專利名稱：耦合熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)的波紋管連接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種耦合熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)的波紋管連接裝置，它適用于熱聲發(fā)動機(jī)與各種型式制冷機(jī)之間的連接匹配。
背景技術(shù)：
熱聲發(fā)動機(jī)利用熱聲效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)換為聲功，消除了高溫和常溫下的運(yùn)動部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、直接以熱能為動力、工質(zhì)環(huán)保性好等突出優(yōu)點；脈管制冷機(jī)消除了低溫運(yùn)動部件，也具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和工質(zhì)環(huán)保性好等優(yōu)點。因此二者結(jié)合就構(gòu)成完全沒有運(yùn)動部件的熱聲制冷系統(tǒng)，在天然氣液化、電子器件冷卻和近室溫制冷等方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。
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?，?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。
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)，目前已經(jīng)開始出現(xiàn)用熱聲驅(qū)動的多級脈管制冷機(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，所以調(diào)相機(jī)構(gòu)對于脈管制冷機(jī)至關(guān)重要。
從目前的研究現(xiàn)狀看，熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動的脈管制冷機(jī)系統(tǒng)性能要提高，必須優(yōu)化發(fā)動機(jī)和制冷機(jī)之間的匹配，需要做兩方面的工作。在熱聲發(fā)動機(jī)方面，首先要使發(fā)動機(jī)具有穩(wěn)定的壓力振蕩，即單頻性和頻率穩(wěn)定性要好；其次要提高發(fā)動機(jī)的驅(qū)動能力，壓比作為評價發(fā)動機(jī)驅(qū)動能力的主要指標(biāo)，是脈管制冷機(jī)賴以工作的動力，要使脈管制冷機(jī)獲得低制冷溫度和大制冷功率就要求發(fā)動機(jī)有高的輸出壓比。對于脈管制冷機(jī)來說，與發(fā)動機(jī)對接的最大問題是頻率匹配。脈管制冷機(jī)分為兩類，一類是G-M型脈管制冷機(jī)，一般工作在2Hz以下；另一類是斯特林型脈管制冷機(jī)，其頻率范圍一般為15～60Hz。而采用氦氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機(jī)工作頻率一般在70Hz以上，所以二者之間的頻率匹配是一個需要解決的問題。最后，對于熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)來說，還存在一個工質(zhì)匹配，一些工質(zhì)，如氮氣和氬氣，是很好的壓縮機(jī)工質(zhì)，用于熱聲發(fā)動機(jī)可以獲得較高的壓比，但傳輸性質(zhì)不理想，不利于低溫制冷機(jī)的工作，另外一些工質(zhì)，如氦氣，熱量的傳輸特性好，同時又具有很低的沸點，所以是很好的低溫制冷工質(zhì)，但用在熱聲發(fā)動機(jī)中卻不易獲得高的壓比。如果能在熱聲發(fā)動機(jī)采用氮氣等工質(zhì)，在制冷機(jī)中采用氦氣為工質(zhì)，把二者通過一個連接部件連接，這樣就可以同時利用兩種工質(zhì)的優(yōu)點，而消除其不利方面。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種耦合熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)的波紋管連接裝置。
它具有聲功傳輸裝置、密封罩，聲功傳輸裝置上設(shè)有下法蘭，在下法蘭上設(shè)有波紋管、波紋管密封板。密封罩具有上法蘭，在上法蘭上設(shè)有密封套管。密封套管具有直管段和與脈管制冷機(jī)連接的變徑過渡管。上、下法蘭通過螺栓連接或直接焊接連接。
本實用新型為優(yōu)化熱聲發(fā)動機(jī)與脈管制冷機(jī)之間的工質(zhì)匹配，以滿足工程需要，提出一種新型的波紋管連接裝置。由于波紋管是柔性部件，所以在其彈性限度內(nèi)可以高效傳輸聲功，當(dāng)把其一端封閉后，又可以隔斷兩側(cè)的質(zhì)量交換。因此，如果把這種連接裝置用于熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)之間的連接，則可以實現(xiàn)在熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)分別采用不同工質(zhì)的目的，同時，熱聲發(fā)動機(jī)的聲功還可以高效地傳給脈管制冷機(jī)。


附圖是耦合熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)的波紋管連接裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
首先要選擇合適的波紋管，材質(zhì)、長度和可伸縮性都能滿足熱聲發(fā)動機(jī)中的聲功傳輸要求。
如附圖所示，耦合熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)的波紋管連接裝置具有聲功傳輸裝置、密封罩，聲功傳輸裝置上設(shè)有下法蘭3，在下法蘭上設(shè)有波紋管2、波紋管密封板1，密封罩具有上法蘭4，在上法蘭上設(shè)有密封套管5。密封套管5具有直管段和與脈管制冷機(jī)連接的變徑過渡管。上、下法蘭通過螺栓或直接焊接連接。
在制作時，首先把波紋管2的一端用密封板1封住，可以用膠粘，也可以采用焊接方式；然后，把波紋管2的另一端焊接到下法蘭3上，下法蘭3的軸線方向上留有與熱聲發(fā)動機(jī)輸出端對接的開口，直接與熱聲發(fā)動機(jī)連接；密封套管5包括一段直管和一段變徑過渡管，通過焊接連接，變徑過渡管的另一開口端與脈管制冷機(jī)連接，密封套管與上法蘭焊接在一起。最后，把上下法蘭按照附圖所示方向通過螺栓或焊接固定連接，之間采用O型圈或金屬密封。工作中波紋管2在密封罩內(nèi)運(yùn)動，把發(fā)動機(jī)的聲功傳輸給脈管制冷機(jī)。
制作完成后，就可以把波紋管連接裝置接在脈管制冷機(jī)和熱聲發(fā)動機(jī)之間，端口對應(yīng)附圖所示。工作時，熱聲發(fā)動機(jī)側(cè)的氣體工質(zhì)帶動波紋管2運(yùn)動，波紋管密封板1像活塞一樣對脈管制冷機(jī)側(cè)的工質(zhì)進(jìn)行壓縮和膨脹做功，即把聲功從熱聲發(fā)動機(jī)傳遞給脈管制冷機(jī)，同時由于密封板1的阻隔作用，熱聲發(fā)動機(jī)與脈管制冷機(jī)之間的工質(zhì)互相獨立，保證了各自之間的獨立運(yùn)行。從而實現(xiàn)熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動脈管制冷系統(tǒng)中的工質(zhì)匹配。
權(quán)利要求1.一種耦合熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)的波紋管連接裝置，其特征在于，它具有聲功傳輸裝置、密封罩，聲功傳輸裝置上設(shè)有下法蘭(3)，在下法蘭上設(shè)有波紋管(2)、波紋管密封板(1)，密封罩具有上法蘭(4)，在上法蘭上設(shè)有密封套管(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)的波紋管連接裝置，其特征在于，所述的密封套管(5)具有直管段和與脈管制冷機(jī)連接的變徑過渡管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)的波紋管連接裝置，其特征在于，所述的上、下法蘭通過螺栓連接或焊接連接。
專利摘要本實用新型公開了一種耦合熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)的波紋管連接裝置。它具有聲功傳輸裝置、密封罩，聲功傳輸裝置上設(shè)有下法蘭，在下法蘭上設(shè)有波紋管、波紋管密封板，密封罩具有上法蘭，在上法蘭上設(shè)有密封套管。密封套管具有直管段和與脈管制冷機(jī)連接的變徑過渡管。上、下法蘭通過螺栓或焊接連接。由于波紋管是柔性部件，所以在其彈性限度內(nèi)可以高效傳輸聲功，當(dāng)把其一端封閉后，又可以隔斷兩側(cè)的質(zhì)量交換。因此，如果把這種連接裝置用于熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)之間的連接，則可以實現(xiàn)在熱聲發(fā)動機(jī)和脈管制冷機(jī)分別采用不同工質(zhì)的目的，同時，熱聲發(fā)動機(jī)的聲功還可以高效地傳給脈管制冷機(jī)。
文檔編號G10K15/04GK2913968SQ20062010042
公開日2007年6月20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)