NL8203171A - Akoestische warmtepompmachine. - Google Patents

Description

' * ί t - 1 -

Akoestische warmtepompmachine.

De uitvinding heeft betrekking op warmtepomp-machines en meer in het bijzonder op akoestische warmte-pompmachines zonder. bewegende afdichtingen.

Een belangrijke taak voor een warmtemachine 5 is het pompen van warmte van §§n warmtereservoir bij een eerste temperatuur naar een tweede warmtereservoir bij een tweede hogere temperatuur door het uitvoeren van mechanische arbeid.Een Stirling-motor is een voorbeeld van een inrichting, die, indien gebruikt met een ideaal 10 gas, warmte op reversibele wijze kan pompen. Een dergelijke machine heeft twee mechanische elementen, een arbeids-zuiger en een verplaatser, waarvan de bewegingen ten opzichte van elkaar in fase zijn gebracht teneinde het gewenste resultaat te bereiken. W.E. Gifford en 15 R.C. Longsworth beschrijven in een artikel, geheten "Pulse-Tube Refrigeration", verschenen augustus 1964 in de "Transactions of the ASME" op biz. 264-268 een intrinsiek irreversibele motor, die zij een pulsbuis-koeler of een oppervlaktewarmtepompkoeler noemen, welke 20 in principe slechts §in bewegend element vereist, en welke de noodzakelijke in fase brenging tussen tempera-tuurveranderingen en fluxdumsnelheid tot stand brengt door gebruik te maken van de tijdvertraging voor warmte-contact tussen een primair gasmedium en een secundair 25 thermodynamisch medium, in het beschouwde geval de wanden van een roestvrij stalen buis. Bij de Gifford en Longsworth inrichting wordt in plaats van een arbeidszuiger gebruik gemaakt van een roterende klep, die cyclisch met een snelheid van ongeveer 1 Hz de buis verbindt met hoge-30 en lage-drukreservoirs, in stand gehouden door een compressor. Het apparaat volgens de onderhavige uitvinding maakt gebruik van het oppervlakwarmtepompprincipe, maar verhoogt de frequentie van de operatie met een faktor van ongeveer 100 boven de frequentie van de 35 Gifford en Longsworth inrichting. De onderhavige uitvinding gebruikt geen compressor, maar een akoestische drijver, waardoor alle bewegende afdichtingen worden 8203171 - 2 - «· t i geelimineerd en enige noodzaak voor uitwendig onechanische traagheidsinrichtingen zoals vliegwielen komt te ver-vallen.

Een van belang zijnde inrichting uit de oudere 5 techniek is een lopende-golfwarmtemotor, beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.114.380 op naam van Ceperley. Deze inrichting gebruikt een compressibel fluidum in een buisvormig huis en een akoestische lopende golf. Warmte-energie wordt toegevoegd aan het fluidum 10 aan §§n zijde van een tweede thermodynamisch medium, en warmte-energie wordt geextraheerd uit het fluidum aan de andere zijde van het tweede thermodynamische medium. Het materiaal tussen de beide zijden wordt in benaderd warmte-evenwicht gehouden met het fluidum, waardoor een 15 temperatuurgradient in het fluidum wordt veroorzaakt die in wezen stationair blijft. De werking van deze inrichting is verschillend van die van de onderhavige uitvinding in verschillende opzichten. De inrichting volgens genoemd Amerikaans octrooischrift gebruikt 20 lopende akoestische golven, waarvoor de plaatselijke oscillatiedruk p noodzakelijkerwijs gelijk is aan het produkt van de akoestische impedantie pc en de plaatselijke snelheid c op elk punt van de machine, terwijl bij de onderhavige uitvinding gebruik wordt gemaakt 25 van staande akoestische golven, waarvoor de conditie p » pcv kan worden bereikt in de nabijheid van het tweede thermodynamische medium, waardoor de verhouding van de thermodynamica tot visceus dissiperende effekten wordt vergroot. Lopende golven vereisen, dat er geen 30 reflecties optreden in het systeem; een dergelijke condities is moeilijk te bereiken, aangezien het tweede medium werkt als een obstakel, dat de neiging heeft op de golven te reflecteren. Bovendien is een thermodynamisch efficient zuiver lopend golfsysteem technisch 35 veel moeilijker te verwezenlijken dan een staande golfsysteem. De uitvinding' uit het Amerikaanse octrooischrift 4.114.380 vereist verder, dat het primaire fluidum in uitstekend plaatselijk warmte-evenwicht is met het secundaire medium. Dit heeft het gevolg, dat 40 deze in grote mate analoog gemaakt wordt aan de Stirling- 8203171 - 3 - motor. De eis in verband met de fluidum-geometrie, noodzakelijk voor het geven van een goed warmte-evenwicht samen met de eis, dat p = pcv voor een lopende golf: brengt evenwel noodzakelijkerwijs een groot visceus verlies 5 (uitgezonderd fluida met een uitzonderlijk laag Prandtl-getal, die onbekend zijn). De onderhavige uitvinding maakt gebruik van onvolmaakt warmtecontact met het secundaire medium als een wezenlijk element van het warmtepompproces. Als gevolg behoeft een inrichting volgens de uitvinding 10 niet noodzakelijkerwijs de hoge visceuze verliezen te hebben van de lopende golfmachine volgens het Amerikaanse octrooischrift 4.114.380.

Het Amerikaanse octrooischrift 3.237.421 op naam van Gifford beschrijft de oppervlakwarmtepompin-15 richting, besproken in het hiervoor genoemde artikel van Gifford en Longsworth. De onderhavige uitvinding versehilt van de inrichting volgens het Amerikaanse octrooischrift 3.237.421 niet alleen zoals boven beschreven, maar tevens daarin, dat de regenerator, vereist tussen 20 de drukbron en het oppervlakwarmtepompgedeelte van de inrichting volgens 3.237.421, niet vereist is bij de onderhavige uitvinding. Door zo'n regenerator op te nemen bij de onderhavige uitvinding zou juist de prestatie ervan omlaag gebracht worden als gevolg van dezelfde 25 visceuze warmteproblemen, die de uitvinding volgens

Amerikaans octrooischrift 4.114.380 kenmerken. Bovendien vereist Gifford een grote en noodzakelijk zware compressor, terwijl de onderhavige uitvinding van licht gewicht is en een dergelijke compressor niet nodig heeft. De 30 Gifford-inrichting vereist tevens bewegende afdichtingen, terwijl dit bij de onderhavige uitvinding niet het geval is.

Een doel van de uitvinding is het verschaffen van koeling en/of verwarming zonder de noodzaak van bewegende afdichtingen.

35 Een ander doel van de uitvinding is het elimineren van de noodzaak voor uitwendige mechanische traagheids-inrichtingen zoals vliegwielen bij een koelings- of verwarmingsapparaat.

Een ander doel van de uitvinding is het verhogen 40 van de bedrijfsfrequentie daarvan ver boven die, welke 8203171 - 4 - kenmerkend is voor de meeste mechanische apparaten.

Volgens de uitvinding is voorzien in een akoestische warmtepompmotor, die een buisvormig huis bevat, zoals een recht, U- of J-vormig buisvormig huis.

5 De ene einde van het huis is van een kap voorzien en het huis is gevuld met een compressibel fluxdum, in staat om een akoestische staande golf te dragen. Het andere einde is voorzien van een inrichting zoals de membraan en stemspoel van een akoestische drijver voor . * 10 het voortbrengen van een akoestische golf in het fluxdum-medium. Bij een voorkeursuitvoering wordt een inrichting zoals een druktank gebruikt voor het leveren van een gekozen druk aan het fluxdum binnen het huis. Een secun-dair thermodynamisch medium is aangebracht binnen het 15 huis nabij, maar op afstand gelegen van het van een kap voorziene einde voor het ontvangen van warmte van het fluxdum, dat daar doorheen beweegt gedurende het drukstijgingsgedeelte van een golfcyclus, en voor het afgeven van warmte aan het fluxdum, wanneer de druk van 20 het gas afneemt gedurende het geschikte deel van de golfcyclus. Het onvolmaakte warmtecontact tussen het fluxdum en het secundaire medium resulteert in een fase-verschuiving, die verschillend is van 90°/ tussen de plaatselijke fluxdumtemperatuur en de plaatselijke 25 snelheid daarvan. Als gevolg heerst er een temperatuur-verschil over de lengte van het medium en in het geval van de voorkeursuitvoering in wezen over de lengte van de kortere steel van het J-vormige huis. Warmte-afvoeren en/of warmte-toevoeren kunnen zijn gexncorporeerd 30 voor toepassing bij de inrichting volgens de uitvinding voor koelings- en/of verwarmingstoepassingen.

E§n voordeel van de onderhavige uitvinding is, dat deze gemakkelijk is te vervaardigen en een-voudig en goedkoop te bedrijven en te onderhouden.

35 Een ander voordeel van de onderhavige uitvinding is, dat deze geen bewegende afdichtingen gebruikt en slechts δέη bewegend deel heeft.

Nog een ander voordeel van de uitvinding is, dat een inrichting volgens de uitvinding compact en 40 lichtgewicht is.

8203171

A

« « « - 5 -

Nog een ander voordeel van de uitvinding is dat deze kan worden gebruikt voor het verwarmen of koelen over gekozen temperatuurgebieden van cryogene temperaturen tot'zeer'hoge temperaturen in afhankelijkheid van de 5 gebruikte materialen, drukken, en frequenties.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding onder verwijzing naar de tekening. In de tekening toont: fig. 1 een dwarsdoorsnede van een voorkeurs-10 uitvoering volgens de uitvinding, en fig. 2 een weggesneden aanzicht van een secun-dair thermodynamisch medium, gebruikt bij de voorkeurs-uitvoering van de uitvinding.

Een voorkeursuitvoering van de uitvinding, alge-15 meen aangegeven met 10, is getoond in fig. 1, en omvat een J-vormig algemeen cilindrisch of buisvormig huis 12 met een U-vormig gebogen vorm, die een kortere en een langere steel heeft. De kortere steel is afgesloten door een akoestische drijverhouder 14, gedragen op een basis-20 plaat 16, en daarop gemonteerd door middel van bouten 18 voor het vormen een gepressuriseerde fluldumdichte afdichting tussen de basisplaat 16 en de houder 14.

De basisplaat 16 zetelt in de voorkeursuitvoering op een flens 20, die zich naar buiten uitstrekt van de wand icah 25 het huis 12. De akoestische drijverhouder 14 omsluit een magneet 22, een membraan 24, en een stemspoel 26. Draden 28 en 30, die gaan door een afdichting 38 in de basisplaat 16, leiden naar een audiofrequente stroombron 36.

Het stemspoel-membraansamenstel is door middel van een 30 flexibele ring 34 gemonteerd tegen een basis 32, bevestigd aan de magneet 22. Het zal de vakman duidelijk zijn, dat de akoestische drijver, zoals getoond, van gebruikelijke soort is. Bij de voorkeursuitvoering werkt de drijver in het 400 Hz gebied. Bij de voorkeurs-35 uitvoering kan evenwel van 100 tot 1000 Hz worden gebruikt. Bij de voorkeursuitvoering werd helium gebruikt voor het vullen van vat 12, maar wederom zal het de vakman duidelijk zijn, dat andere fluida zoals lucht en waterstofgas of vloeistoffen zoals freonen, propeen, 40 of vloeibare metalen zoals een vloeibaar natrium-kalium- 8203171 - 6 - eutectictna gemakkelijk kunnen worden gebruikt voor het in praktijk brengen van de uitvinding. Een flens 40 is bevestigd op de kortere steel door bijv. lassen.

Een eindkap 42 is geplaatst op flens 40 en is daaraan 5 bevestigd door middel van bouten 44 voor het vormen van een gepressuriseerde fluidumdichte afdichting. Een secundair thermodynamisch medium, dat in de voorkeurs-uitvoering is getoond in dwarsdoorsnede in fig. 2, bevat bij voorkeur concentrische cylinders, een spiraal, 10 of parallele platen van een materiaal zoals Mylar,

Nylon, Kapton, een epoxy, diinwandig roestvrij staal en dergelijke. Het gebruikte materiaal moet in staat zijn tot warmtewisseling met het fluidum binnen huis 12.

Elke vaste stof, waarvoor de effektieve warmtecapaciteit 15 per oppervlakte-eenheid bij de bedrijfsfrequentie veel groter is dan die van het aangrenzende fluidum, en die een adequaat la'ag longitudinaal warmtegeleidingsvermogen heeft, kan funktioneren als tweede thermodynamisch medium. De kleine stippen 56, getoond in fig. 2, kunnen ver-20 tandings-(dimpling) of andere middelen zijn, gebruikt voor het bij benadering op gelijke afstand van elkaar houden van de concentrische cirkels, spiralen, of parallelle platen. Er valt op te merken, dat er een eindruimte is tussen de eindkap 42 en de bovenzijde 25 van het thermodynamische medium 46. Het huis 12 staat in de nabijheid van de eindruimte en de bovenzijde van medium 46 in open verbinding met een warmte-afvoer 50 via een leiding 48, die zorgt voor hete warmtewisseling. Op het huis 12 aan het ondereinde van het thermo-30 dynamisch medium 46 staat een tweede leiding 52 in open verbinding met een warmtebron 54, en zorgt voor een koude warmtewisseling.

Een gewenste of gekozen druk wordt geleverd via een leiding 58 en klep 60 vanuit een fluidumdruk-35 toevoer 64. De druk kan worden gecontroleerd door een drukmeter 62. Het akoestische drijversamenstel, dat de permanente magneet 22 bezit, die zorgt voor een radiaal magnetisch veld, dat werkt op de stromen in de stemspoel 26 voor het leveren van de kracht op het 40 membraan 24 voor het opwekken van akoestische trillingen 8203171 - 7 - binnen het fluldum, is mechanisch gekoppeld met het huis 12, dat een J-buisvormige akoestische resonatoivormt, welke het ene eind gesloten heeft door de eindkap 42, In een kenmerkende inrichting kan de resonator een lengte hebben 5 van vrijwel een kwart golflengte van zijn grondresonantie, maar het zal de vakman duidelijk zijn, dat dit niet cruciaal is. Er is geen mechanische traagheidsinrichting nodig, aangezien elke noodzakelijke traagheid wordt geleverd door het primaire fluidum zelf, dat resoneert 10 binnen de J-buis. Het secundaire thermodynamische medium, dat de lagen 46 bevat, moet een klein longitudinaal warmtegeleidingsvermogen bezitten, teneinde hetwwarmte-verlies te reduceren. In de voorkeursuitvoering is de onderlinge afstand tussen concentrische buizen 46 van 15 uniforme dikte d. Een andere vereiste van het secundaire medium is, dat de effektieve warmtecapaciteit per een- heidsgebied C, ervan groter moet zijn dan die, C, , ά2 j.

van het aangrenzende primaire medium. Deze eigenscnappen worden wiskundig als volgt weergegeven: 20 C* - ^ , = C262 waarin C1 en C2 de warmtecapaciteiten per eenheidsvolume zijn resp. van het primaire fluidummedium en het secun- l/2 daire vaste medium 46, terwijl §2 = (2κ2/ω) ' , waarbij §2 de warmtepenetratiediepte in het secundaire medium met 25 een warmtediffusievermogen k2 is bij een hoekfreguentie ω = 2irf, waarbij f de akoestische frequentie is. De voorwaarde C. >> C, wordt gemakkelijk bereikt, samen met z A1 een gering longitudinaal warmteverlies, indien het secundaire medium een materiaal is zoals Kapton, Mylar, 30 Nylon, epoxyharsen of roestvrij staal voor frequenties van een paar honderd Hz bij een heliumgasdruk van ongeveer 10 atmosfeer. Voor een doelmatig bedrijf is het nodig dat de visceuze verliezen klein zijn. Dit kan worden bereikt, indien L/* << 1, waarbij L de lengte is van het 35 secundaire medium en * de radiale lengte van de akoestische golf, gegeven door λ = λ/2π = c/2irf, waarbij c de geluidssnelheid in het fluidummedium is. Door dimensio-nering van de machine kan men een redelijk L oppakken 8203171 - 8 - en vervolgens een algemene frequentie van L/λ << 1.

Voor een L van ongeveer 10 tot 15 cm is een redelijke frequentie 300 tot 400 Hz voor helium nabij kamertempe-ratuur. De afstand d wordt vervolgens bij benadering 5 bepaald door de eis ωτκ ><v' 1, nodig om de noodzakelijke tempertuurvariaties en de noodzakelijke fase-aanpassing tussen de temperatuursveranderingen en de primaire fluldumsnelheid te krijgen. Hier is τ de diffusieve warmterelaxatietijd, gegeven voor een parallelle plaat-10 geometrie door τ = 2~~ , K IT Kj waarin κ^ het warmtediffusievermogen is van het primaire fluxdummedium. Voor gassen is κ ongeveer omgekeerd evenredig aan de druk. De afstand d wordt vervolgens 15 bij benadering bepaald door de ongelijkheid *2|'1 1/2 3 ” ΰ

Een druk van 10 atmosfeer met heliumgas geeft geheel redelijke waarden voor d, dat wil zeggen ongeveer 254yum.

20 Deze overwegingen zijn kenmerkend voor het dimensioneren van de inrichting.

Thans zal de werking beschreven worden onder verwijzing naar fig. l. De akoestische drijver is gemonteerd in een vat, teneinde de arbeidsfluxdumdruk 25 te weerstaan en is mechanisch gekoppeld op een fluxdum-dichte wijze met de resonator, de J-vormige buis 12. Stroomgeleiders van de stemspoel zijn door de afdichting 38 heen gebracht naar een audiofrequente stroombron 36. Het akoestische systeem is gebracht op een druk p via 30 klep 60 onder gebruikmaking van de fluxdumdruktoevoer 64. De frequentie en amplitude van de audiofrequentie stroombron zijn zodanig gekozen, dat de grondfrequentie wordt geleverd, corresponderende met een kwartgolfresonantie in de J-vormige buis 12. Een drijver, bijv. een JBL 2482, 35 vervaardigd door James B. Lansing Sound, Inc., kan 4 in He gas gemakkelijk een 1 atmosfeerpiek tot piekdrukvariatie bijeindkap 42, wanneer de gemiddelde produceren 8203171 - 9 - druk binnen het huis ongeveer 10 atmosfeer is.

Aangezien de lengte van het medium 46 veel kleiner is dan *, is de druk nagenoeg uniform over het secundaire thermodynamische medium. De effekten zijn 5 zodoende in wezen dezelfde, als zij zouden zijn geweest met een gewoon mechanische zuiger en cilinderarrangement, dat dezelfde drukvariatie produceert bij deze hoge freguentie.

De warmtepompwerking is als volgt. Men beschouwe 10 een klein beetje fluxdum nabij het secundaire medium op een moment, wanneer de oscillatiedruk nul is en bezig positief te worden. Als de druk toeneemt, verplaatst het beetje fluxdum zich naar de eindkap 42 en wordt tjjdens zijn verplaatsing opgewarmd. Met een tijdsver-15 traging wordt warmte overgedragen naar het secundaire medium van het warme beetje fluxdum, nadat het fluxdum zich heeft verplaatst naar de eindkap vanaf zijn even-wichtspositie, waardoor warmte wordt getransporteerd naar de eindkap. De druk neemt dan af en daarmee neemt 20 de temperatuur af. Deze temperatuurafname wordt evenwel niet overgedragen aan het secundaire medium, totdat hetzelfde beetje fluxdum zich heeft verplaatst over een aanzienlijke afstand van zijn evenwichtspositie weg van eindkap 42 naar de U-buiging, daardoor koude transpor-25 terende naar de U-buiging. Dit is bijgevolg een netto-overdracht van warmte van de bodem naar de top van de warmtevertragingsruimte. Het koelen aan de bodem zal voortgaan, totdat de temperatuurgradient en de verliezen zodanig zijn, dat, wanneer het fluxdum zich. verplaatst, 30 de temperatuur van het secundaire medium wordt aangepast aan die van het aangrenzende zich verplaatsende fluxdum. Adjustering van de grootte van de eindruimte onder de eindkap bepaalt de volumetrische verplaatsing van het fluxdum aan het einde van de warmtevertragingsruimte 35 en speelt bijgevolg een belangrijke rol bij het bepalen van de hoeveelheid gepompte warmte. Er zij opgemerkt, dat, aangezien de bodem koud is, het J-buisarrangement dat is.getoond, gravitationeel stabiel is met betrekking tot de natuurlijke convectie van het primaire fluxdum.

40 Indien een apparaat in overeenstemming met de uitvinding 8203171 - 10 - wordt geconstrueerd voor het werken in een zwaartekrachts-vrije omgeving, zoals de buitenaardse ruimte, zal de J-vorm van de buis niet nodig zijn. De J-vorm van de buis 12 kan ook worden geraodificeerd/ evenals zijn 5 stand, indien enige vermindering van prestatie aanvaard-baar is. Zo kunnen bijv. rechte en U-vormige buizen worden gebruikt.

De hierboven gegeven beschrijving van een voorkeursuitvoering van de uitvinding is gegeven uit-10 sluitend ter illustratie en toelichting van de uitvinding. Zij is niet bedoeld als exclusief of ter beperking van de uitvinding tot de vorm zoals beschreven, en het zal duidelijk zijn7 dat veel modificaties en variaties mogelijk zijn in het kader van de uitvinding.

15 - conclusies - 8203171

Claims (10)

1. Akoestische warmtepompinrichting met geen bewegende afdichtingen, gekenmerkt door een huis, dat in wezen resonant is bij gekozen frequentie, en dat eerste en tweede uiteinden bezit, 5 middelen voor het afdekken van het eerste einde van het huis, een compressibel fluidum, in staat om een akoestische staande golf te onderhouden, en aangebracht binnen het huis, 10 middelen voor het leveren van een gekozen druk aan het fluidum binnen het huis, middelen, aangebracht aan het tweede einde van het huis voor het cyclisch aandrijven van het fluidum met een akoestische staande golf, nagenoeg met de 15 genoemde gekozen frequentie, en een secundair thermodynamisch medium, aangebracht binnen het huis nabij maar op afstand gelegen van het afdekorgaan, waardoor energie continu vloeit naar het genoemde afdekorgaan, wanneer de inrichting werkt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, m e t het k e n m e r k, dat deze verder middelen omvat voor het transporteren van warmte van het huis nabij het genoemde afdekorgaan naar een warmte-afvoerorgaan.

3. Inrichting volgens conclusie 1, m e t het 25 kenmerk, dat deze verder middelen omvat voor het koelen van een uitwendig medium, dat werkzaam is voor het communiceren met het huis aan een gebied daarvan aan de andere zijde van het secundaire thermodynamische medium ten opzichte van het genoemde afdekorgaan.

4. Inrichting volgens conclusie l,met het kenmerk, dat het huis een rechte huis omvat.

5. Inrichting volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat het huis een U-buiging omvat. 8203171 - 12 -

6. Inrichting volgens conclusie 1, m e t h e t k e n m e r k, dat het huis J-vormig is met een korte steel en een lange steel.

7. Inrichting volgens conclusie 6, m e t het 5 kenmerk, dat het afdekorgaan is aangebracht aan het einde van de korte steel, en dat het drijforgaan is aangebracht aan het einde van de lange steel. *

8. Inrichting volgens conclusie 7, m e t het kenmerk, dat het secundaire thermodynamische 10 medium is aangebracht in de genoemde korte steel.

9. Inrichting volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de gekozen frequentie ten minste ongeveer 100 Hz is.

10. Inrichting volgens conclusie 9, m e t het 15 kenmerk, dat de gekozen frequentie ligt in het gebied van ongeveer 100 tot ongeveer 1000 Hz. 8203171