基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機的製作方法

2023-09-19 20:20:40

專利名稱：基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種制冷機裝置，特別涉及一種利用行駐波正交疊加聲場特性的熱聲 發動機驅動熱聲制冷機裝置。
背景技術：
熱聲發動機利用熱聲效應將熱能轉化為聲能，產生的聲能可以用來驅動脈管制冷 機或其它形式的熱聲制冷機，二者的結合稱為熱聲驅動的製冷系統。它具有三個主要優點 首先，該系統沒有機械運動部件，結構簡單、製造成本低、可靠性高；其次，工作介質為環境 友好氣體；第三，該系統直接以熱能作為驅動源，可望應用於熱能資源豐富而缺電的場合， 特別是在邊遠地區及海上油田天然氣液化等方面具有廣的應用前景。根據工作聲場特性不同，熱聲熱機主要分為駐波型、行波型及行駐波混合型三種。 由於駐波聲場中速度波和壓力波相位差為巧=(2π + 1)χ90°，駐波聲場理論上沒有聲功輸 出；另一方面，在駐波熱聲熱機中熱聲轉化基於氣體同固體的不可逆熱接觸，氣體進行的是 不可逆熱力學循環，所以熱聲熱機效率低。於是，1979年C印erley首次提出了行波型熱聲 熱機的概念。行波聲場中速度波和壓力波相位差為巧=〃xl80°，熱聲轉化基於氣體同固體 的可逆熱接觸。然而，Ceperley研製的行波型熱聲發動機並沒有實現聲功放大的功能。隨 後，日本的Yazaki實驗驗證了在行波通道中可以實現自維持震蕩，並驅動熱聲發動機驅動 熱聲制冷機實現了行波熱聲製冷，但其效率很低。Yazaki等人在研究中意識到了單環路型 行波熱聲熱機由於板疊處聲阻抗低，工作氣體振動速度較大，造成了嚴重的粘性損失，限制 了行波熱聲熱機效率的提高。1999年，Backhaus和Swift設計製作了一臺新型行波熱聲發動機，將行波熱聲發 動機的效率提高到30%。該發動機主要由行波通道和諧振管組成，通過合理設計環路管段 的結構尺寸使回熱器處於行波聲場，同時在行波迴路中引入諧振管從而提高了回熱器處的 聲阻抗。在此基礎上，使用其行波原理設計了熱聲發動機驅動熱聲制冷機，實現了高效制 冷。為了實現可逆熱聲轉換，眾多研究者一直追求高阻抗的行波相位。2009年康慧 芳對熱聲系統內聲場分布特性展開了研究，指出在類駐波聲場中即可實現高阻抗行波相位 區，然而，過少的行波成分會使得行波相位區很窄，高效率區很窄，不能滿足熱聲核心元件 段的長度要求。在一維聲場中，可以通過增加行波成分的方法增加行波區長度，然而隨著行 波成分的增加，雖然行波相位區長度增加，但是行波相位區當地聲阻抗減小，熱聲轉換效率 降低。行波區長度和阻抗的相互制約關係，限制了熱聲製冷系統的發展。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制 冷機，根據行波和駐波聲場的疊加特性，改變傳統的駐波型熱聲熱機和行波型熱聲熱機的 設計理念，採用正交型結構設計實現行波聲場和駐波聲場正交疊加，解除單通道熱聲系統中行波區長度和阻抗的制約關係，使得沿行波通道方向串聯的各級熱聲轉換單元均工作於 高阻抗行波相位區，提高級聯型熱聲發動機驅動熱聲制冷機的轉換效率，增加聲功流密度。本發明的技術方案如下一種基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制 冷機，包括行波通道(2)、一個或多個製冷單元駐波管(1)、一個或多個聲波發生單元駐波 管(10)，其特徵在於所述製冷單元駐波管(1)與行波通道(2)垂直相交，在交匯處放置由 製冷單元室溫端冷卻器(3)、製冷單元熱聲回熱器(4)、冷頭(5)依次相連組成的熱聲製冷 單元(A)，所述聲波發生單元駐波管與行波通道(2)垂直相交，在交匯處放置由聲波發生單 元室溫端冷卻器(6)、聲波發生單元熱聲回熱器(7)和高溫端加熱器(8)依次相連組成的聲 波發生單元(B)，所述製冷單元駐波管(1)和聲波發生單元駐波管(10)提供的駐波成分與 行波通道(2)提供的行波成分在熱聲製冷單元(A)和聲波發生單元(B)處正交疊加，熱聲 製冷單元(A)位於製冷單元駐波管(1)中壓力波幅附近，聲波發生單元(B)位於聲波發生 單元駐波管(10)中壓力波幅附近，利用駐波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特 性，使得熱聲製冷單元(A)和聲波發生單元(B)均工作於高阻抗行波相位區。本發明的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機裝置與現有技 術相比，其關鍵技術在於根據行波和駐波聲場的疊加特性，改變傳統的駐波型熱聲熱機和行波型熱聲熱機 的設計理念，採用駐波管與行波通道垂直相交，在交匯處放置由製冷單元室溫端冷卻器、制 冷單元熱聲回熱器、冷頭依次相連組成的熱聲製冷單元和由聲波發生單元室溫端冷卻器、 聲波發生單元熱聲回熱器和高溫端加熱器依次相連組成的聲波發生單元正交型結構設計 在交叉點實現行波聲場和駐波聲場正交疊加，解除了單通道熱聲系統的行波區長度和阻抗 的制約關係。本發明的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機裝置具備如下 優點本發明的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機裝置中，駐波管 提供的駐波成分與行波通道提供的行波成分在熱聲製冷單元和聲波發生單元處正交疊加， 熱聲製冷單元和聲波發生單元位於駐波管中壓力波幅附近(即速度節點附近)，有效利用 駐波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各級熱聲製冷單元和聲波發生單 元均工作於高阻抗行波相位區，實現高效熱聲轉換。


圖1為本發明實施例1結構示意圖；圖2為本發明實施例2結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施方式進一步進行說明實施例1本實施例的結構如圖1所示，它包括環狀的行波通道2、三個製冷單元駐波管1、 三個製冷單元室溫端冷卻器3、三個製冷單元熱聲回熱器4、三個冷頭5、直流抑制器9、四個 聲波發生單元駐波管10、四個聲波發生單元室溫端冷卻器6、四個聲波發生單元熱聲回熱器7、四個高溫端加熱器8。每個製冷單元駐波管1與行波通道2垂直相交，在每個製冷單 元駐波管1與行波通道2交匯處放置由室溫端冷卻器3、熱聲回熱器4、冷頭5依次相連組 成的熱聲製冷單元A，每個聲波發生單元駐波管10與行波通道2垂直相交，在每個聲波發生 單元駐波管10與行波通道2交匯處放置由室溫端冷卻器6、熱聲回熱器7和高溫端加熱器 8依次相連組成的聲波發生單元B。三個製冷單元室溫端冷卻器4的溫度梯度方向(即低溫端指向高溫端的方向)與 行波通道2中聲功傳播方向相反。四個聲波發生單元熱聲回熱器7的溫度梯度方向(即低溫端指向高溫端的方向) 與行波通道2中聲功傳播方向一致，聲功經過多級聲波發生單元B逐級放大。製冷單元駐波管1和聲波發生單元駐波管10為1/4波長管，即製冷單元駐波管1 和聲波發生單元駐波管10的長度為駐波管中聲波波長的1/4，熱聲製冷單元A和聲波發生 單元B位於駐波管中壓力波幅附近(即速度節點附近)。製冷單元駐波管1和聲波發生單元駐波管10提供的駐波成分與行波通道2提供 的行波成分在熱聲製冷單元A和聲波發生單元B處正交疊加，熱聲製冷單元A位於聲波發 生單元駐波管10中壓力波幅附近(即速度節點附近)，聲波發生單元B位於製冷單元駐波 管1中壓力波幅附近，有效利用駐波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得 各級熱聲製冷單元A和聲波發生單元B均工作於高阻抗行波相位區，實現高效熱聲轉換。使用彈性膜10抑制直流效應，彈性膜10選用有機材料矽膠製作的彈性膜。使用氦氣作為工作介質。實施例2本實施例的結構如圖2所示，它包括環狀的行波通道2，一個製冷單元駐波管1、 一個製冷單元室溫端冷卻器3、一個製冷單元熱聲回熱器4、一個冷頭5、三個聲波發生單元 駐波管10、三個聲波發生單元室溫端冷卻器6、三個聲波發生單元熱聲回熱器7、三個高溫 端加熱器8、直流抑制器9和諧振腔11。其特徵在於每個製冷單元駐波管1與行波通道2 垂直相交，在交匯處放置由製冷單元室溫端冷卻器3、製冷單元熱聲回熱器4、冷頭5依次相 連組成的熱聲製冷單元A，每個聲波發生單元駐波管10行波通道2垂直相交，在交匯處放置 由聲波發生單元室溫端冷卻器6、聲波發生單元熱聲回熱器7和高溫端加熱器(8)依次相連 組成的聲波發生單元B，製冷單元駐波管1和各聲波發生單元駐波管10共同連接到諧振腔 11。製冷單元室溫端冷卻器3的溫度梯度方向(即低溫端指向高溫端的方向)與行波 通道2中聲功傳播方向相反。三個聲波發生單元熱聲回熱器7的溫度梯度方向(即低溫端指向高溫端的方向) 與行波通道2中聲功傳播方向一致，聲功經過多級聲波發生單元B逐級放大。製冷單元駐波管1和聲波發生單元駐波管10為1/4波長管1。熱聲製冷單元A位於製冷單元駐波管1中壓力波幅附近(即速度節點附近)，聲波 發生單元B位於聲波發生單元駐波管10中壓力波幅附近。駐波管提供的駐波成分與行波通道2提供的行波成分在熱聲製冷單元A和聲波發 生單元B處正交疊加，熱聲製冷單元A和聲波發生單元B位於駐波管1中壓力波幅附近(即 速度節點附近)，有效利用駐波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各級熱聲製冷單元A和聲波發生單元B均工作於高阻抗行波相位區，實現高效熱聲轉換。使用彈性膜9抑制直流效應，彈性膜9選用有機材料矽膠製作的彈性膜。使用氦氣和氬氣按1 1混合的混合氣體作為工作介質。
權利要求
1.一種基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機，包括環狀的行波通 道O)、一個或多個製冷單元駐波管(1)、一個或多個聲波發生單元駐波管(10)，其特徵在 於所述製冷單元駐波管(1)與行波通道( 垂直相交，在交匯處放置由製冷單元室溫端冷 卻器(3)、製冷單元熱聲回熱器、冷頭( 依次相連組成的熱聲製冷單元(A)，所述聲波 發生單元駐波管(10)與行波通道( 垂直相交，在交匯處放置由聲波發生單元室溫端冷卻 器(6)、聲波發生單元熱聲回熱器(7)和高溫端加熱器(8)依次相連組成的聲波發生單元 (B)，所述製冷單元駐波管(1)提供的駐波成分與行波通道( 提供的行波成分在熱聲製冷 單元(A)處正交疊加，所述聲波發生單元駐波管(10)提供的駐波成分與行波通道( 提供 的行波成分在聲波發生單元(B)處正交疊加，熱聲製冷單元(A)位於製冷單元駐波管(1) 中壓力波幅附近，聲波發生單元(B)位於聲波發生單元駐波管(10)中壓力波幅附近，利用 駐波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得熱聲製冷單元(A)和聲波發生單 元(B)均工作於高阻抗行波相位區。
2.如權利要求書1所述的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機， 其特徵在於所述一個或多個製冷單元駐波管(1)、所述一個或多個聲波發生單元駐波管(10)與行波通道O)中聲波振蕩頻率相同。
3.如權利要求書1所述的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機，其 特徵在於所述製冷單元熱聲回熱器的溫度梯度方向與行波通道O)中聲功傳播方向 相反，所述溫度梯度方向指由低溫端指向高溫端的方向。
4.如權利要求書1所述的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機，其 特徵在於所述聲波發生單元熱聲回熱器(7)的溫度梯度方向與行波通道O)中聲功傳播 方向一致，聲功經過多級聲波發生單元(B)逐級放大。
5.如權利要求書1所述的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機，其 特徵在於所述的駐波管(1)為1/4波長管或半波長管。
6.如權利要求書1所述的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機，其 特徵在於還包括安裝於所述行波環路中的直流抑制器(9)。
7.如權利要求書1或6所述的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲製冷 機，其特徵在於所述的直流抑制器(9)為金屬彈性膜、有機彈性膜或噴射泵。
8.如權利要求書7所述的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機，所 述的有機彈性膜為矽膠、橡膠、或聚酯塑料製作的彈性膜片；所述的金屬彈性膜為彈簧鋼、 鈹青銅或不鏽鋼製作的彈性膜片。
9.如權利要求書1所述的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機，其 特徵在於使用氦氣、氬氣、氖氣、氪氣、二氧化碳、氬氣或氫氣中的一種或者多種氣體組成 的混合氣體作為工作介質。
10.如權利要求書1所述的基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機， 其特徵在於所述製冷單元駐波管(1)和聲波發生單元駐波管(10)共同連接到諧振腔(11)。
全文摘要
一種基於行駐波正交疊加聲場的熱聲發動機驅動熱聲制冷機，包括行波通道、一個或多個製冷單元駐波管、一個或多個聲波發生單元駐波管，所述製冷單元駐波管與行波通道垂直相交，在交匯處放置由製冷單元室溫端冷卻器、製冷單元熱聲回熱器、冷頭依次相連組成的熱聲製冷單元，所述聲波發生單元駐波管與行波通道垂直相交，在交匯處放置由聲波發生單元室溫端冷卻器、聲波發生單元熱聲回熱器和高溫端加熱器依次相連組成的聲波發生單元。駐波管提供的駐波成分與行波通道提供的行波成分在熱聲製冷單元和聲波發生單元處正交疊加，有效利用駐波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各級熱聲製冷單元和聲波發生單元均工作於高阻抗行波相位區。
文檔編號F25B23/00GK102095277SQ20111002500
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月24日
發明者康慧芳, 鄭宏飛 申請人:北京理工大學