CN109556318B - 一种热声制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热声制冷机，包括压缩机与冷头，所述冷头由散热器、回热器、冷量换热器、惯性管和气库组成，所述压缩机采用阶梯活塞结构，形成压缩腔和膨胀腔，所述压缩腔与散热器相连，所述膨胀腔与气库相连，所述压缩腔与膨胀腔之间形成温差。本发明采用阶梯活塞的结构，使得压缩机形成压缩腔和膨胀腔，与脉管制冷机相比，室温与低温的温差由第二级活塞与第二级气缸承担，在大型低温制冷机方面，可减小由于气体在脉管里的混合损失，从而获得更高的制冷效果。
Description
技术领域
本发明涉及制冷机领域，尤其是涉及一种热声制冷机。
背景技术
传统的热声制冷机，结构如图1所示，由压缩机3和冷头1组成，压缩机3由活塞31与气缸32组成，形成压缩腔331，冷头1由散热器11、回热器12、冷量换热器13、惯性管14和气库15组成。回热器12采用板叠结构。
活塞31在驱动机构如直线电机的驱动下往复运动，产生压力波。冷量换热器13对外输出冷量，散热器11向室温散热。气体在惯性管14振荡，从而由于热声效应在回热器12里形成由右向左的焓流，从而产生制冷效果，在冷量换热器13输出冷量。由于惯性管14内气体的振荡，压力在压缩腔331与气库15里大约反相。惯性管14和气库15在低温下，温度基本和冷量换热器13处于同样温度水平。气库15使惯性管14长度变短而减小损失。
由于回热器12的制冷效果有限，虽然这个制冷机只有一个运动部件，但其制冷温度仅仅低于200K，很难作为低温制冷机使用。随着制冷需求的提高，以及其他脉管制冷机的发展，如图1所示的传统的热声制冷机逐渐被淘汰。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种采用阶梯活塞结构的热声制冷机，从而使其制冷效率大幅提高，不仅可用于低温，而且可向超低温扩展。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种热声制冷机，包括压缩机与冷头，所述冷头由散热器、回热器、冷量换热器、惯性管和气库组成，所述压缩机采用阶梯活塞结构，形成压缩腔和膨胀腔，所述压缩腔与散热器相连，所述膨胀腔与气库相连，所述压缩腔与膨胀腔之间形成温差，即所述压缩腔处于室温，所述膨胀腔处于低温，所述低温指制冷温度。
进一步地，所述压缩机的活塞分成阶梯状，由第一级活塞和第二级活塞组成，所述压缩机的气缸也分成阶梯式，由第一级气缸和第二级气缸组成，从而形成压缩腔和膨胀腔。
即，所述第二级活塞与第二级气缸一端在室温，一端在低温，这个低温与气库、惯性管和冷量换热器基本一样。
所述第二级活塞与第二级气缸均采用薄壁结构，以减小导热损失，壁可采用不锈钢，玻璃钢等低导热材料以进一步降低损失。
本发明热声制冷机制冷原理为：由于惯性管的振荡，气库与压缩腔间的压力波的相位差基本在180度。如果压缩腔的PV功积分为负，则膨胀腔的PV积分为正。这样，制冷原理就从热声效应变为气体膨胀，制冷量大大增加，制冷温度大大降低。其理论制冷量可与斯特林制冷机相比。因此，在高制冷温度下，如200K以上，回热器可以采用板叠结构，在低制冷温度下，如77K以下，应该采用回热器，如采用传热面积很大的丝网等。
本发明热声制冷机的结构可以做更多变形，如将所述冷头设置为多级结构，多级冷头之间采用串联连接或并联连接。
当采用多级冷头时，每一级冷头的散热器同时与压缩腔相连，每一级冷头的惯性管共用一个气库或分别与单独的气库相连，共用一个气库时，该气库直接与膨胀腔相连，设置多个气库时，多个气库同时与膨胀腔相连。
所述热声制冷机还作为冷发动机、热发动机或热泵使用。与脉管制冷机一样，本发明热声制冷机可工作在：制冷机、冷发动机、热发动机、热泵模式，对于一个给定的制冷机，在给定的室温与冷量换热器的情况下，采用何种工作模式，这取决于压缩腔与膨胀腔的扫气容积比。
此外，由于惯性管和气库在低温，面积很大，因而可当作冷量换热器的一部分，因此，可以使冷量换热器不再需要，即热声制冷机可以采用以下形式。
即，一种热声制冷机，包括压缩机与冷头，所述冷头由散热器、回热器、惯性管和气库组成，所述压缩机采用阶梯活塞结构，形成压缩腔和膨胀腔，所述压缩腔与散热器相连，所述膨胀腔与气库相连，所述压缩腔与膨胀腔之间形成温差。
对于不设置冷量换热器的热声制冷机而言，所述冷头同样可以设置为多级结构，多级冷头之间采用串联连接或并联连接。
每一级冷头的散热器同时与压缩腔相连，每一级冷头的惯性管共用一个气库或分别与单独的气库相连，共用一个气库时，该气库直接与膨胀腔相连，设置多个气库时，多个气库同时与膨胀腔相连。
对于不设置冷量换热器的热声制冷机而言，所述热声制冷机同样还作为冷发动机、热发动机或热泵使用。与脉管制冷机一样，本发明热声制冷机可工作在：制冷机、冷发动机、热发动机、热泵模式，对于一个给定的制冷机，在给定的室温与冷量换热器的情况下，采用何种工作模式，这取决于压缩腔与膨胀腔的扫气容积比。
与现有技术相比，本发明采用阶梯状活塞的结构，使得压缩机形成压缩腔和膨胀腔，与脉管制冷机相比，室温与低温的温差由第二级活塞与第二级气缸承担。在大型低温制冷机方面，可减小由于气体在脉管里的混合损失，从而获得更高的制冷效果。
附图说明
图1为传统的热声制冷机结构示意图；
图2为实施例1中热声制冷机结构示意图；
图3为实施例2中热声制冷机结构示意图；
图4为实施例3中热声制冷机结构示意图；
图5为实施例4中热声制冷机结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种热声制冷机，如图2所示，包括压缩机3与冷头1，冷头1由散热器11、回热器12、冷量换热器13、惯性管14和气库15组成，压缩机3采用阶梯活塞结构，形成压缩腔331和膨胀腔332，压缩腔331与散热器11相连，膨胀腔332与气库15相连。
其中，压缩机3的活塞分成阶梯状，由第一级活塞311和第二级活塞312组成，压缩机3的气缸也分成阶梯式，由第一级气缸321和第二级气缸322组成，从而形成压缩腔331和膨胀腔332。
第二级活塞312与第二级气缸322一端在室温，一端在低温，这个低温与气库15、惯性管14和冷量换热器13基本一样。这里低温是指制冷温度。
本实施例中，第二级活塞312与第二级气缸322承担了室温到低温的温差，或气缸靠近气库的一端在低温，另一端在室温。第二级活塞312与第二级气缸322可采用薄壁结构，以减小导热损失，壁可采用不锈钢，玻璃钢等低导热材料以进一步降低损失。第二级活塞312可采用中空结构。
图2是对图1的热声机的改进。如果没有膨胀腔322，制冷原理是热声原理，很难获得低温。有了膨胀腔322，其制冷原理就变成了气体膨胀，热声作用的贡献变得很微弱。这里阶梯活塞312与阶梯气缸322与传统的斯特林制冷机的膨胀活塞与膨胀气缸一样，其连接相当于和压缩活塞与气缸连在一起，从而将两个运动部件变为一个。而传统的斯特林制冷机由于结构复杂，近年来逐渐在空间用制冷机领域被脉管制冷机取代。
与阶梯活塞脉管制冷机相比，气库与惯性管都在低温，可实现更大的传热面积以利于冷量的对外传输。而且，阶梯活塞312与阶梯气缸322承担室温与低温之间的温差，其轴向导热可控，而脉管由于是气体流动，由气体混合引起的轴向导热损失有其自然规律，我们无法控制，因此本发明有望实现更高的制冷效率。特别是在大制冷功率下，脉管变得庞大，由气体混合引起的轴向的导热损失会更大。该发明将会有更大的优势。
图1与图2相比，回热器12的换热面积与体积之比需要减小，变为稀疏丝网或传统的板叠。
本实施例热声制冷机制冷原理为：由于惯性管14的振荡，气库15与压缩腔331间的压力波的相位差基本在180度。如果压缩腔331的PV功积分为负，则膨胀腔332的PV积分为正。这样，制冷原理就从热声效应变为气体膨胀，制冷量与制冷效率大大增加，制冷温度大大降低。如果不考虑惯性管的损失，其理论制冷量可与斯特林制冷机相比。由于制冷原理变为气体膨胀，原有的板叠可变为回热器。但在高制冷温度下，如200K以上，仍然可采用板叠，在低制冷温度下，如77K以下，应该采用回热器，如采用传热面积很大的丝网等。
本实施例中热声制冷机的结构可以做更多变形，如将冷头1设置为多级结构，多级冷头之间采用串联连接或并联连接。
实施例2
为了得到更低温度，本实施例将制冷机做成二级制冷机。
本实施例中热声制冷机如图3所示，包括压缩机与冷头，其中，压缩机做成三级，即活塞分成阶梯状，由第一级活塞311、第二级活塞312和第三级活塞313组成，压缩机的气缸也分成三级阶梯式，由第一级气缸321、第二级气缸322和第三级气缸323组成，从而第一级活塞311与第一级气缸321之间形成压缩腔331，第二级活塞312和第二级气缸322之间形成第一膨胀腔332，第三级活塞313与第三级气缸323之间形成第二膨胀腔333。
冷头由散热器11、第一级回热器12、第一级冷量换热器13、第一级惯性管14、第一级气库15、第二级回热器22、第二级冷量换热器23，第二级惯性管24和第二级气库25组成，散热器11、第一级回热器12、第一级冷量换热器13、第一级惯性管14、第一级气库15顺序相连，在第一级回热器12之后接入第二级回热器22、第二级冷量换热器23、第二级惯性管24和第二级气库25。散热器11与压缩腔331相连，第一级气库15接入第一膨胀腔332，第二级气库25接入第二级膨胀腔333。
这里，第三级活塞313和第三级气缸323承受第一级制冷温度和第二级制冷温度差。第二级冷量换热器23、第二级惯性管24和第二级气库25，和第二级膨胀腔333处于第二级制冷温度。
第二级制冷量从第二级冷量换热器23获得，第二级制冷温度比第一级低。比如第一级制冷温度是80K，第二级制冷温度是20K。
第二级的工作原理与第一级一样。
实施例3
为了得到更低温度，本实施例将制冷机做成二级制冷机。
本实施例中热声制冷机如图4所示，包括压缩机与冷头，其中，压缩机做成三级，即活塞分成阶梯状，由第一级活塞311、第二级活塞312和第三级活塞313组成，压缩机的气缸也分成三级阶梯式，由第一级气缸321、第二级气缸322和第三级气缸323组成，从而第一级活塞311与第一级气缸321之间形成压缩腔331，第二级活塞312和第二级气缸322之间形成第一膨胀腔332，第三级活塞313与第三级气缸323之间形成第二膨胀腔333。
冷头由第一级散热器11、第一级回热器12、第一级冷量换热器13、第一级惯性管14、气库15、第二级第一散热器211，第二级第一回热器212，第二级预冷换热器213，热桥214、第二级第二回热器222、第二级冷量换热器223、第二级脉管26组成，第一级散热器11、第一级回热器12、第一级冷量换热器13、第一级惯性管14、气库15顺序相连，第二级第一散热器211，第二级第一回热器212，第二级预冷换热器213，第二级第二回热器222、第二级冷量换热器223顺序相连，第一级冷量换热器13与第二级预冷换热器213之间通过热桥214相连，第二级冷量换热器223之后接入第二级脉管26，其热端接入第一级惯性管的靠近第一级冷量换热器端。第一级散热器11与压缩腔331相连，第二级第一散热器211接入第一膨胀腔332，气库15接入第二级膨胀腔333。
本实施例中，第一级与第二级冷头公用一个惯性管，以提高第二级的调相能力，这时第二级有自己独立的第二级第一散热器211，第二级第一回热器212，第二级预冷换热器213，热桥214。214将第二级预冷换热器213与第一级冷量换热器13热连接，从而阻挡室温向第二级的漏热，以增加第二级的制冷量。
第二级冷量换热器23之后接入第二级脉管26，其热端接入第一级惯性管的靠近第一级冷量换热器端。由于是公用惯性管，这样惯性管的直径可加大，从而减小惯性管的阻力损失。进而提高制冷效率。
同时由于压缩腔331与第一膨胀腔332之间的密封，第一级与第二级之间由于串气而引起的直流分量造成的损失可减小到可忽略的程度。
图4与图3相比，只有一个阶梯活塞在低温，减低了制造的复杂性。
实施例4
本实施例提供一种热声制冷机，如图5所示，包括压缩机与冷头，其中，压缩机的活塞分成阶梯状，由第一级活塞311和第二级活塞312组成，压缩机的气缸也分成阶梯式，由第一级气缸321和第二级气缸322组成，从而形成压缩腔331和膨胀腔332。
冷头由第一级散热器11、第一级回热器12、第一级冷量换热器13、第一级惯性管14、气库15、第二级第一散热器211，第二级第一回热器212，第二级预冷换热器213，热桥214、第二级第二回热器222、第二级冷量换热器223、第二级脉管26组成，第一级散热器11、第一级回热器12、第一级冷量换热器13、第一级惯性管14、气库15顺序相连，第二级第一散热器211，第二级第一回热器212，第二级预冷换热器213，第二级第二回热器222、第二级冷量换热器223顺序相连，第一级冷量换热器13与第二级预冷换热器213之间通过热桥214相连，第二级冷量换热器223之后接入第二级脉管26，其热端接入第一级惯性管的靠近第一级冷量换热器端。第一级散热器11与压缩腔331相连，二级活塞结构也可以做成预冷式，此时，第二级第二回热器222通过第二级第一回热器212与第二级第一散热器211直接连接于压缩腔331中，气库15接入第二级膨胀腔333。
这个实施例与图4相比，存在直流分量的控制问题。
实施例5
由于惯性管14和气库15在低温，面积很大，因而可当作冷量换热器的一部分，因此，可以使实施例1中冷量换热器13不再需要。
本实施例提供一种热声制冷机，与实施例1相比，不需要冷量换热器13。
本实施例热声制冷机包括压缩机3与冷头1，冷头1由散热器11、回热器12、惯性管14和气库15组成，压缩机3采用阶梯活塞结构，形成压缩腔331和膨胀腔332，压缩腔331与散热器11相连，膨胀腔332与气库15相连。
对于不设置冷量换热器13的热声制冷机而言，冷头1同样可以设置为多级结构，多级冷头之间采用串联连接或并联连接。
每一级冷头的散热器11同时与压缩腔331相连，每一级冷头的惯性管14共用一个气库15或分别与单独的气库相连，共用一个气库15时，该气库15直接与膨胀腔332相连，设置多个气库时，多个气库同时与膨胀腔332相连。
对于不设置冷量换热器13的热声制冷机而言，热声制冷机同样还作为冷发动机、热发动机或热泵使用。与脉管制冷机一样，本发明热声制冷机可工作在：制冷机、冷发动机、热发动机、热泵模式，对于一个给定的制冷机，在给定的室温与冷量换热器的情况下，采用何种工作模式，这取决于压缩腔与膨胀腔的扫气容积比。
以上实施例中描述的热声制冷机还作为冷发动机、热发动机或热泵使用。与脉管制冷机一样，本发明热声制冷机可工作在：制冷机、冷发动机、热发动机、热泵模式，对于一个给定的制冷机，在给定的室温与冷量换热器的情况下，采用何种工作模式，这取决于压缩腔与膨胀腔的扫气容积比。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种热声制冷机，包括压缩机(3)与冷头(1)，所述冷头(1)由散热器(11)、回热器(12)、冷量换热器(13)、惯性管(14)和气库(15)组成，其特征在于，所述压缩机(3)采用阶梯活塞结构，形成压缩腔(331)和膨胀腔(332)，所述压缩腔(331)与散热器(11)相连，所述膨胀腔(332)与气库(15)相连，所述压缩腔(331)与膨胀腔(332)之间形成室温到低温的温差；
所述压缩机(3)的活塞分成阶梯状，由第一级活塞(311)和第二级活塞(312)组成，所述压缩机(3)的气缸也分成阶梯式，由第一级气缸(321)和第二级气缸(322)组成，从而形成压缩腔(331)和膨胀腔(332)，所述室温到低温的温差由第二级活塞(312)与第二级气缸(322)承担；
所述低温指制冷温度。
2.根据权利要求1所述的一种热声制冷机，其特征在于，所述冷头(1)为多级结构，多级冷头之间采用串联连接或并联连接。
3.根据权利要求2所述的一种热声制冷机，其特征在于，每一级冷头的散热器(11)同时与压缩腔(331)相连，每一级冷头的惯性管(14)共用一个气库(15)或分别与单独的气库相连，共用一个气库(15)时，该气库(15)直接与膨胀腔(332)相连，设置多个气库时，多个气库同时与膨胀腔(332)相连。
4.根据权利要求1所述的一种热声制冷机，其特征在于，所述热声制冷机还作为冷发动机、热发动机或热泵使用。
5.一种热声制冷机，包括压缩机(3)与冷头(1)，所述冷头(1)由散热器(11)、回热器(12)、惯性管(14)和气库(15)组成，其特征在于，所述压缩机(3)采用阶梯活塞结构，形成压缩腔(331)和膨胀腔(332)，所述压缩腔(331)与散热器(11)相连，所述膨胀腔(332)与气库(15)相连，所述压缩腔(331)与膨胀腔(332)之间形成室温到低温的温差。
6.根据权利要求5所述的一种热声制冷机，其特征在于，所述冷头(1)为多级结构，多级冷头之间采用串联连接或并联连接。
7.根据权利要求6所述的一种热声制冷机，其特征在于，所述压缩机(3)的活塞分成阶梯状，由第一级活塞(311)和第二级活塞(312)组成，所述压缩机(3)的气缸也分成阶梯式，由第一级气缸(321)和第二级气缸(322)组成，从而形成压缩腔(331)和膨胀腔(332)，所述第二级活塞(312)与第二级气缸(322)均采用薄壁结构。
8.根据权利要求5所述的一种热声制冷机，其特征在于，所述热声制冷机还作为冷发动机、热发动机或热泵使用。
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| CN104006564A (zh) * | 2013-02-21 | 2014-08-27 | 朱绍伟 | 一种脉管制冷机 |
| CN106247661A (zh) * | 2016-08-11 | 2016-12-21 | 同济大学 | 一种多级脉管制冷机 |
| CN106568222A (zh) * | 2016-10-28 | 2017-04-19 | 同济大学 | 一种脉管制冷机 |
-
2017
- 2017-09-25 CN CN201710874780.6A patent/CN109556318B/zh active Active
Patent Citations (5)
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