RU2435113C1

RU2435113C1 - Thermo-acoustic cooling device

Info

Publication number: RU2435113C1
Application number: RU2010126569/06A
Authority: RU
Inventors: Михаил Арсеньевич Миронов (RU); Михаил Арсеньевич Миронов; Павел Александрович Пятаков (RU); Павел Александрович Пятаков
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2011-11-27

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: thermo-acoustic cooling device consists of case with external partial ribbing, of acoustic radiator with built-in excitation device positioned in case, and of cavity made inside case and pressure tight closed with cover. The cover forms a resonator and is filled with working medium in form of helium-krypton mixture under pressure. Further, the device consists of a regenerator built into the resonator in form of parallel plates on ends of which there are set heat exchangers - hot on the side of the acoustic radiator and cold - on the side of the cover. The heat exchangers are made in form of aluminium perforated disks. The resonator cavity has a cylinder shape. Inside the cavity on the side of the cold heat exchanger there is made the second resonator cavity in form of a cylinder pipe with a pressure tight cover and a piston connected to a rod attached to this cover by means of thread facilitating transfer of the piston along axis. The cylinder pipe is located in the central part of the cover of the first resonator on thread facilitating transfer along axis and pressure tightness of the resonance cavity. The cover is also connected with the case by means of the threaded connection with a sealing element facilitating its transfer along axis.

EFFECT: raised efficiency by minimisation of viscous losses and facilitation of phase synchronism of acoustic fluctuations of volume velocity and pressure in regenerator of device.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области холодильной и морозильной техники и может быть использовано при разработке экологически чистых, не использующих фреонов (хлорфторуглеводородов) холодильников бытового и промышленного назначения.The invention relates to the field of refrigeration and freezing equipment and can be used in the development of environmentally friendly refrigerators for household and industrial use that do not use freons (chlorofluorocarbons).

Введение на территории Российской Федерации Монреальского протокола по ограничению производства и использованию веществ, разрушающих озоновый слой (всего 96 веществ), поставило актуальную задачу создания экологически чистых холодильных устройств без применения запрещенных или ограниченных к использованию химических соединений. Предлагаемое изобретение является попыткой разработки именно такого типа холодильной машины.The introduction of the Montreal Protocol on the territory of the Russian Federation to limit the production and use of substances that deplete the ozone layer (96 substances in total) has set the urgent task of creating environmentally friendly refrigeration devices without the use of banned or restricted chemical compounds. The present invention is an attempt to develop precisely this type of refrigeration machine.

Известно термоакустическое холодильное устройство (Patent US №4355517, 1982.10), состоящее из корпуса тороидальной формы, заполненного рабочей средой, расположенных внутри корпуса регенератора, представляющего собой стопку параллельных пластин, двух теплообменников на обоих концах регенератора, и источника бегущей звуковой волны. Автором предполагается, что давление и объемная скорость акустической волны в области регенератора находятся в фазе, а их отношение много больше, чем в чисто бегущей волне. Теоретически показана возможность достижения КПД устройства, равного примерно 80% от предельного КПД цикла Карно [Р.Н.Ceperley Gain and efficiency of a traveling wave heat engine. J.Acoust. Soc. Am., V.77, N.3, pp.1239-1244, 1985].Known thermoacoustic refrigeration device (Patent US No. 4355517, 1982.10), consisting of a toroidal housing filled with a working medium located inside the regenerator housing, which is a stack of parallel plates, two heat exchangers at both ends of the regenerator, and a traveling sound wave source. The author assumes that the pressure and space velocity of the acoustic wave in the region of the regenerator are in phase, and their ratio is much larger than in a purely traveling wave. The possibility of achieving an efficiency of the device equal to approximately 80% of the maximum efficiency of the Carnot cycle has been theoretically shown [R. N. Cerley Gain and efficiency of a traveling wave heat engine. J. Acoust. Soc. Am., V.77, N.3, pp. 1239-1244, 1985].

Недостатками устройства являются громоздкость конструкции, непроработанность практических способов реализации устройства в целом и заявленных оптимальных фазовых и амплитудных соотношений в частности. Имеется нерешенная принципиальная проблема согласования электроакустического преобразователя с рабочей средой в режиме бегущей волны.The disadvantages of the device are the bulkiness of the design, the lack of practical methods for implementing the device as a whole and the claimed optimal phase and amplitude ratios in particular. There is an unresolved fundamental problem of matching the electro-acoustic transducer with the working medium in the traveling wave mode.

Известно устройство термоакустической машины и холодильника, на которое получен патент США (Patent US №6032464, от 07.03.2000). Детальное исследование экспериментального макета проведено в работе [S.Backhaus, G.W.Swift. A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study. J.Acoust. Soc. Am. V.107, N. 6, pp.3148-3166, 2000]. Устройство содержит корпус сложной топологии, наполненный гелием под давлением 10 атм, состоящий из двух соединенных волноводом тороидальных волноводных частей, одна из которых вмещает термоакустический генератор акустической волны, а другая - термоакустический холодильник. В эксперименте достигнут наибольший на настоящее время КПД преобразования акустической энергии в тепловой поток: 41% от предельного значения цикла Карно.A device is known for a thermoacoustic machine and a refrigerator, for which a US patent is obtained (Patent US No. 6032464, from 07.03.2000). A detailed study of the experimental layout was carried out in [S.Backhaus, G.W.Swift. A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study. J. Acoust. Soc. Am. V. 107, N. 6, pp. 3148-3166, 2000]. The device comprises a complex topology case filled with helium at a pressure of 10 atm, consisting of two toroidal waveguide parts connected by a waveguide, one of which contains a thermoacoustic acoustic wave generator, and the other a thermoacoustic refrigerator. In the experiment, the highest efficiency of conversion of acoustic energy into heat flux has been achieved so far: 41% of the limiting value of the Carnot cycle.

Устройство имеет недостатки. Это, прежде всего, большая масса и габариты конструкции. Кроме того, термоакустический генератор акустической волны, работающий от внешнего источника тепла (газовой горелки), имеет низкий коэффициент полезного действия по сравнению с электроакустическими преобразователями. И, несмотря на достигнутый рекордно большой уровень преобразования акустической энергии в тепловой поток (41% от предельного уровня Карно), в целом эффективность устройства невелика. Невозможность работы от электрического источника энергии резко снижает сферу применимости устройства.The device has disadvantages. This is, first of all, the large mass and dimensions of the structure. In addition, a thermoacoustic acoustic wave generator operating from an external heat source (gas burner) has a low efficiency compared to electroacoustic transducers. And despite the record-high level of conversion of acoustic energy into heat flux (41% of the Carnot limit), the overall efficiency of the device is low. The inability to work from an electric energy source dramatically reduces the scope of applicability of the device.

Известно термоакустическое холодильное устройство, используемое для сжижения перевозимого танкером природного газа, содержащее термоакустический двигатель, горелку термоакустического двигателя, термоакустический холодильник-ожижитель и волновод, по которому возбуждаемые термоакустическим двигателем акустические волны поступают в термоакустический холодильник, где создают необходимые для сжижения газа низкие температуры (СПГ-ТАНКЕР. Патент РФ на полезную модель №90178 U1, МПК F25J 1/00, от 09.09.2009).A thermoacoustic refrigeration device is known that is used to liquefy natural gas carried by a tanker, containing a thermoacoustic engine, a thermoacoustic engine burner, a thermoacoustic liquefier cooler, and a waveguide through which acoustic waves excited by a thermoacoustic engine enter a thermoacoustic refrigerator, where they create the low temperatures necessary for liquefying gas (LNG) -TANKER. RF patent for utility model No. 90178 U1, IPC F25J 1/00, dated 09.09.2009).

Устройству присущи те же недостатки, что в упомянутом выше аналоге. Оно имеет большую массу и габариты. Общий КПД устройства невысок вследствие низкой эффективности преобразования тепла в акустическую волну. Работает устройство при сжигании природного газа, что ограничивает сферу использования.The device has the same disadvantages as in the aforementioned analogue. It has a large mass and dimensions. The overall efficiency of the device is low due to the low efficiency of the conversion of heat into an acoustic wave. The device works when burning natural gas, which limits the scope of use.

Известно термоакустическое холодильное устройство [Patent US №7143586 B2 от 05.12.2006], имеющее цилиндрический корпус, герметически закрытый с двух сторон. В корпусе, наполненном гелием под давлением до 30 атм, содержится электроакустический излучатель, регенератор, два теплообменника и две согласующие камеры, отделенные от акустических резонансных полостей сильфонными перегородками. Сложное устройство полостей решает задачу установления в регенераторе оптимального соотношения комплексных амплитуд волн давления и объемной скорости.Known thermo-acoustic refrigeration device [Patent US No. 7143586 B2 dated 12/05/2006] having a cylindrical body, hermetically sealed on both sides. The case, filled with helium under a pressure of up to 30 atm, contains an electro-acoustic emitter, a regenerator, two heat exchangers and two matching chambers separated from the acoustic resonance cavities by bellows partitions. The complex arrangement of cavities solves the problem of establishing in the regenerator the optimal ratio of the complex amplitudes of pressure waves and space velocity.

Устройство имеет недостатки. Сложная конструкция внутренних полостей и перегородок сильно усложняет и удорожает стоимость устройства, а также уменьшает надежность и долговечность функционирования холодильника.The device has disadvantages. The complex design of internal cavities and partitions greatly complicates and increases the cost of the device, and also reduces the reliability and durability of the refrigerator.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по достигаемому техническому результату и технической сущности (прототипом) является известное термоакустическое холодильное устройство (акустический хладоагрегат), содержащее корпус с внешним оребрением, помещенный в корпус акустический излучатель с встроенным устройством возбуждения, выполненную внутри корпуса герметично закрытую крышкой полость, образующую резонатор и заполненную рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением, встроенный в резонатор регенератор в виде параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий со стороны акустического излучателя и холодный со стороны крышки теплообменники, выполненные в виде алюминиевых перфорированных дисков, при этом резонансная полость выполнена ступенчатой формы с уменьшением размера в направлении от излучателя с опорой каждой ступени на свою заходную часть в форме усеченного конуса, а давление рабочей гелий-криптоновой смеси составляет 2-3 атмосферы (Патент РФ №2359184 C1, МПК F25B 23/00, F25B 9/00, от 17.10.2007).Closest to the proposed device according to the achieved technical result and technical essence (prototype) is a known thermoacoustic refrigeration device (acoustic refrigeration unit), comprising a housing with external fins, an acoustic emitter placed in the housing with a built-in excitation device, a cavity formed inside the housing which forms a hermetically closed lid forming resonator and filled with a working medium in the form of a helium-krypton mixture under pressure, a regenerator in the form of parallel plates, at the ends of which are installed hot from the side of the acoustic emitter and cold from the side of the lid heat exchangers made in the form of aluminum perforated disks, while the resonant cavity is made in a stepped form with a decrease in size in the direction from the radiator with each stage resting on its entrance in the form truncated cone, and the pressure of the working helium-krypton mixture is 2-3 atmospheres (RF Patent No. 2359184 C1, IPC F25B 23/00, F25B 9/00, dated 10.17.2007).

В этом устройстве акустическая волна исполняет роль теплового насоса, перекачивающего тепло или поддерживающего перепад температуры. Это явление не связано с нагреванием из-за перехода механической (акустической) энергии в тепло. Механизм переноса тепла в термоакустической ячейке состоит в следующем [G.W.Swift. Thermoacoustic engines. J.Acoust. Soc. Am. V.84, N.4, 1988, p.1145-1180]. Процесс непосредственного преобразования акустической энергии, генерируемой акустоэлектрическим излучателем, в поток тепла происходит в регенераторе, представляющем собой стопку тонких близкорасположенных пластин, выполненных из материала с малой теплопроводностью. Ширина зазора между пластинами порядка длины температурной волны δ. Рассмотрим окрестность вблизи пластины, помещенной в звуковое поле. Предположим, что звуковое поле является почти стоячей волной. В стоячей волне смещение частицы находится в фазе со звуковым давлением. При максимальном смещении частицы вправо давление в ней максимально. Газ в частице сжат, следовательно, температура T₊ повышена по сравнению со средним значением T и по сравнению с температурой пластинки. Вследствие разницы температур возникает тепловой поток

от частицы среды к пластинке. Далее частица движется влево и при максимальном смещении ξ влево давление в ней минимально. Газ в частице разрежен, следовательно, температура T_- понижена по сравнению со средним значением T и по сравнению с температурой пластинки. Вследствие разности температур возникает тепловой поток

к частице от пластинки. При каждом повторении этого циклического движения частицы частица забирает некоторое количество тепла из пластинки в своем крайне левом положении и передает это же количество тепла пластинке в своем крайне правом положении. Таким образом, в стоячей звуковой волне возникает однонаправленный перенос тепла слева направо. Для этого эффекта необходимы одновременные смещения частицы и изменение давления в ней. Область, в которой среда обменивается теплом с пластинкой, имеет толщину порядка δ. Поток тепла направлен от холодного теплообменника к горячему теплообменнику. Вся часть корпуса, прилегающая к холодному теплообменнику и имеющая с ним термический контакт, может быть использована для съема холода.In this device, an acoustic wave acts as a heat pump that transfers heat or maintains a temperature drop. This phenomenon is not associated with heating due to the transition of mechanical (acoustic) energy into heat. The mechanism of heat transfer in a thermoacoustic cell is as follows [GWSwift. Thermoacoustic engines. J. Acoust. Soc. Am. V.84, N.4, 1988, p. 1145-1180]. The process of direct conversion of acoustic energy generated by an acoustoelectric emitter into heat flow occurs in a regenerator, which is a stack of thin closely spaced plates made of a material with low thermal conductivity. The width of the gap between the plates is of the order of the temperature wavelength δ. Consider a neighborhood near a plate placed in a sound field. Suppose the sound field is an almost standing wave. In a standing wave, the particle displacement is in phase with sound pressure. With the maximum displacement of the particle to the right, the pressure in it is maximum. The gas in the particle is compressed, therefore, the temperature T _{+ is} increased in comparison with the average value of T and in comparison with the temperature of the plate. Due to the temperature difference, a heat flow occurs.

from a medium particle to a plate. Then the particle moves to the left, and at a maximum displacement ξ to the left, the pressure in it is minimal. The gas in the particle is rarefied; therefore, the temperature T _{- is} lowered in comparison with the average value of T and in comparison with the temperature of the plate. Due to the temperature difference, a heat flow occurs.

to the particle from the plate. At each repetition of this cyclic movement of the particle, the particle takes a certain amount of heat from the plate in its extreme left position and transfers the same amount of heat to the plate in its extreme right position. Thus, unidirectional heat transfer from left to right occurs in a standing sound wave. For this effect, simultaneous displacements of the particle and a change in pressure in it are necessary. The region in which the medium exchanges heat with the plate has a thickness of the order of δ. The heat flow is directed from the cold heat exchanger to the hot heat exchanger. The entire part of the housing adjacent to the cold heat exchanger and having thermal contact with it can be used to remove the cold.

Недостатком прототипа являются низкий КПД из-за неоптимальности отношения амплитуды давления к амплитуде объемной скорости (акустического импеданса) в стоячей акустической волне и наличие разности фаз между этими параметрами, которые обусловлены конструкцией прототипа. Регенератор конструктивно помещен в часть резонансной полости, находящуюся на расстоянии в одну восьмую длины волны от жесткой границы резонатора, где отношение давления к скорости (акустический импеданс) примерно равно этой величине в бегущей волне. Как показано в работе [J.Acoust. Soc. Am., V.77, N.3, рр.1239-1244, 1985], при такой величине компоненты объемной скорости вследствие вязкости рабочей среды в области регенератора возникает неприемлемо большое поглощение акустической энергии, ограничивающее коэффициент полезного действия холодильного устройства величиной в 10% от уровня цикла Карно. Чтобы устранить это ограничение, необходимо существенно уменьшить объемную скорость, одновременно увеличивая давление в акустической волне. Это достигается в изобретении расположением регенератора вблизи жесткой границы первого резонатора. Как показано в цитируемой работе, увеличение акустического импеданса в 10 раз позволяет достигнуть уровня КПД, составляющего 80% от предельного значения цикла Карно. Условие большой величины акустического импеданса необходимо, но не достаточно. Для достижения максимально возможного КПД устройства требуется еще обеспечить условие синхронности колебаний давления и объемной скорости в регенераторе (условие синфазности). Реализовать последнее условие в конструкции с одним резонатором невозможно. В изобретении эта цель достигается встраиванием в конструкцию устройства второго резонатора, связанного с первым, и способного к подстройке своих резонансных свойств.The disadvantage of the prototype is low efficiency due to the non-optimal ratio of the pressure amplitude to the amplitude of the space velocity (acoustic impedance) in a standing acoustic wave and the presence of phase difference between these parameters, which are due to the design of the prototype. The regenerator is structurally placed in the part of the resonant cavity located at one eighth of the wavelength from the rigid boundary of the resonator, where the ratio of pressure to speed (acoustic impedance) is approximately equal to this value in a traveling wave. As shown in [J. Acoust. Soc. Am., V.77, N.3, pp.1239-1244, 1985], with such a value of the component of the space velocity due to the viscosity of the working medium in the area of the regenerator, an unacceptably large absorption of acoustic energy occurs, limiting the efficiency of the refrigeration device to 10% from the level of the Carnot cycle. To eliminate this limitation, it is necessary to significantly reduce the space velocity, while increasing the pressure in the acoustic wave. This is achieved in the invention by the location of the regenerator near the hard boundary of the first resonator. As shown in the cited work, an increase in acoustic impedance by a factor of 10 makes it possible to achieve an efficiency level of 80% of the limiting value of the Carnot cycle. The condition of a large value of acoustic impedance is necessary, but not sufficient. To achieve the maximum possible efficiency of the device, it is still necessary to provide the condition for the synchronization of pressure fluctuations and the volumetric velocity in the regenerator (condition for common mode). It is impossible to realize the latter condition in a single-cavity design. In the invention, this goal is achieved by incorporating into the device design a second resonator associated with the first and capable of adjusting its resonance properties.

Техническим результатом изобретения является увеличение КПД термоакустического холодильного устройства (теоретически более чем в два раза по сравнению с прототипом) путем минимизации вязкостных потерь и обеспечения синфазности акустических колебаний объемной скорости и давления в регенераторе устройства.The technical result of the invention is to increase the efficiency of a thermo-acoustic refrigeration device (theoretically more than double compared to the prototype) by minimizing the viscosity loss and ensuring the phase-matching of the acoustic oscillations of the space velocity and pressure in the regenerator of the device.

Технический результат достигается за счет того, что в термоакустическом холодильном устройстве, содержащем корпус с внешним частичным оребрением, помещенный в корпус акустический излучатель с встроенным устройством возбуждения, выполненную внутри корпуса герметично закрытую крышкой полость, образующую резонатор и заполненную рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением, встроенный в резонатор регенератор в виде параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий со стороны акустического излучателя и холодный со стороны крышки теплообменники, выполненные в виде алюминиевых перфорированных дисков, резонаторная полость выполнена цилиндрической формы, внутри полости со стороны холодного теплообменника установлен второй резонатор в виде цилиндрической трубы с герметичной крышкой и поршнем, соединенным со штоком, закрепленным с этой крышкой на резьбе с возможностью перемещения поршня вдоль оси, при этом цилиндрическая труба размещена в центральной части крышки первого резонатора на резьбе с обеспечением перемещения вдоль оси и герметизации резонансной полости, а эта крышка также соединена с корпусом резьбовым соединением с герметизирующим элементом с возможностью ее перемещения вдоль оси, при этом резонансная полость заполнена рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением 7-10 атмосфер, а регенератор с теплообменниками размещен на расстоянии, меньшем или равном λ/32 от жесткой крышки первого резонатора, где λ - длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства на рабочей частоте.The technical result is achieved due to the fact that in a thermo-acoustic refrigeration device containing a housing with external partial fins, an acoustic emitter is placed in the housing with a built-in excitation device, a cavity formed inside the housing, hermetically closed by a lid, forming a resonator and filled with a working medium in the form of a helium-krypton mixture under pressure, a regenerator built into the resonator in the form of parallel plates, at the ends of which are installed hot from the side of the acoustic emitter and cold from the side of the lid, heat exchangers made in the form of aluminum perforated disks, the resonant cavity is cylindrical, the second resonator is installed inside the cavity from the side of the cold heat exchanger in the form of a cylindrical pipe with a sealed lid and a piston connected to the rod fixed to the thread with the possibility of moving the piston along the axis, while the cylindrical tube is placed in the Central part of the cover of the first resonator on the thread, providing movement along the axis and sealing resonant cavity, and this cover is also connected to the housing by a threaded connection with a sealing element with the possibility of its movement along the axis, while the resonant cavity is filled with a working medium in the form of a helium-krypton mixture at a pressure of 7-10 atmospheres, and the regenerator with heat exchangers is placed at a distance less than or equal to λ / 32 from the hard cover of the first resonator, where λ is the acoustic wavelength in the working medium of the refrigeration device at the operating frequency.

На чертеже представлено предлагаемое устройство. Термоакустическое холодильное устройство содержит корпус 1 с внешним частичным оребрением. Корпус выполнен разъемным для удобства изготовления и сборки. В оребренную часть корпуса помещен электроакустический излучатель 2 с встроенным устройством возбуждения 3. Внутри корпуса 1 выполнена первая резонаторная полость 5, закрытая крышкой 4. Весь корпус заполнен рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением. В корпус встроен регенератор 6 в виде стопки параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий теплообменник 7 со стороны акустического излучателя 2 и холодный теплообменник 8 со стороны крышки 4. Первая резонаторная полость 5 выполнена цилиндрической формы, внутри полости со стороны холодного теплообменника 8 установлена вторая резонаторная полость 9 в виде цилиндрической трубы 10 с герметичной крышкой 11 и поршнем 12, соединенным со штоком 13, закрепленным с этой крышкой на резьбе с возможностью перемещения поршня 12 вдоль оси и герметизации резонансной полости 9, причем крышка 4 первой резонаторной полости 5 также соединена с корпусом 1 резьбовым соединением с герметизирующим элементом с возможностью ее перемещения вдоль оси. Уплотнительные резиновые кольца 14, 15, 16, 17, 18 герметизируют корпус термоакустического холодильного устройства, находящегося под давлением 7-10 атм и заполненного гелий-криптоновой смесью. При этом регенератор 6 размещен на расстоянии, меньшем или равном λ/32 от крышки 4 первой резонаторной полости, где λ - длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства на рабочей частоте.The drawing shows the proposed device. Thermo-acoustic refrigeration device comprises a housing 1 with external partial finning. The housing is detachable for ease of manufacture and assembly. An electro-acoustic emitter 2 with a built-in excitation device 3 is placed in the ribbed part of the housing. Inside the housing 1, a first cavity 5 is made, which is closed by a cover 4. The entire housing is filled with a working medium in the form of a helium-krypton mixture under pressure. A regenerator 6 is built into the casing in the form of a stack of parallel plates, at the ends of which there is a hot heat exchanger 7 from the side of the acoustic emitter 2 and a cold heat exchanger 8 from the side of the lid 4. The first resonator cavity 5 is cylindrical in shape, and the second resonator cavity is installed inside the cavity from the side of the cold heat exchanger 8 cavity 9 in the form of a cylindrical pipe 10 with a sealed cap 11 and a piston 12 connected to a rod 13, mounted with this cap on a thread with the possibility of moving the piston 12 along the axis and metalization of the resonance cavity 9, and the cover 4 of the first resonator cavity 5 is also connected to the housing 1 by a threaded connection with a sealing element with the possibility of its movement along the axis. The rubber sealing rings 14, 15, 16, 17, 18 seal the case of a thermo-acoustic refrigeration device under pressure of 7-10 atm and filled with a helium-krypton mixture. In this case, the regenerator 6 is placed at a distance less than or equal to λ / 32 from the cover 4 of the first resonator cavity, where λ is the acoustic wavelength in the working medium of the refrigeration device at the operating frequency.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Электроакустический излучатель 2 создает в корпусе 1 термоакустического холодильного устройства акустическое поле, структуру которого определяет конструкция внутренних полостей корпуса устройства. Преобразование акустической энергии в тепловой поток происходит в регенераторе 6, представляющем собой стопку параллельных пластин, выполненных из материала с высокими теплоизолирующими свойствами. Регенератор выполняет функции теплового насоса, перекачивающего тепло от холодного теплообменника 8 к горячему теплообменнику 7, на основе физического механизма по принципу действия прототипа. Корпус заполнен гелий-криптоновой газовой смесью под давлением 7-10 атм. Высокое давление удерживается герметизирующими резиновыми кольцами 14-18. Массовая концентрация в смеси отдельных газовых компонент выбирается из критерия минимальности значения числа Прандтля (отношения кинематической вязкости к температуропроводности), оптимизирующего процесс теплопереноса в области регенератора. Повышение давления газовой смеси по сравнению с давлением, указанным в прототипе, способствует увеличению потока тепла, генерируемого в регенераторе 6, и уменьшению вязкостных потерь, т.е. приводит к увеличению КПД устройства охлаждения.The electro-acoustic emitter 2 creates an acoustic field in the housing 1 of the thermo-acoustic refrigeration device, the structure of which is determined by the design of the internal cavities of the device casing. The conversion of acoustic energy into heat flow occurs in a regenerator 6, which is a stack of parallel plates made of a material with high heat-insulating properties. The regenerator performs the functions of a heat pump that transfers heat from a cold heat exchanger 8 to a hot heat exchanger 7, based on a physical mechanism according to the principle of operation of the prototype. The body is filled with a helium-krypton gas mixture under a pressure of 7-10 atm. High pressure is held by the sealing rubber rings 14-18. The mass concentration in the mixture of individual gas components is selected from the criterion of the minimum value of the Prandtl number (the ratio of kinematic viscosity to thermal diffusivity), which optimizes the heat transfer process in the regenerator region. The increase in pressure of the gas mixture compared with the pressure specified in the prototype, helps to increase the heat flux generated in the regenerator 6, and to reduce the viscosity loss, i.e. leads to an increase in the efficiency of the cooling device.

Для создания оптимальных условий реализации термоакустического теплового потока необходимо выполнить два условия: во-первых, обеспечить синхронность колебаний давления и объемной скорости и, во-вторых, существенно уменьшить по сравнению с бегущей волной величину объемной скорости, т.е. увеличить акустический импеданс. Первое условие обеспечивает выполнение так называемого цикла Стирлинга, имеющего такой же предельный КПД, как и у цикла Карно. Это условие снимает принципиальные ограничения на эффективность работы термоакустического холодильного устройства. Второе условие сводит к минимуму непроизводительные потери акустической энергии, обусловленные вязкостью рабочей среды, способствуя повышению КПД практического устройства. Поставленные задачи и решает предлагаемая конструкция, состоящая из двух связанных акустических резонаторов.To create optimal conditions for the implementation of thermoacoustic heat flow, two conditions must be fulfilled: firstly, to ensure the synchronization of pressure and volumetric velocity fluctuations and, secondly, to significantly decrease the volumetric velocity compared to a traveling wave, i.e. increase acoustic impedance. The first condition ensures the fulfillment of the so-called Stirling cycle, which has the same ultimate efficiency as the Carnot cycle. This condition removes fundamental restrictions on the performance of a thermoacoustic refrigeration device. The second condition minimizes the unproductive loss of acoustic energy due to the viscosity of the working environment, helping to increase the efficiency of the practical device. The tasks are solved by the proposed design, consisting of two connected acoustic resonators.

В корпусе устройства можно выделить два акустических резонатора, имеющих разные резонансные частоты. Первый резонатор состоит из первой резонаторной полости 5 и корпусной полости, вмещающей регенератор 6, теплообменники 7 и 8, электроакустический излучатель 2, устройство возбуждения 3 и пространство между ними. Второй резонатор состоит из второй резонаторной полости 9 и той же самой общей для двух резонаторов корпусной полости, вмещающей регенератор 6, теплообменники 7, 8, электроакустический излучатель 3, устройство возбуждения 2 и пространство между ними. Первый и второй резонаторы имеют разные резонансные частоты f₁ и f₂, причем f₁>f₂, т.к. общая длина первого резонатора меньше общей длины второго резонатора. Относительная разность резонансных частот величина не малая, (f₂-f₁)/f₁>0.2, поэтому можно приближенно считать, что в общей части первого и второго резонаторов, в частности в области регенератора 6, акустическое поле состоит из двух компонент: поля первого резонатора и поля второго резонатора. Предполагается, что рабочая частота акустического поля, генерируемого электроакустическим излучателем, близка к резонансной частоте первого резонатора f₁. Регенератор 6 расположен поблизости от крышки 4, являющейся жесткой границей со стороны холодного теплообменника 8. При таком расположении отношение давления к объемной скорости (акустический импеданс) в области регенератора 6 существенно выше, чем в бегущей волне, и при приближении к жесткой границе все более возрастает. Расстояние между крышкой 4 и регенератором 6 меньше λ/32 (λ - длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства на рабочей частоте), это расстояние соответствует примерно одной шестнадцатой части от длины корпуса устройства. В таком случае акустический импеданс в области регенератора 6 более чем в пять раз превышает акустический импеданс в бегущей волне. Сниженная величина объемной скорости минимизирует вязкостные потери холодильного устройства.Two acoustic resonators having different resonant frequencies can be distinguished in the device case. The first resonator consists of a first resonator cavity 5 and a housing cavity containing a regenerator 6, heat exchangers 7 and 8, an electro-acoustic emitter 2, an excitation device 3 and the space between them. The second resonator consists of a second resonator cavity 9 and the same housing cavity common to the two resonators, containing the regenerator 6, heat exchangers 7, 8, electro-acoustic emitter 3, excitation device 2 and the space between them. The first and second resonators have different resonant frequencies f ₁ and f ₂ , and f ₁ > f ₂ , because the total length of the first resonator is less than the total length of the second resonator. The relative difference of the resonant frequencies is not small, (f ₂ -f ₁ ) / f ₁ > 0.2, so we can approximately assume that in the common part of the first and second resonators, in particular in the region of regenerator 6, the acoustic field consists of two components: field the first resonator and the field of the second resonator. It is assumed that the working frequency of the acoustic field generated by the electro-acoustic emitter is close to the resonant frequency of the first resonator f ₁ . The regenerator 6 is located near the cover 4, which is a rigid boundary on the side of the cold heat exchanger 8. With this arrangement, the ratio of pressure to space velocity (acoustic impedance) in the region of the regenerator 6 is significantly higher than in a traveling wave, and as it approaches a rigid boundary, it increases . The distance between the cover 4 and the regenerator 6 is less than λ / 32 (λ is the acoustic wavelength in the working medium of the refrigeration device at the operating frequency), this distance corresponds to approximately one sixteenth of the length of the device casing. In this case, the acoustic impedance in the region of the regenerator 6 is more than five times higher than the acoustic impedance in the traveling wave. The reduced volumetric velocity minimizes the viscosity loss of the refrigeration device.

Колебания во втором резонаторе происходят на той же частоте f₁, но она оказывается вдали от частоты собственного резонанса f₂, т.к. f₁>f₂. Поэтому колебания давления компоненты поля, соответствующего второму резонатору, во-первых, существенно меньше по амплитуде колебания давления компоненты поля, соответствующего первому резонатору и, во-вторых, опережают по фазе эти колебания примерно на 90°. Это опережение по фазе можно регулировать в диапазоне, приблизительно от 60° до 120°, подбором рабочей частоты, оставаясь в полосе частот резонанса первого резонатора. В стоячей волне колебания объемной скорости отстают по фазе от колебаний давления на 90°. Поэтому колебания объемной скорости поля второго резонатора оказываются по фазе близкими к колебаниям поля давления первого резонатора. Длина второй резонаторной полости 9 определяется и регулируется положением поршня 12. Подбирая частоту работы электроакустического излучателя 2 и длину второй резонаторной полости 9 можно настроить в области регенератора 6 объемную скорость в фазе с колебаниями давления акустического поля.Oscillations in the second resonator occur at the same frequency f ₁ , but it is far from the natural resonance frequency f ₂ , because f ₁ > f ₂ . Therefore, the pressure fluctuations of the component of the field corresponding to the second resonator, firstly, are significantly smaller in amplitude of the pressure fluctuations of the field component corresponding to the first resonator and, secondly, these oscillations are outstripped by about 90 ° in phase. This phase advance can be adjusted in the range from about 60 ° to 120 °, by selecting the operating frequency, while remaining in the resonance frequency band of the first resonator. In a standing wave, the oscillations of the space velocity lag behind the pressure oscillations by 90 °. Therefore, the oscillations of the volumetric velocity of the field of the second resonator turn out to be in phase close to the oscillations of the pressure field of the first resonator. The length of the second resonator cavity 9 is determined and regulated by the position of the piston 12. By selecting the frequency of operation of the electro-acoustic emitter 2 and the length of the second resonator cavity 9, the volume velocity in phase with fluctuations in the pressure of the acoustic field can be adjusted in the region of the regenerator 6.

Таким образом, размещением регенератора 6 вблизи крышки 4, являющейся жесткой границей первого резонатора, обеспечивается выполнение первого необходимого условия эффективной работы холодильного устройства - реализации большой величины акустического импеданса (отношения давления к объемной скорости). Подбором частоты и настройкой длины второго резонатора обеспечивается выполнение второго условия эффективной работы холодильного устройства - синфазности колебаний давления и объемной скорости. Выполнение этих двух условий позволяет теоретически увеличить КПД устройства по сравнению с прототипом более чем в два раза.Thus, the location of the regenerator 6 near the cover 4, which is the rigid boundary of the first resonator, ensures the fulfillment of the first necessary condition for the effective operation of the refrigeration device - the realization of a large value of acoustic impedance (pressure to volume velocity ratio). By selecting the frequency and adjusting the length of the second resonator, the second condition for the effective operation of the refrigeration device is fulfilled - the in-phase oscillations of pressure and space velocity. Fulfillment of these two conditions allows theoretically increasing the efficiency of the device in comparison with the prototype more than twice.

Claims

1. Thermoacoustic refrigeration device comprising a housing with external partial finning, an acoustic emitter placed in the housing with an integrated excitation device, a cavity formed inside the housing, hermetically closed by a lid, forming a resonator and filled with a working medium in the form of a helium-krypton mixture under pressure, a regenerator integrated into the resonator in the form of a stack of parallel plates, at the ends of which heat exchangers are installed hot from the acoustic emitter side and cold from the lid side, in the form of perforated aluminum disks, characterized in that the resonant cavity is cylindrical in shape, a second resonant cavity is arranged inside the cavity on the side of the cold heat exchanger in the form of a cylindrical tube with a sealed cap and a piston connected to a rod fixed to this thread on the thread with the possibility of movement the piston along the axis, while the cylindrical tube is placed in the Central part of the cover of the first resonator cavity on the thread with the provision of movement along the axis and sealing cy- cavity, and the cover is also connected with the body threaded connection with the sealing element with the possibility of displacement along the axis.

2. Thermoacoustic refrigeration device according to claim 1, characterized in that the resonant cavity is filled with a working medium in the form of a helium-krypton mixture under a pressure of 7-10 atmospheres.

3. Thermoacoustic refrigeration device according to claim 1, characterized in that the regenerator with heat exchangers is placed at a distance less than or equal to λ / 32 from the hard cover of the first resonator, where λ is the acoustic wavelength in the working medium of the refrigeration device.