CN1673649A - 一种热声驱动脉冲管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热声驱动脉冲管制冷机，包括一热声发动机和一脉冲管制冷机，及连接二者的一连接管子，所述的连接管子的长度为1/10到1/4声波长。该连接管子的横截面积比与热声发动机相接处的发动机流道横截面积小；其形状可为等直径管、有2到4种不同直径的管子连接而成的长管、或是从靠近热声发动机处向脉冲管制冷机处直径连续变化的管子。与现有技术相比，本发明提供的热声驱动脉冲管制冷机在热声发动机与其驱动的脉冲管制冷机之间插入了一根长管，在保持了热声驱动脉冲管制冷机无任何运动部件的特点的同时，使发动机内的压力波在经过此长管后波动幅值变大，即本发明提供的热声驱动脉冲管制冷机具有较大压比，从而其制冷性能得到提高。

Description

一种热声驱动脉冲管制冷机

技术领域

本发明属于制冷与低温技术领域，具体地说是涉及一种热声驱动脉冲管制冷机。

背景技术

脉冲管制冷机因为无低温下的运动部件成为近十年来小型低温制冷机研究领域中的热点和重点。通常，脉冲管制冷机需要室温下的机械无油压缩机来提供压力波，而这种压缩机结构复杂，造价高，并且制约了脉冲管制冷机长期使用的可靠性。

热声发动机是一种新型的将热能转换为声能的装置，可以无需任何运动部件而提供压力波。其实质上是一种利用热能的压缩机，结构简单而可靠性很高。在近十年里随着人们的密切关注和深入研究，热声发动机的实际性能得到大幅提高，目前热声发动机的热功转换效率已经达到了30％。

以前的将热声发动机和脉冲管制冷机耦合得到的热声驱动脉冲管制冷机，是在二者之间采用只有几个厘米长度的连接管道直接连接的方式。这种热声驱动脉冲管制冷机可以形成完全无运动部件的低温制冷机，在造价及可靠性方面具有无可比拟的优势。目前这一耦合系统所能获得的最低温度为68.8K，突破了液氮温区。限制这一耦合系统获得更低温度的瓶颈在于通常热声发动机所能提供的压比较低(压比定义为波动压力的最大值除以最小值)。采用氦气工质一般只能获得1.2左右的压比，且即便这一压比也不容易实现。

为了获得更低的制冷温度和更大的制冷量，即需要使得热声驱动的脉冲管制冷机获得更大压比是目前研究的重点之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的热声驱动脉冲管制冷机的压比较低，从而通过增加连接管道的长度，来提供一种具有较大压比、较高制冷性能的热声驱动脉冲管制冷机。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的热声驱动脉冲管制冷机，包括一热声发动机和一脉冲管制冷机，在所述的热声发动机和脉冲管制冷机之间连接一连接管子，所述的连接管子的长度在1/10声波长到1/4声波长之间，在此范围内可根据制冷机阻抗特性不同，选择不同的最佳长度。

所述的连接管子的最佳长度根据工质气体、工作温度和工作频率的不同而不同，例如：以氦气为工质，69赫兹工作频率，温度300K，则连接管子的最佳长度在1.5～7.4米之间。

所述的连接管子的横截面积小于与热声发动机相接处的发动机流道横截面积，其直径为1毫米～5厘米。

所述的连接管子包括三种形状：

(1)等直径管；

(2)由2到4种不同直径的管子连接而成的长管；

(3)从靠近热声发动机处向脉冲管制冷机处直径连续变化的变径管。

所述的热声发动机为行波热声发动机或驻波热声发动机。

所述的脉冲管制冷机为直线布置、U型布置或同轴布置的单级脉冲管制冷机，或者为直线布置、U型布置或同轴布置的多级脉冲管制冷机。

所述的连接管子的一端可连接于热声发动机上任何位置，而典型的位置为：对于驻波热声发动机来说，一般是连接于热声发动机的谐振管与水冷器的相接处；对于行波热声发动机来说，一般是热声发动机的主水冷器与反馈管的相接处。

现有技术使用热声发动机驱动脉冲管制冷机时，人们通常认为连接管道是越短越好，一般只有几个厘米，以期减少流动损失。与之相比，本发明提供的热声驱动脉冲管制冷机，关键在于在热声发动机与其驱动的脉冲管制冷机之间插入了一根长管，在保持了热声发动机驱动脉冲管制冷机无任何运动部件的特点的同时，使发动机内的压力波在经过此长管后波动幅值变大，即本发明提供的热声驱动脉冲管制冷机具有较大压比，从而其制冷性能得到提高。

为了进一步说明本发明提出的在热声发动机与脉冲管制冷机之间连接长管提升压比的原理，同时也进一步说明在选取管子长度时所需要遵循的一些原则，下面将从理论上对其增压原理进行解释。

当声波在一根长度可以和声波长相比拟的管道中进行传输时，它具有典型的分布式参数特性。如在一一端开口、一端封闭的、长1/4波长的管道的开口端a给一定的压力波，由于管道的另一端b封闭，管道内时就会形成驻波声场，压力波的幅值沿管长变化，在封闭界面上会出现幅值的极大值。当在管道的封闭端接有声学负载时同样也会出现压力波幅值的分布，这里采用线性热声理论来分析。线性热声理论是热声学中用来分析小振幅声场的常用工具，式(1)和式(2)是其用来描述声场的两个方程。

$\frac{d\hat{U}}{\mathrm{dx}}+R_1\hat{p}=0,R_1=\frac{\mathrm{i\ωA}[1+(\mathrm{\γ}-1)f_k]}{\mathrm{\γ}{P}_0}---\left(1\right)$

$\frac{d\hat{p}}{\mathrm{dx}}+R_2\hat{U}=0,R_2=\frac{\mathrm{i\ω\ρ}}{A(1-f_{\mathrm{\μ}})}---\left(2\right)$

其中ω，A，γ，P₀，ρ分别是角频率、流道横截面积、比热比、平均压力和气体密度。f_μ，f_k是与流道几何参数、气体物性、工作频率等相关的函数。

开口端a处的波动压力 和波动体积流幅值

封闭端b处的波动压力幅值 和波动体积流幅值 那么对(1)(2)式求解可以获得如下的关系式：

$\left[\begin{array}{c}{\hat{p}}_b\\ {\hat{U}}_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{p}}_a\\ {\hat{U}}_a\end{array}\right]---\left(3\right)$

$A_{11}=A_{22}=\cosh \left(\sqrt{R_1{R}_2}L\right)$

$A_{12}=-\sqrt{\frac{R_2}{R_1}}\sinh \left(\sqrt{R_1{R}_2}L\right),---\left(4\right)$

$A_{21}=-\sqrt{\frac{R_1}{R_2}}\sinh \left(\sqrt{R_1{R}_2}L\right)$

开口端a为压力波的输入端，封闭端b接有脉冲管制冷机负载。如果a处的波动压力

已知，脉冲管制冷机的阻抗

已知，那么压力波动放大比例r定义为

$r=\frac{\left|{\hat{P}}_b\right|}{\left|{\hat{P}}_a\right|}=\left|\frac{1}{-A_{12}+A_{22}Z}Z\right|---\left(5\right)$

典型地，选用10mm内径紫铜管，当Z＝(3.9-3.4i)*10⁸时，采用氦气工质，平均压力2.0Mpa，温度300K，在开口端输入0.1MPa、90Hz的压力波动，图1显示阻抗入口压力波动幅值随不同管长的变化情况，可以明显地看到压力波动放大效果，尤其当管长为2.65米时，负载端的压力波动幅值能够增加到10倍左右

附图说明

图1为阻抗入口压力波动幅值随不同管长的变化情况；

图2为实施例1的行波热声发动机驱动单级直线型脉冲管制冷机的示意图；

图3为实施例2的驻波热声发动机驱动U型两级脉冲管制冷机的示意图；

其中：A热声发动机，B连接长管，C脉冲管制冷机，1主水冷器，2回热器，3加热器，4热缓冲管，5次级水冷器，6反馈管，7锥形谐振管；8热腔，9加热器，10板叠，11水冷器，12等直径管与空腔组成的谐振器，13水冷器，14回热器，15冷头，16脉冲管，17小孔阀，18气库，19双向阀，20二级回热器，21一级气库，22一级长颈管，23一级脉冲管，24二级气库，25二级长颈管，26二级脉冲管，27水冷器，28一级回热器。

具体实施方式

下面结合图2和图3来详细描述本发明提供的具有较大压比、较高制冷性能的热声驱动脉冲管制冷机。

实施例1、

采用如图2所示的结构装置，使用行波热声发动机驱动单级直线型脉冲管制冷机，其中A为行波热声发动机，主要包括主水冷器1，回热器2，加热器3，热缓冲管4，次级水冷器5，反馈管6，锥形谐振管7；C为单级直线型脉冲管制冷机，主要包括水冷器13，回热器14，冷头15，脉冲管16，小孔阀17，气库18，双向阀19；二者通过连接长管B连接，所述的连接管子连在行波热声发动机的主水冷器与反馈管的相接处。

该行波热声发动机的反馈管的直径为80mm，反馈回路长约2m，锥形谐振管长度4.5m。采用氦气作为工质，平均压力2.46MPa，工作频率为69Hz(此频率对应声波长为14.8m)，单级直线型脉冲管制冷机回热器尺寸为15mm内径，长度48mm，填充400目不锈钢丝网；脉冲管尺寸为6mm内径，长度77mm。采用8mm的等直径的紫铜圆管作为连接长管，其长度为2.8m。实验结果表明，来自热声发动机的幅值为0.128MPa(即压比为1.11)的压力波动被放大到幅值为0.34MPa(即压比为1.32)的压力波动进入脉冲管制冷机，驱动该制冷机获得65.7K最低温。

实施例2、

采用如图3所示的结构装置，使用驻波热声发动机驱动U型两级脉冲管制冷机，其中A为驻波热声发动机，主要包括热腔8，加热器9，板叠10，水冷器11，等直径管与空腔组成的谐振器12；C为U型两级脉冲管制冷机，主要包括二级回热器20，一级气库21，一级长颈管22，一级脉冲管23，二级气库24，二级长颈管25，二级脉冲管26，水冷器27，一级回热器28；二者通过连接长管B连接，所述的连接管子连在驻波热声发动机的谐振管与水冷器的相接处。

该驻波热声发动机的加热器、板叠和水冷器内径为80mm，谐振管内径为50mm，长度3.3m，采用氦气作为工质，平均压力3.0MPa，工作频率为88Hz(此频率对应声波长为11.6m)。两级脉冲管制冷机中一级回热器尺寸为25mm内径，长度55mm，填充400目不锈钢丝网；一级脉冲管尺寸为10mm内径，长度100mm；二级回热器尺寸为10mm内径，长度35mm，填充500目不锈钢丝网；二级脉冲管尺寸为6mm内径，长度70mm。采用内径8mm的等直径的紫铜圆管作为连接长管，其长度为2.6m，实验中来自驻波热声发动机的幅值为0.073MPa(即压比为1.05)的压力波动被放大到幅值为0.19MPa的压力波动(即压比为1.14)进入两级脉冲管制冷机，驱动该制冷机获得60K最低温。

Claims (9)

1、一种热声驱动脉冲管制冷机，包括一热声发动机和一脉冲管制冷机，在所述的热声发动机和脉冲管制冷机之间连接一连接管子，其特征在于：所述的连接管子的长度在1/10声波长到1/4声波长之间。

2、如权利要求1所述的热声驱动脉冲管制冷机，其特征在于：当工质气体为氦气，工作频率为69赫兹，工作温度为300K时，所述的连接管子的长度为1.5～7.4米。

3、如权利要求1所述的热声驱动脉冲管制冷机，其特征在于：所述的连接管子的横截面积比与热声发动机相接处的发动机流道横截面积小。

4、如权利要求1所述的热声驱动脉冲管制冷机，其特征在于：所述的连接管子的直径为1毫米～5厘米。

5、如权利要求1所述的热声驱动脉冲管制冷机，其特征在于：所述的连接管子包括三种形状：

(1)等直径管；

(2)有2到4种不同直径的管子连接而成的长管；

(3)从靠近热声发动机处向脉冲管制冷机处直径连续变化的变径管。

6、如权利要求1所述的热声驱动脉冲管制冷机，其特征在于：所述的热声发动机为行波热声发动机或驻波热声发动机。

7、如权利要求1所述的热声驱动脉冲管制冷机，其特征在于：所述的脉冲管制冷机为直线布置、U型布置或同轴布置单级脉冲管制冷机，或者为直线布置、U型布置或同轴布置多级脉冲管制冷机。

8、如权利要求1所述的热声驱动脉冲管制冷机，其特征在于：所述的连接管子与驻波热声发动机的连接位置为发动机的谐振管与水冷器的相接处。

9、如权利要求1所述的热声驱动脉冲管制冷机，其特征在于：所述的连接管子与行波热声发动机的连接位置为发动机的主水冷器与反馈管的相接处。

Images