一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置 【发明领域】
本发明涉及一种制冷机装置，特别涉及一种级联型热声发动机驱动热声制冷机装置。
背景技术
热声发动机利用热声效应将热能转化为声能，产生的声能可以用来驱动脉管制冷机或其它形式的热声制冷机，二者的结合称为热声驱动的制冷系统。它具有三个主要优点：首先，该系统没有机械运动部件，结构简单、制造成本低、可靠性高；其次，工作介质为环境友好气体；第三，该系统直接以热能作为驱动源，可望应用于热能资源丰富而缺
电的场合，特别是在边远地区及海上油田天然气液化等方面具有广的应用前景。
近20年来热驱动热声制冷研究发展迅速。早在1989年，Wheatley等人设计了一台驻波型热驱动热声制冷机，是世界上第一台完全无运动部件的低温制冷机。随后1997年，Hofler等人在此基础上做了改进，在25℃的温降条件下，将驻波热声热机总效率(制冷机的制冷量比发动机输入热量)提高到15％。美国Los Alamos国家实验室，于1990年开展了热声发动机代替机械压缩机驱动小孔型脉管制冷机的研究，达到90K的低温。1999年，由LosAlamos国家实验室建立的一种新型的可实现声功回收的脉管型制冷机属于行波型热声制冷机的范畴，将热声行波转换回路设置在驻波谐振管的高声阻抗区(速度节点、压力腹点区)，兼顾了行波热声转换的高效率特性，并大大降低了回热器的粘性流动损失。采用2.4MPa的Ar做工作介质、工作频率为23Hz以及高温端为12℃时，该制冷机冷端达到的最低温为-80℃，在0℃时有50W的制冷量，其COP为1左右。2002年，日本Ueda研究小组在斯特林型热声发动机的声波环路中加入热声制冷机单元，加入的热声制冷机单元位于热声发动机单元室温端换热器附近，即发动机室温端冷却器和制冷机冷端换热器通过热缓冲管连通。虽然该发动机单元和制冷机单元位于压力波腹点附近，但发动机单元的室温端靠近压力波腹点，热声热机中行驻波热声效应方向相反。因此，该热声热机总效率较低，获得了-27℃最低温度，但在0℃仅有10W左右的制冷量。2006年，罗二仓等人采用行波型热声发动机驱动行波型热声制冷机，在工作气体为氦气，平均压力3MPa，输入2.2KW的热量，达到-65℃的无负荷制冷温度，并在制冷温度为0℃时达到405W的制冷量，此时COP达到2.0，总效率达到18.4％。2007年，中科院理化究的李青研究小组在此Ueda研究小组研制的热驱动热声制冷机的基础上进行了改进，同样将制冷机置于斯特林型热声发动机的声波环路中，但将热声制冷机单元置于热声发动机单元高温端加热器上方，即发动机高温端加热器和制冷机室温端换热器通过热缓冲管连通。该发动机单元的高温靠近压力波腹点，制冷机回热器的室温端靠近压力腹点，且行波成分从发动机单元室温端流向高温端经过热缓冲管进入制冷机单元室温端再从低温端流出，使得热声热机中行驻波热声效应方向相同，即在发动机中均产生热致声效应，在制冷机中均产生声致冷效应。该制冷系统在输入300W的加热量时实现-30℃的无负载温度，并且在0℃时可以提供40W的制冷量。
综上所述，早期研究只是以热声发动机代替脉冲管的压缩机，但由于脉冲管制冷的理论制冷系数是TC/TH，其中TC为低温端温度，TH为高温端温度。在低温工况下比较接近卡诺制冷系数，但在室温制冷范围内远低于卡诺制冷系数，并且制冷功率密度也不大。另外，环形布置的行波型热声制冷机总是难以克服声直流损失的问题，降低了制冷效率。各种类型的热声发动机和行波制冷机之间的匹配好坏也影响系统效率的提高，有时存在严重的大马拉小车现象。大多数热驱动热声制冷机的尺度远大于核心元件的尺度，制约了热驱动热声制冷机在工程的广泛应用。为提高功率密度和制冷系数，本文提出了一种新型级联型热声发动机驱动热声制冷机装置。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，从而提供一种既可以避免声环流损失，又可以实现高效热声转换，高能流密度，结构紧凑，利于热声系统集成化的级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置。
本发明的技术方案如下：
一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，包括：发动机级终端谐振腔、发动机级谐振管、驻波级发动机单元、驻波段热缓冲管、行驻波级发动机单元、行波段热缓冲管、行驻波级制冷机单元、制冷机级谐振管和制冷机级终端谐振腔；其中，驻波级发动机单元包括：室温端冷却器、回热器、高温端加热器；行驻波级发动机单元包括：室温端冷却器、回热器、高温端加热器；行驻波级制冷机单元包括：室温端冷却器、回热器、低温端换热器。
所述发动机级终端谐振腔、发动机级谐振管、驻波级发动机单元的室温端冷却器、驻波级发动机单元的回热器、驻波级发动机单元的高温端加热器、驻波段热缓冲管、行驻波级发动机单元的室温端冷却器、行驻波级发动机单元的回热器、行驻波级发动机单元的高温端加热器、行波段热缓冲管、行驻波级制冷机单元的室温端冷却器、行驻波级制冷机单元的回热器、行驻波级制冷机单元的低温端换热器、制冷机级谐振管和制冷机级终端谐振腔依次相连。
所述驻波级发动机单元，主要工作于驻波模态，驻波级发动机单元产生的声功，一部分向左传递，在发动机级谐振管和发动机级终端谐振腔中耗散；一部分向右传递，为行驻波级发动机单元、行波段热缓冲管和行驻波级制冷机单元提供高阻抗行驻波相位区和高阻抗行波相位区；
所述行驻波级发动机单元，工作于行驻波模态，声功由回热器室温端传播到高温端，且回热器的高温端靠近压力波腹，这样回热器中声波的行波成分和驻波成分在所述行驻波级发动机单元中均产生热致声效应；
所述行驻波级制冷机单元，工作于行驻波模态，声功由回热器室温端传播到低温端，且回热器地室温端靠近压力波腹，这样回热器中声波的行波成分和驻波成分在行驻波级制冷机单元中均产生声致冷效应；
本发明所述的一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，其工作关系为：声功最初在驻波级发动机单元产生，经驻波段热缓冲管传播至行驻波级发动机单元放大，再经过行波段热缓冲管传播至行驻波级制冷机单元消耗，剩余声功在制冷机级谐振管和制冷机级终端谐振腔中耗散。
一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，所述的驻波级发动机单元中的回热器的温度梯度方向与所述的行驻波级发动机单元中的回热器的温度梯度方向一致。
一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，使用时可由所述级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置并联或串联组成。
一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，发动机级终端谐振腔与发动机级终端谐振管的组合可用带有移动活塞的发动机级终端谐振管来代替；制冷机级终端谐振腔与制冷机级谐振管的组合可用带有移动活塞的制冷机级谐振管来代替；即，所述的发动机级终端谐振管的一端可以采用移动活塞的形式来满足边界条件，此时不使用发动机级终端谐振腔；制冷机级谐振管的一端也可以采用移动活塞的形式来满足边界条件，此时不使用制冷机级终端谐振腔。
一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，所述的行驻波段热缓冲管中可放置防止热辐射的结构，用于防止驻波级发动机单元中的高温端加热器对行驻波级发动机单元的室温端冷却器的热辐射影响。
一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，所述的行波段热缓冲管中可放置防止热辐射的结构，用于防止行驻波级发动机单元中的高温端加热器对行驻波级制冷机单元的室温端冷却器的热辐射影响。
一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，所述行驻波段热缓冲管和行波段热缓冲管中的防止热辐射的结构为一片或一片以上不锈钢丝网。
一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，所述的驻波级发动机单元、行驻波级发动机单元、行驻波级制冷机单元的数量也可以为两个或两个以上，此时，各单元之间通过相应的缓冲管依次相连。
一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置，使用氮气、氦气、二氧化碳、氩气或氢气中的一种、两种或多种组成的混合气体作为工作介质。
事实上，本发明所述的级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置可看做一个声学谐振器，驻波级发动机单元、行驻波级发动机单元、行驻波级制冷机单元均可看做热声系统单元，本装置可以由三级及以上的热声系统单元串联放置于λ/2声学谐振器中组成，λ是系统内气体振动的波长。
本发明的级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置技术特点在于：使用了直线型布置，避免了声环流损失；使用两级或多级发动机单元，提高了声能密度，同时也有效的提高了制冷量密度和降低了制冷温度；使用驻波级发动机单元提供高阻抗行驻波相位区和高阻抗行波相位区，并在该区间内合理布置行驻波级发动机和行驻波级制冷机；对于行驻波级发动机单元，声场中行波成分和驻波成分在行驻波级发动机单元中均产生热致声效应；对于行驻波级制冷机单元，声场中行波成分和驻波成分在行驻波级制冷机单元中均产生声致冷效应。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果在于：
本发明的行驻波型热声发动机驱动的热声制冷机装置综合利用了热声转换的两种机制，使声波的行波成分和驻波成分在行驻波级发动机单元中产生的热声效应均是热致声效应，在行驻波级制冷机中产生的热声效应均是泵热效应。同时，使用两级或多级发动机单元，提高了声能密度，同时也有效的提高了制冷量密度和降低了制冷温度。本发明的级联型热声发动机驱动热声制冷机装置，可以实现高效热声转换，高能流密度，利于热声系统集成化的级联型热声发动机驱动热声制冷机装置，从而提高热机的实际效率，使系统结构紧凑化、简单化、降低制冷温度、增加制冷量。
【附图说明】
图1为本发明实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例2结构示意图；
图3为本发明实施例3结构示意图；
图4为本发明实施例4结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例进一步描述本发明：
(1)实施例1
本实施例的结构如图1所示，其中P1为振荡压力幅值，它包括依次相连的发动机级终端谐振腔1、发动机级谐振管2、驻波级发动机单元16(包括：室温端冷却器3、回热器4、高温端加热器5)、驻波段热缓冲管6、行驻波级发动机单元17(包括：室温端冷却器7、回热器8、高温端加热器9)、行波段热缓冲管10、行驻波级制冷机单元18(包括：室温端冷却器11、回热器12、低温端换热器13)、制冷机级谐振管14和制冷机级终端谐振腔15。
本实施例中，声功最初在驻波机制工作的热声单元16产生，后传播经行驻波级发动机单元17放大，直至行驻波级制冷机单元18消耗，剩余声功在制冷机级谐振管14和制冷机级终端谐振腔15中耗散。
本实施例中的驻波级发动机单元16，主要工作于驻波模态。产生的声功，一部分向左传递，在发动机级谐振管2和发动机级终端谐振腔1中耗散；一部分向右传递，为行驻波级发动机单元17、行波段热缓冲管10和行驻波级制冷机单元18提供高阻抗行驻波相位区和高阻抗行波相位区。
本实施例中的行驻波级发动机单元17，工作于行驻波模态。声功由回热器室温端传播到高温端，且回热器的高温端靠近压力波腹，这样回热器中声波的行波成分和驻波成分在行驻波级发动机单元17中均产生热致声效应。
本实施例中的行驻波级制冷机单元18，工作于行驻波模态。声功由回热器室温端传播到低温端，且回热器的室温端靠近压力波腹，这样回热器中声波的行波成分和驻波成分在行驻波级制冷机单元18中均产生声致冷效应。
本实施例中的驻波级发动机单元16的回热器4的温度梯度方向与所述的行驻波级发动机单元17的回热器8的温度梯度方向一致。
(2)实施例2
本实施例的结构如图2所示，它包括依次相连的发动机级移动活塞1、发动机级谐振管2、驻波级发动机单元16(包括：室温端冷却器3、回热器4、高温端加热器5)、驻波段热缓冲管6、行驻波级发动机单元17(包括：室温端冷却器7、回热器8、高温端加热器9)、行波段热缓冲管10、行驻波级制冷机单元18(包括：室温端冷却器11、回热器12、低温端换热器13)、制冷机级谐振管14和制冷机级移动活塞15。
本实施例中，通过调整发动机级移动活塞1和制冷机级移动活塞15的工作频率和相角关系，调整系统中声场的边界条件，实现热声单元中行波成分和驻波成分热声效应一致，并且热声单元位于高阻抗区，提高热声热机效率。
本实施例中的驻波级发动机单元16，主要工作于驻波模态，声场中的驻波成分产生热致声效应，另外，其中的行波模态也产生热致声效应。
本实施例中的行驻波级发动机单元17，工作于行驻波模态。声功由回热器室温端传递到高温端，且回热器的高温端靠近压力波腹，这样回热器中声波的行波成分和驻波成分在行驻波级发动机单元17中均产生热致声效应。
本实施例中的行驻波级制冷机单元18，工作于行驻波模态。声功由回热器室温端传播到低温端，且回热器的室温端靠近压力波腹，这样回热器中声波的行波成分和驻波成分在行驻波级制冷机单元18中均产生声致冷效应。
本实施例中的驻波级发动机单元16的回热器4的温度梯度方向与所述的行驻波级发动机单元17的回热器8的温度梯度方向一致，与所述的行驻波级制冷机单元18的回热器12的温度梯度方向相反。
(3)实施例3
本实施例的结构如图3所示，其中P1为振荡压力幅值，它包括依次相连的一级发动机级终端谐振腔1、一级发动机级谐振管2、一级驻波级发动机单元16(包括：室温端冷却器3、回热器4、高温端加热器5)、一级驻波段热缓冲管6、一级行驻波级发动机单元17(包括：室温端冷却器7、回热器8、高温端加热器9)、一级行波段热缓冲管10、一级行驻波级制冷机单元18(包括：室温端冷却器11、回热器12、低温端换热器13)、一级制冷机级谐振管14、谐振腔15、二级发动机级谐振管19、二级驻波级发动机单元33(包括：室温端冷却器20、回热器21、高温端加热器22)、二级驻波段热缓冲管23、二级行驻波级发动机单元34(包括：室温端冷却器24、回热器25、高温端加热器26)、二级行波段热缓冲管27、二级行驻波级制冷机单元35(包括：室温端冷却器28、回热器29、低温端换热器30)、二级制冷机级谐振管31和二级制冷机级终端谐振腔32。
本实施例中的装置由一对实施例1的级联型热声发动机驱动热声制冷机装置通过谐振腔15相连，串联组成直线型结构(或U型结构)。各个元件的设置和工作方式、工作过程都与实施例1相同。
(4)实施例4
本实施例的结构如图4所示，其中P1为振荡压力幅值，它由一对实施例1的级联型热声发动机驱动热声制冷机装置通过谐振腔15相连，并联组成U型结构(或直线型结构)。
本实施例的结构如图4所示，它包括依次相连的一级发动机级终端谐振腔1、一级发动机级谐振管2、一级驻波级发动机单元16(包括：室温端冷却器3、回热器4、高温端加热器5)、一级驻波段热缓冲管6、一级行驻波级发动机单元17(包括：室温端冷却器7、回热器8、高温端加热器9)、一级行波段热缓冲管10、一级行驻波级制冷机单元18(包括：室温端冷却器11、回热器12、低温端换热器13)、一级制冷机级谐振管14、谐振腔15、二级制冷机级谐振管31、二级行驻波级制冷机单元35(包括：室温端冷却器28、回热器29、低温端换热器30)、二级行波段热缓冲管27、二级行驻波级发动机单元34(包括：室温端冷却器24、回热器25、高温端加热器26)、二级驻波段热缓冲管23、二级驻波级发动机单元33(包括：室温端冷却器20、回热器21、高温端加热器22)、二级发动机级谐振管19和二级发动机级终端谐振腔32。
本实施例中的装置由一对实施例1的级联型热声发动机驱动热声制冷机装置通过谐振腔15相连，并联组成U型结构(或直线型结构)。各个元件的设置和工作方式、工作过程都与实施例1相同。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。