquelle (1) besitzen.

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer bekannten irreversiblen thermo akustischen Wärmemaschine.

Die thermoakustische Wärmemaschine wird durch ein mit Gas 7 als erstes thermodynamisches Medium gefüllter Resonanzkörper 3, zwei Schallquellen 1 und 2, und ein zweites thermodynamisches Medium 4 gebildet. Als Gas 7 wird vorzugsweise ein Gas oder Gasgemisch mit einem möglichst großen Verhältnis der isobaren Wärmekapazität c_p zur isochoren Wärmekapazität c_v verwendet - beispielsweise Edelgase He, Xe, Ar o. ä. oder deren Gemische beispielsweise He/Xe o. ä. Der Resonanzkörper 3 wird wie in Fig. 1 gezeigt beispielsweise als Rohr 3 ausgeführt. Mit 5 und 6 sind der Anfang und das Ende des zweiten thermodynamischen Mediums 4 gekennzeichnet. In der irreversiblen Wärmema schine wird unter Verwendung des thermoakustischen Effekts Kälte erzeugt. Die zweite Schallquelle 2 erfüllt unter geeigneter Ansteuerung mehrere Funktionen. Zum einen wird die dynamische Amplitude des Schalldruckes durch phasengenaue Ansteuerung der zweiten Schallquelle 2 erhöht oder gedämpft und dadurch die Leistung und der Temperarurbereich in stärkerem Maße als bei den bisher bekannten thermoakustischen Wärmemaschinen beeinflußt. Zum zweiten werden durch eine entsprechende Ansteuerung die Parameter der An ordnung aktiv beeinflußt. Dies erlaubt die Steuerung solcher Parameter wie z. B. der Resonanzfrequenz der Anordnung, der Position der Schallwelle in der Anordnung, der Form der resultierenden Schallwelle in der Anordnung im Fall unterschiedlicher Frequenzen der beiden Schallquellen, der Phasenwin kel zwischen den beiden Schallwellen im Fall gleicher Frequenzen der beiden Schallquellen und der Druckamplitude der resultierenden Schallwelle.

Zur Verdeutlichung wird die Steuerung der Druckamplituden von zwei Schall wellen mit den dazugehörigen Gleichungen

p₁ = P sin (2πf₁t)

p₂ = P sin (2πf₂t)

erläutert. Zur Vereinfachung wurde der Phasenwinkel 2kπ mit (k=±0, ±1, ±2 u.s.w.) angesetzt und gleiche Druckamplituden wurden vorausgesetzt. Die re sultierende Druckwelle wird unter Beachtung des Superpositionsprinzips

sin A + sin B = 2sin{(A+B)/2} cos{(A-B)/2}

durch die Gleichung

wiedergegeben. Wenn die Frequenzen f₁ und f₂ sehr nahe beieinander liegen, vereinfacht sich die Formel für f₂ ≈ f₁ auf

p = 2P sin(2πf₁t).

Das Ergebnis ist eine doppelte Druckamplitude. Durch die Erhöhung der Druckamplitude wird eine deutliche Verbesserung der Leistungsparameter bei spielsweise der Kälteleistung sowie eine Erweiterung des Temperaturbereichs der Wärmemaschine erzielt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Wärmemaschine ist in Fig. 2 ge zeigt. Diese Ausführungsform ermöglicht es, eine Vervielfachung der Lei stung der Wärmemaschine durch Parallelschaltung von drei Resonanzrohren 3', 3'', 3''', zu erreichen. Möglich ist jedoch auch die parallele Schaltung von zwei und mehr als drei Schallkörpern.

Eine weitere Anordnung der Wärmemaschine ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Aus führungsform ermöglicht es, die Steuerung und die Leistung der Wärmemaschi ne durch eine Sternschaltung in besonders effektiver Weise zu erhöhen. Mög lich ist die Sternschaltung mit weniger bzw. mehr als acht Schallkörpern.

Claims

1. Irreversible thermoakustische Wärmemaschine mit einer Schallquelle (1) und einem an der Schallquelle angebrachten Re sonanzkörper (3; 3'), welcher ein erstes thermodynamisches Me dium (7) und ein zweites thermodynamisches Medium (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß am Resonanzkörper (3, 3') minde stens eine zweite Schallquelle (2) angebracht ist.

2. Irreversible thermoakustische Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkörper (3, 3') minde stens zwei Resonanzrohre (3'', 3''') aufweist, die parallel zu einander liegen und zwischen den beiden Schallquellen (1, 2) geschaltet sind.

3. Irreversible thermoakustische Wärmemaschine nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkörper (3) mehrere, um die erste als gemeinsame Schallquelle dienende Schallquelle (1) angeordnete Resonanzrohre (3) aufweist.

4. Anordnung für irreversible thermoakustische Wärmemaschinen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den der Schall quelle (1) gegenüberliegenden Enden der sternförmig angeordne ten Resonanzrohre einzelne, den Resonanzrohren zugeordnete Schallquellen (2) vorgesehen sind.