專利名稱：一種熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)，適用于熱聲發(fā)動機(jī)與脈管制冷機(jī)之間的耦合。
背景技術(shù)：
熱聲效應(yīng)是熱與聲之間相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，即聲場中的時均熱力學(xué)效應(yīng)。熱聲熱機(jī)本質(zhì)上是一種通過熱聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能與聲能之間相互轉(zhuǎn)化或傳輸?shù)难b置。熱聲熱機(jī)不需要外部的機(jī)械手段就可以使振蕩流體的速度和壓力之間建立起合理的相位關(guān)系，因此，不需要機(jī)械傳動部件，大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。按能量轉(zhuǎn)換方向的不同，熱聲效應(yīng)可分為兩類一是用熱來產(chǎn)生聲，即熱驅(qū)動的聲振蕩；二是用聲來產(chǎn)生熱，即聲驅(qū)動的熱量傳輸。只要具備一定的條件，熱聲效應(yīng)在行波聲場、駐波聲場以及兩者結(jié)合的聲場中都能發(fā)生。
根據(jù)聲場特性不同，熱聲發(fā)動機(jī)主要分為駐波型、行波型及駐波行波混合型三種型式。行波聲場中速度波和壓力波動相位相同，而在駐波聲場中二者相差90°。由于駐波場中速度和壓力之間的相位差為90°，當(dāng)板疊處氣體速度處于正向最大時，氣體在板疊通道中高速向熱端極限移動，掠過正向半個周期運(yùn)動中的絕大部分位移(即掠過大部分的溫度梯度)，因此，這一過程應(yīng)該是加熱最強(qiáng)烈的時間段。但此時也正是壓力變化最大的時候，氣體在這一時段被迅速壓縮，壓縮過程和加熱過程同時發(fā)生，從熱力學(xué)的角度看既不利于壓縮也不利于加熱，因此造成氣體與固體之間傳熱的滯后，這一熱滯后使得當(dāng)氣體運(yùn)動變緩吸收熱量時氣體與固體介質(zhì)之間已經(jīng)有相當(dāng)?shù)臏夭?，從而造成很大的不可逆損失。但是我們也應(yīng)當(dāng)看到，如果沒有熱滯后，駐波聲場理論上不能產(chǎn)生聲功，它是以降低熱力學(xué)效率為代價(jià)來產(chǎn)生聲功的；同理，當(dāng)氣體經(jīng)歷膨脹過程時，卻同時經(jīng)歷氣體高速向低溫端運(yùn)動的冷卻過程，這樣的過程既不利于膨脹也不利于放熱。從上面的過程分析可以看到為了在駐波場中實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化就必須采用間距較大的板疊以形成熱滯后，使一部分加熱發(fā)生在壓縮過程之后，一部分冷卻發(fā)生在膨脹過程之后，然而氣體同固體間的有限溫差熱傳遞造成的不可逆熱力過程使整個裝置的效率大大降低。
行波熱聲發(fā)動機(jī)中回?zé)崞魈盍系目障冻叽邕h(yuǎn)小于氣體熱滲透深度，實(shí)現(xiàn)了固體與氣體間的理想熱接觸，加熱和冷卻近似為可逆等溫過程。同時，行波聲場中速度和壓力同相位。在行波熱聲發(fā)動機(jī)回?zé)崞魈帲?dāng)氣體被迅速壓縮時，氣體運(yùn)動速度很小，跨過回?zé)崞魃陷^小的溫度增量，因此可以被高效地壓縮，而在加熱過程中，氣體具有最大的正向速度，跨過最大的溫度增長區(qū)間，而此時壓力卻變化很小，因此可以實(shí)現(xiàn)高效的吸熱膨脹過程，從熱力學(xué)角度來看這無疑是對熱能到聲功的轉(zhuǎn)換非常有利；同理，當(dāng)氣體進(jìn)入壓力降低階段后，氣體運(yùn)動速度較小，掠過熱聲回?zé)崞鬏^小的溫度區(qū)間，所以利于壓力的降低，當(dāng)氣體壓力降到一定程度時速度變大，溫度變化迅速，氣體對回?zé)崞鞣艧?，氣體先經(jīng)歷膨脹再放熱。從以上分析可以看出行波聲場中的熱聲轉(zhuǎn)換過程自然進(jìn)行，沒有不可逆過程的參與，并且很小的回?zé)崞魉霃侥軌虮ＷC氣體與回?zé)崞鞯牡葴貍鳠?，因此，行波熱聲發(fā)動機(jī)理論上進(jìn)行的是可逆熱聲轉(zhuǎn)換過程，可以獲得比駐波熱聲發(fā)動機(jī)更高的熱力學(xué)效率。一般來說，具有純行波聲場的熱聲發(fā)動機(jī)是不存在的，目前在研的行波熱聲發(fā)動機(jī)都是行波駐波混合型熱聲發(fā)動機(jī)。所以，通常把熱聲核心部件在環(huán)路結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱聲發(fā)動機(jī)稱為行波熱聲發(fā)動機(jī)。
脈管制冷機(jī)一般由回?zé)崞鳌⒚}管、冷熱端換熱器、導(dǎo)流器以及調(diào)相機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。根據(jù)供氣方式，可分為斯特林型和G-M型，前者在壓縮機(jī)和制冷機(jī)之間采用無閥連接，后者的壓縮機(jī)與制冷機(jī)之間有高低壓切換閥。根據(jù)回?zé)崞骱兔}管的布置方式，脈管制冷機(jī)又可以分為直線型、U型和同軸型。另外，為了獲得更低的制冷溫度，還出現(xiàn)了多級制冷機(jī)。目前，熱聲驅(qū)動的脈管制冷機(jī)多采用單級脈管制冷機(jī)，已經(jīng)開始有研究者用熱聲驅(qū)動多級脈管制冷機(jī)。由于脈管制冷機(jī)的制冷量與通過脈管的聲功大小直接相關(guān)，而聲功大小取決于壓力波動和速度波動的強(qiáng)度和相位，因此調(diào)相機(jī)構(gòu)對于脈管制冷機(jī)至關(guān)重要。
脈管制冷機(jī)的發(fā)展歷程幾乎就是調(diào)相方式改進(jìn)和發(fā)展的歷史。1963年，美國Gifford和Longsworth等利用氣體對一端封閉的薄壁空管進(jìn)行周期性壓力振蕩所產(chǎn)生的制冷效應(yīng)發(fā)明的脈管制冷機(jī)，稱為基本型脈管制冷機(jī)，當(dāng)時所得到的單級最低制冷溫度為124K。1966年，Gifford和Longsworth提出表面泵熱原理，用來解釋脈管制冷機(jī)的制冷原理。該理論指出，脈管內(nèi)任一氣體微團(tuán)的循環(huán)壓縮和膨脹會產(chǎn)生大的溫度梯度，由于氣團(tuán)與脈管壁面的熱接觸將熱量逐步從冷端傳遞到熱端，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。
1984年前蘇聯(lián)的Mikulin等人對基本型脈管制冷機(jī)的熱端做出了重大革新，引入了一個氣庫和小孔，形成了小孔氣庫型脈管制冷機(jī)。氣體由負(fù)荷換熱器進(jìn)入脈管，受到推擠后通過小孔和熱端換熱器進(jìn)入氣庫。在放氣過程中，不僅留在脈管中的氣體經(jīng)過負(fù)荷換熱器及回?zé)崞鞣祷氐降蛪簹庠?，而且部分氣庫中的氣體也返回到脈管中進(jìn)行膨脹。這不僅對壓縮(充氣)過程中帶走壓縮熱有好處，而且增加了脈管內(nèi)工質(zhì)的數(shù)量，大大提高了脈管制冷機(jī)的制冷能力。Mikulin用空氣為工質(zhì)，最低制冷溫度達(dá)到105K。被看作是脈管制冷機(jī)發(fā)展史上的一個里程碑。1986年美國學(xué)者Radebaugh等對Milkulin的方案作了進(jìn)一步的改進(jìn)，將小孔從脈管與熱端換熱器之間移到氣庫與熱端換熱器之間，并用針閥代替小孔，采用氦氣為工質(zhì)，達(dá)到無負(fù)荷最低制冷溫度60K。這是一種斯特林型(可逆型)脈管制冷循環(huán)。Radebaugh等為了解釋小孔型脈管制冷機(jī)的原理，基于焓流理論分析，得出脈管內(nèi)質(zhì)量流和壓力波之間的相位差大小是影響制冷量的關(guān)鍵因素這一重要結(jié)論。基于相位理論，提出了一系列新穎的相移器來改善脈管制冷機(jī)性能。
1990年朱紹偉和吳沛宜在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新型脈管制冷機(jī)，稱為雙向進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)。它是在小孔型的基礎(chǔ)上，用一氣體分配器連接脈管熱端和回?zé)崞鳠岫耍摲桨斧@得了42K的最低制冷溫度。分析指出，在小孔型脈管制冷機(jī)中，有一部分氣體在脈管中來回振蕩，既不通過小孔進(jìn)入氣庫，也不從冷端換熱器進(jìn)入回?zé)崞?，消耗功但不產(chǎn)生制冷效應(yīng)，稱為無功氣體。雙向進(jìn)氣就是設(shè)置第二進(jìn)氣口，將不參加制冷的那部分氣體不經(jīng)過回?zé)崞?，直接從壓縮機(jī)出口引入脈管熱端，從而提高了回?zé)崞鲉挝毁|(zhì)量氣體的制冷量?，F(xiàn)在，世界各國的脈管制冷機(jī)不論是在單級或多級結(jié)構(gòu)中都廣泛采用這一方案，被視為脈管制冷發(fā)展史上的又一個里程碑。
1988年，日本大學(xué)Matsubara提出了雙活塞型脈管制冷機(jī)，由于該結(jié)構(gòu)可以回收膨脹功，降低因小孔引起的不可逆損失，進(jìn)而提高了制冷機(jī)的性能。其不足之處在于增加了一個膨脹活塞，降低了脈管制冷機(jī)的可靠性。1993年Matsubara等人又研制出四閥型脈管制冷機(jī)，去除了小孔和氣庫。該結(jié)構(gòu)的調(diào)相作用不是通過小孔氣庫而是通過另一對連接脈管熱端與壓縮機(jī)進(jìn)排氣管的切換閥來實(shí)現(xiàn)。
1992年，中科院低溫中心周遠(yuǎn)等人提出了一種新的布置方案，稱為多路旁通型脈管制冷機(jī)。在脈管中部與回?zé)崞髦胁恐g通過一個小孔相連，讓回?zé)崞髦幸徊糠謿怏w進(jìn)入脈管中間溫度點(diǎn)，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。
1994年日本的Kanao等在研究小孔型高頻脈管制冷機(jī)時，發(fā)現(xiàn)用一根尺寸合適的毛細(xì)管代替小孔閥可以提高脈管制冷機(jī)的性能，從此研究者開始了慣性管調(diào)相理論的研究。1996年Godshalk等在用熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動脈管制冷機(jī)的研究中，明確指出長頸管利用高頻振蕩氣流的慣性效應(yīng)控制壓力波和速度波的相位關(guān)系。慣性管是適應(yīng)于斯特林型脈管制冷機(jī)的一種理想調(diào)相方式，它不僅具有很強(qiáng)的調(diào)相能力，還能增強(qiáng)脈管內(nèi)的壓比，同時不產(chǎn)生直流效應(yīng)。但是，對于壓縮機(jī)排氣體積小于2cm3的微型脈管制冷機(jī)，僅利用慣性管不能獲得理想的相位。
除此之外，還有內(nèi)調(diào)相型、熱膨脹型、增大氣庫壓力法和雙閥雙小孔型等多種調(diào)相方式，都不同程度地改善了脈管制冷機(jī)的性能。
縱上所述，脈管制冷機(jī)中壓力波與速度波之間的相位關(guān)系是影響其性能的關(guān)鍵因素。回?zé)崞鲹p失是脈管制冷機(jī)中的主要損失之一。從熱聲學(xué)觀點(diǎn)來看，調(diào)相的目的就是使脈管回?zé)崞魈庍_(dá)到行波相位，即壓力波與速度波同相位。目前來看，無論是斯特林型還是G-M型脈管制冷機(jī)，在80K溫區(qū)的制冷效率均已經(jīng)達(dá)到甚至超過斯特林制冷機(jī)和G-M制冷機(jī)的水平。
熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動的脈管制冷機(jī)為高頻斯特林型脈管制冷機(jī)，目前多采用小孔氣庫加雙向進(jìn)氣的相位調(diào)節(jié)方式。雙向進(jìn)氣能夠在一定程度上降低制冷溫度，改善脈管制冷機(jī)的性能。但是，雙向進(jìn)氣的存在，使脈管制冷機(jī)內(nèi)存在一個環(huán)路，容易引發(fā)一個時均的單向質(zhì)量流動，從而使脈管和回?zé)崞鞯妮S向溫度分布嚴(yán)重偏離線性。這個單向質(zhì)量流動給脈管制冷機(jī)帶來了一個附加熱負(fù)荷，導(dǎo)致制冷量的減小。因此，許多研究者開始把目光轉(zhuǎn)向慣性管調(diào)相，理論上講，慣性管具有更強(qiáng)的調(diào)相能力，使脈管制冷機(jī)回?zé)崞魈庍_(dá)到行波相位。目前，在利用慣性管進(jìn)行相位調(diào)節(jié)時，慣性管的一端接在脈管熱端，另一端可以用盲板封閉，也可以接在一個氣庫上。由于慣性管直徑一般較小，如果末端采用盲板封閉或者氣庫連接，從脈管熱端傳遞過來的聲功就會完全被消耗，使得整個熱聲驅(qū)動脈管制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)下降。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)。
它包括脈管制冷機(jī)和行波熱聲發(fā)動機(jī)，脈管制冷機(jī)具有依次連接的制冷機(jī)回?zé)崞?、脈管，行波熱聲發(fā)動機(jī)具有行波環(huán)路、諧振直路，行波環(huán)路具有依次連接的直流控制部件、主冷卻器、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?、加熱器、熱緩沖管、次冷卻器、反饋回路，制冷機(jī)回?zé)崞鞯氖覝囟伺c發(fā)動機(jī)行波環(huán)路之間接有聲功傳輸管，其特征在于脈管制冷機(jī)的脈管熱端與熱聲發(fā)動機(jī)諧振直路之間接有慣性調(diào)相管。
本實(shí)用新型改變了以往慣性管末端用盲板或氣庫封閉的方式，把慣性管的末端與熱聲發(fā)動機(jī)直接相連。由此，慣性管除了可以實(shí)現(xiàn)調(diào)相功能外，還可以把一部分從脈管制冷機(jī)脈管熱端傳出的聲功輸送回?zé)崧暟l(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了聲功回收，可在一定程度上提高熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)的效率。


附圖是熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
附圖所示的熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)，由行波熱聲發(fā)動機(jī)、脈管制冷機(jī)及其它附屬部件組成。脈管制冷機(jī)具有依次連接的制冷機(jī)回?zé)崞?、脈管2，行波熱聲發(fā)動機(jī)具有行波環(huán)路、諧振直路10，其中行波環(huán)路具有依次連接的直流控制部件3、主冷卻器4、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?、加熱器6、熱緩沖管7、次冷卻器8、反饋回路9。脈管制冷機(jī)的回?zé)崞鳠岫送ㄟ^一條內(nèi)徑約為8mm的管路11與熱聲發(fā)動機(jī)相連，用于把聲功從熱聲發(fā)動機(jī)傳輸進(jìn)脈管制冷機(jī)。在脈管制冷機(jī)的脈管熱端接一條內(nèi)徑約為1～4mm、長度為2～5m的細(xì)長管，其末端直接接在發(fā)動機(jī)管路上，這根細(xì)長管就是慣性管12。慣性管12可以為不銹鋼管、紫銅管，甚至塑料軟管。附圖給出的連接方法示意圖中，慣性管的末端接在熱聲發(fā)動機(jī)環(huán)路和諧振直路之間的三通處。當(dāng)發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)開始工作后，聲功從脈管制冷機(jī)的回?zé)崞鬏斎?，在回?zé)醿?nèi)產(chǎn)生熱量的傳輸，從而在脈管制冷機(jī)冷頭發(fā)生制冷效應(yīng)。此時慣性調(diào)相管的作用有兩個，一是其直徑和長度決定著脈管制冷機(jī)內(nèi)的壓力波動和速度波動的相位，確保脈管制冷機(jī)回?zé)崞魈幱谛胁ㄏ辔?；另外，它把從脈管熱端傳出的聲功反饋回?zé)崧暟l(fā)動機(jī)，提高了熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)的效率。
權(quán)利要求1.一種熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)，它包括脈管制冷機(jī)和行波熱聲發(fā)動機(jī)，脈管制冷機(jī)具有依次連接的制冷機(jī)回?zé)崞?1)、脈管(2)，行波熱聲發(fā)動機(jī)具有行波環(huán)路、諧振直路(10)，其中行波環(huán)路具有依次連接的直流控制部件(3)、主冷卻器(4)、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?5)、加熱器(6)、熱緩沖管(7)、次冷卻器(8)、反饋回路(9)，制冷機(jī)回?zé)崞鞯氖覝囟伺c發(fā)動機(jī)行波環(huán)路之間接有聲功傳輸管(11)，其特征在于脈管的熱端與熱聲發(fā)動機(jī)諧振直路之間接有慣性調(diào)相管(12)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)。它包括脈管制冷機(jī)和行波熱聲發(fā)動機(jī)，脈管制冷機(jī)具有依次連接的制冷機(jī)回?zé)崞?、脈管，行波熱聲發(fā)動機(jī)具有行波環(huán)路、諧振直路，行波環(huán)路具有依次連接的直流控制部件、主冷卻器、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?、加熱器、熱緩沖管、次冷卻器、反饋回路，制冷機(jī)回?zé)崞鞯氖覝囟伺c發(fā)動機(jī)行波環(huán)路之間接有聲功傳輸管，其特征在于脈管的熱端與熱聲發(fā)動機(jī)諧振直路之間接有慣性調(diào)相管。本實(shí)用新型改變了以往慣性管末端用盲板或氣庫封閉的方式，把慣性管的末端與熱聲發(fā)動機(jī)直接相連。慣性管除可以實(shí)現(xiàn)調(diào)相功能外，還把一部分從制冷機(jī)脈管熱端傳出的聲功輸送回發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了聲功回收，可提高熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)系統(tǒng)的效率。
文檔編號G10K15/04GK2876632SQ200620100420
公開日2007年3月7日 申請日期2006年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月17日
發(fā)明者邱利民, 孫大明 申請人:浙江大學(xué)