專利名稱：新型熱聲制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種類型的新型制冷機(jī)裝置，特別涉及一種利用熱聲效應(yīng)中的泵熱作用制冷的熱聲制冷機(jī)裝置。熱聲制冷機(jī)消耗由電能或機(jī)械能等其它形式有功能量轉(zhuǎn)換來(lái)的聲能，或直接利用聲能，通過(guò)振蕩的可壓縮流體工作介質(zhì)(聲)與固體工作介質(zhì)的熱相互作用，將較低溫度熱源的熱量輸送到較高溫度的熱源，從而實(shí)現(xiàn)制冷。
目前，已知的熱聲制冷機(jī)如美國(guó)專利4,398,398(Wheailey 8/1983)，4,772,201(Hofler 2/1988)所描述。這是一種半波長(zhǎng)的熱聲制冷機(jī)(L≈1/2λ，λ為聲波長(zhǎng))，它僅利用工作介質(zhì)的不可逆性和駐波聲場(chǎng)產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)工作，因而其產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)的強(qiáng)度和有效能量的轉(zhuǎn)換和利用率較低。又如美國(guó)專利4,114,380(Ceperley 9/1978)，4,355,517(Ceperley 10/1982)所描述，它們利用行波產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)工作，這是一種全波長(zhǎng)的熱聲制冷機(jī)(L≈λ)，其聲路的阻抗不易匹配而實(shí)現(xiàn)困難，至今并未見(jiàn)到實(shí)施應(yīng)用的報(bào)道。
本發(fā)明是在系統(tǒng)研究熱聲效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出一種新的方法、流程和設(shè)計(jì)，能克服或減少以往熱聲制冷機(jī)的缺點(diǎn)，最大限度地提高熱聲效應(yīng)的強(qiáng)度和有效能量的轉(zhuǎn)換和利用率。
本發(fā)明提供一類新型的利用熱聲效應(yīng)的制冷機(jī)裝置，其能源使用電能、機(jī)械能轉(zhuǎn)換來(lái)的聲能、或直接使用聲能，其聲場(chǎng)采用半波諧振聲場(chǎng)(L≈1/2λ)或近諧振聲場(chǎng)(1/2λ＜L＜1/4λ)的設(shè)計(jì)，綜合和合理地利用等溫壁熱聲效應(yīng)和絕熱壁熱聲效應(yīng)的特點(diǎn)，并同時(shí)利用聲場(chǎng)的行波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)和聲場(chǎng)的駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)的泵熱作用，將熱量從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩矗瑢?shí)現(xiàn)制冷。
為了闡明本發(fā)明的思想，以下對(duì)熱聲效應(yīng)進(jìn)行必要的說(shuō)明。
熱聲效應(yīng)是指可壓縮的具有熱膨脹性的流體工作介質(zhì)，與具有較大熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)的固體工作介質(zhì)之間，由于流體相對(duì)固體的聲振蕩和產(chǎn)生熱相互作用，而導(dǎo)致的時(shí)均熱力學(xué)能量效應(yīng)。
按固體外壁面與外熱源的熱接觸方式來(lái)化分，熱聲效應(yīng)可分為等溫壁熱聲效應(yīng)，絕熱壁熱聲效應(yīng)，和一般情形熱聲效應(yīng)。
等溫壁熱聲效應(yīng)是指固體工作介質(zhì)的外壁面與外熱源理想熱接觸時(shí)，由于理想熱接觸的結(jié)果固體和流體的平均溫度在任一截面不變，且與外熱源溫度相同，這時(shí)出現(xiàn)工作介質(zhì)和外部熱源間的橫向熱量交換的時(shí)均能量效應(yīng)。等溫壁熱聲效應(yīng)的特點(diǎn)是1.在低聲導(dǎo)率比(聲導(dǎo)率比是當(dāng)?shù)亓黧w密度、聲速、速度波動(dòng)振幅三項(xiàng)乘積與壓力波動(dòng)振幅的比值)的區(qū)域，工作介質(zhì)向外熱源放出熱量，2.在高聲導(dǎo)率比的區(qū)域，如果流體工作介質(zhì)的普朗特?cái)?shù)(粘性系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)的比值)足夠小，工作介質(zhì)由外熱源吸取熱量，3.在工作介質(zhì)和聲導(dǎo)率比一定時(shí)，等溫壁熱聲效應(yīng)的強(qiáng)度和效率與聲流道寬度與流體的熱穿透深度的比值有關(guān)，當(dāng)聲流道當(dāng)量尺度與流體的熱穿透深度相當(dāng)時(shí)較好。
絕熱壁熱聲效應(yīng)是指固體工作介質(zhì)的外壁面與外熱源理想熱絕緣時(shí)，由于理想熱絕緣的結(jié)果，總能量流(總能量流是焓流與熱傳導(dǎo)熱流之和，也等于熱流與聲功流之和)將維持不變，這時(shí)出現(xiàn)熱能和聲能的相互轉(zhuǎn)換的時(shí)均能量效應(yīng)。制冷時(shí)在絕熱壁熱聲效應(yīng)中，聲能被消耗并轉(zhuǎn)換為熱能，同時(shí)熱流由低溫端泵送到高溫端。
當(dāng)固體工作介質(zhì)的外壁面與外熱源處于有限熱接觸時(shí)發(fā)生一般情形的熱聲效應(yīng)。等溫壁熱聲效應(yīng)和絕熱壁熱聲效應(yīng)是一般情形熱聲效應(yīng)的兩個(gè)極限情形。
任一聲場(chǎng)可視為聲場(chǎng)的駐波部分和行波部分之和，制冷時(shí)的絕熱壁熱聲效應(yīng)中，聲場(chǎng)的駐波部分產(chǎn)生的效應(yīng)有以下特點(diǎn)1.產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)強(qiáng)度較低；2.熱流方向總是由高聲導(dǎo)率比的區(qū)域流向低聲導(dǎo)率比的區(qū)域；3.當(dāng)?shù)蜏囟嗽诟呗晫?dǎo)率比的區(qū)域，高溫端在低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，在承受較小的溫度梯度時(shí)產(chǎn)生制冷效應(yīng)。熱流方向由低溫端流向高溫端，聲能除部分用于克服工作介質(zhì)的不可逆耗散外，一部分還被用于泵熱。聲功流的方向可由低溫端流向高溫端，也可由高溫端流向低溫端；4.在溫度梯度一定時(shí)，聲場(chǎng)的駐波部分產(chǎn)生的泵熱效應(yīng)的強(qiáng)度和效率當(dāng)聲流道當(dāng)量尺度約為流體的熱穿透深度時(shí)最大。這時(shí)流體工作介質(zhì)與固體工作介質(zhì)有中等程度的熱接觸，熱聲效應(yīng)依靠工作介質(zhì)的有限熱力學(xué)不可逆性工作。對(duì)完全可逆或完全不可逆的工作介質(zhì)，聲場(chǎng)的駐波部分不能產(chǎn)生的泵熱效應(yīng)。
聲場(chǎng)的行波部分產(chǎn)生的效應(yīng)有以下特點(diǎn)1.產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)強(qiáng)度較高(對(duì)同樣的壓力和速度振幅的聲波，可達(dá)的能流密度約為駐波可達(dá)到的兩倍)；2.熱流方向總是與聲功流的方向(行波傳播的方向)相反。且理想情況下當(dāng)工作介質(zhì)完全可逆時(shí)熱流與功流大小相等，當(dāng)工作介質(zhì)存在熱力學(xué)不可逆性時(shí)熱流小于與功流；3.當(dāng)?shù)蜏囟嗽诟呗晫?dǎo)率比的區(qū)域，高溫端在低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，在承受較小的溫度梯度和聲功流方向由高溫端流向低溫端時(shí)時(shí)產(chǎn)生制冷效應(yīng)，熱流方向由低溫端流向高溫端，部分聲能被消耗轉(zhuǎn)換為熱能；4.在溫度梯度一定時(shí)，聲場(chǎng)的行波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)的強(qiáng)度和效率當(dāng)聲流道的當(dāng)量尺度與熱穿透深度相比較小而又不引起較大的粘性耗散時(shí)最大。這時(shí)流體工作介質(zhì)與固體工作介質(zhì)有較好的熱接觸，熱聲效應(yīng)依靠工作介質(zhì)的熱力學(xué)可逆性工作。對(duì)完全可逆的工作介質(zhì)，聲場(chǎng)的行波部分產(chǎn)生的泵熱效應(yīng)的強(qiáng)度和能量轉(zhuǎn)換利用的效率最高。
產(chǎn)生熱聲效應(yīng)的工作介質(zhì)應(yīng)是具有較高熱膨脹度、較低普朗特?cái)?shù)的可壓縮的流體介質(zhì)和與流體介質(zhì)相比具有較大熱容量的固體介質(zhì)。特別對(duì)流體介質(zhì)，在高、低溫溫差較大，而對(duì)能量流密度要求又較低的場(chǎng)合(如制冷溫度較低和較小的制冷功率的熱聲制冷機(jī))，可采用分子式簡(jiǎn)單、分子量較小的氣體(如氦氣、氫氣、氮?dú)獾?；在高、低溫溫差較小，而又對(duì)能量流密度要求較大的場(chǎng)合(如要求獲得不太低的制冷溫度和較大的制冷功率的熱聲制冷機(jī))，可用較高工作壓力的分子式較簡(jiǎn)單的氣體(如氦氣、氮?dú)狻⒍趸嫉葰怏w)或采用臨界溫度在環(huán)境溫度附近的簡(jiǎn)單分子式的近臨界流體(如室溫附近可采用二氧化碳，丙烯等，但工作壓力應(yīng)在臨界壓力附近)。
本發(fā)明是采用以下幾種基本的聲學(xué)和熱聲部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些部件各具有不同的功能，在熱聲制冷機(jī)中完成聲能、熱能的提供、轉(zhuǎn)換、輸運(yùn)等功能。這些基本部件是1.聲換能器。聲換能器是實(shí)現(xiàn)電能、機(jī)械能、壓力能等有功能量與聲能的相互轉(zhuǎn)換的部件。如電磁式、活塞式、氣流式揚(yáng)聲器等能實(shí)現(xiàn)有功能量與聲能的轉(zhuǎn)換，為熱聲制冷機(jī)提供能源；電磁振蕩式，往復(fù)活塞式傳聲器或發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)聲能與電能的轉(zhuǎn)換，往復(fù)運(yùn)動(dòng)活塞可實(shí)現(xiàn)聲能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，壓縮機(jī)閥片組、電磁閥組或旋轉(zhuǎn)閥組等可實(shí)現(xiàn)聲能于壓力能的相互轉(zhuǎn)換等，它們可將熱聲制冷機(jī)中的聲能量輸出。以下將實(shí)現(xiàn)其它有功能量轉(zhuǎn)換為聲能換能器統(tǒng)稱為揚(yáng)聲器，而將聲能轉(zhuǎn)換為其它有功能量換能器統(tǒng)稱為傳聲器。
2.、熱聲換熱器。熱聲換熱器是利用等溫壁熱聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱聲制冷機(jī)與外熱源的熱量交換的部件。放置于熱聲制冷機(jī)聲場(chǎng)中高聲導(dǎo)率比區(qū)域的熱聲換熱器由外熱源吸熱，稱熱聲吸熱器，放置于熱聲制冷機(jī)聲場(chǎng)中低聲導(dǎo)率比區(qū)域的熱聲換熱器向外熱源放熱，稱熱聲放熱器。熱聲換熱器的結(jié)構(gòu)可以是采用導(dǎo)熱性良好的固體平板(如金屬板)的疊層結(jié)構(gòu)，板與板之間形成聲流道；也可以采用固體圓管組或整塊固體中加工出聲通道的結(jié)構(gòu)，還可以采用金屬絲網(wǎng)的堆疊形成多孔性聲流道或使用其它類型的固體多孔材料。熱聲換熱器中，聲流道的形狀可以是多種多樣，如矩形、圓或橢圓性、三角形、菱形、六角形等，但聲流道當(dāng)量尺度應(yīng)與流體的熱穿透深度相當(dāng)。熱聲換熱器的固體介質(zhì)應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性，而固體介質(zhì)的外壁應(yīng)與外熱源有良好的熱接觸，以使整個(gè)換熱器的溫度盡量處于等溫狀態(tài)。換熱器的長(zhǎng)度與聲波長(zhǎng)相比應(yīng)較小，以避免同一換熱器越出高聲導(dǎo)率比區(qū)域或低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，使得吸熱或放熱效應(yīng)被削減或抵消。
3.熱聲回?zé)崞?。熱聲回?zé)崞魇抢媒^熱壁熱聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱聲制冷機(jī)的泵熱作用和聲能與熱能的轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。它放置于熱聲制冷機(jī)聲場(chǎng)中適當(dāng)位置，消耗聲功將熱量由低溫端輸送到高溫端，實(shí)現(xiàn)制冷。熱聲回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)應(yīng)使其兩端的聲導(dǎo)率比適當(dāng)，以便能量轉(zhuǎn)換和泵熱得以順利進(jìn)行，且與熱聲換熱器能協(xié)調(diào)工作。熱聲回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)可以是固體薄板(如金屬板)的疊層結(jié)構(gòu)，板與板之間形成聲流道；也可以采用金屬絲網(wǎng)的堆疊形成多孔性聲流道或其它類型的固體多孔材料(如顆粒材料)。熱聲回?zé)崞髦?，聲流道的形狀可以是多種多樣或同一回?zé)崞髦胁捎枚喾N形狀的組合。但聲流道的當(dāng)量尺度應(yīng)約為當(dāng)?shù)亓黧w的熱穿透深度(在駐波聲場(chǎng)占主要部分的區(qū)域)，或遠(yuǎn)小于流體的熱穿透深度(在行波聲場(chǎng)占主要部分的區(qū)域)，或?yàn)橐恍∮诹黧w熱穿透深度的適當(dāng)值(在駐波和行波聲場(chǎng)均占相當(dāng)份額的區(qū)域)。熱聲回?zé)崞骺梢允侵惫?，也可以采用從高溫端向低溫端收縮的變截面管，如喇叭形連續(xù)收縮，或梯形階梯式收縮。熱聲回?zé)崞鞯墓腆w介質(zhì)應(yīng)有較好的橫向(垂直于聲傳播方向)導(dǎo)熱性和較差的縱向(沿聲傳播方向)導(dǎo)熱性(這可用縱向布置的疊層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn))，以使整個(gè)回?zé)崞髟谕唤孛娴臏囟缺M量相同，而又不會(huì)由于熱傳導(dǎo)造成較大的由回?zé)崞鞲邷囟说降蜏囟说目v向熱流損失。回?zé)崞髟谕唤孛嫔瞎腆w介質(zhì)的熱容應(yīng)遠(yuǎn)大于流體介質(zhì)的熱容，固體介質(zhì)與流體介質(zhì)的熱接觸面積應(yīng)較大以避免不完善的熱接觸而使熱聲效應(yīng)不充分和導(dǎo)致不必要的熱力學(xué)不可逆損失。熱聲回?zé)崞髋c外熱源應(yīng)有良好的熱絕緣，以避免向環(huán)境的漏熱和熱聲效應(yīng)產(chǎn)生由高溫端向低溫端的熱輸運(yùn)損失。
4.熱聲諧振管。熱聲諧振管是一段外壁面絕熱的兩端分別與高、低溫端相連的固體管道，它的兩端視情形可設(shè)有高、低溫?zé)崧晸Q熱器，以維持兩端溫度恒定。它的主要作用是通過(guò)管道長(zhǎng)度在系統(tǒng)中的匹配，在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生半波諧振或近諧振聲場(chǎng)，并連接工作于高溫段和低溫段的任意兩個(gè)熱聲部件，而又不會(huì)導(dǎo)致較大的由高溫端到低溫端的熱流損失和聲功流的衰減。熱聲諧振管的兩端聲導(dǎo)率比最好跨越高聲導(dǎo)率比和低聲導(dǎo)率比的區(qū)域。熱聲諧振管應(yīng)采用導(dǎo)熱性較差的管道，如薄壁金屬管或非金屬管，或外壁面為金屬內(nèi)壁面為非金屬的復(fù)合型薄壁管道。熱聲諧振管的截面形狀可以多種多樣，但其聲流道當(dāng)量尺度應(yīng)大于或遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)亓黧w的熱穿透深度，以避免由于固體熱傳導(dǎo)和熱聲效應(yīng)產(chǎn)生從高溫端向低溫端的熱流損失，但也不能太大以使得整個(gè)系統(tǒng)的空容積太大，能量密度太低。熱聲諧振管沿縱向方向可采用直管，也可以采用從低溫端向高溫端擴(kuò)張的變截面管，如喇叭形連續(xù)擴(kuò)張，或梯形階梯式擴(kuò)張。熱聲諧振管的管內(nèi)可以填充或部分填充或不填充熱聲回?zé)岵牧?，以改善熱聲諧振管的軸向溫度分布。熱聲諧振管的外壁面與外熱源應(yīng)盡量熱絕緣，以避免熱損失。熱聲諧振管的兩端可設(shè)置(也可不設(shè)置)層流化元件，使熱聲諧振管管內(nèi)的流動(dòng)盡量接近于層流，降低或消除紊流混合損失。
5.聲吸收器(或稱消聲器)。聲吸收器是一種在聲場(chǎng)中吸收聲功并將其耗散為熱能的部件。聲吸收器在熱聲制冷機(jī)中的作用是在一些場(chǎng)合用于替代將聲能轉(zhuǎn)換為其它形式有功能量的傳聲器以在熱機(jī)中適當(dāng)位置形成較大的行波分量。這里的一些場(chǎng)合是指利用傳聲器將這些聲能轉(zhuǎn)換后所得到的能量較小不值得利用，或利用這部分能量太復(fù)雜、不經(jīng)濟(jì)，或?yàn)榱颂岣呦到y(tǒng)的簡(jiǎn)單性和可靠性需要減少運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件等場(chǎng)合。聲吸收器的形式可以多種多樣，如小孔聲吸收器、Helmholtz共鳴器、多孔材料聲吸收器等。聲吸收器的聲阻部分可以做成可調(diào)節(jié)形式的，如采用針閥實(shí)現(xiàn)聲阻的調(diào)節(jié)。
6.聲波導(dǎo)管。聲波導(dǎo)管是一段或一組工作于相同或相近溫度的固體管道。它的作用主要是用于連接熱聲熱機(jī)中處于同樣溫區(qū)的兩端以形成聲波的反饋調(diào)節(jié)回路，或用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固有頻率。
7.聲阻抗調(diào)節(jié)器。聲阻抗調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)和匹配聲阻抗的部件，用它可在熱聲熱機(jī)中適當(dāng)位置調(diào)節(jié)和匹配當(dāng)?shù)氐穆曊袷?速度與壓力波動(dòng))的大小和相位。在聲路中有三種阻抗類型，聲阻、聲容和聲感，所以聲阻抗調(diào)節(jié)器也有三種基本類型。聲阻調(diào)節(jié)器(或聲阻尼調(diào)節(jié)器)可以是一小段細(xì)孔管或一小段多孔介質(zhì)或一個(gè)小孔調(diào)節(jié)閥門或其組合。聲容抗調(diào)節(jié)器是在聲通道上連接一個(gè)較大的空腔。而聲感抗調(diào)節(jié)器一般是聲通道上連接一段細(xì)長(zhǎng)的管道。實(shí)際使用時(shí)可將這三種基本的調(diào)節(jié)器單獨(dú)或通過(guò)并聯(lián)、串聯(lián)等方式組合使用，以在聲路中特定位置獲得所需的聲振蕩，調(diào)節(jié)一定位置聲場(chǎng)的振幅和相位。
本發(fā)明所指的熱聲制冷機(jī)是由以上幾種基本的聲學(xué)和熱聲部件構(gòu)成。這幾種部件不同的選擇和組合，形成不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的熱聲制冷機(jī)。在這里所指的不同的選擇和組合，都需要滿足這樣的條件，即一個(gè)熱聲制冷機(jī)至少包括以上幾種基本部件；在低溫端，熱聲換熱器是從外界的低溫?zé)嵩次鼰岬?；在熱聲回?zé)崞髦?，聲?chǎng)的行波部分和駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)均是產(chǎn)生泵熱作用，即將熱量由低溫端輸送到高溫端；在高溫端，熱聲換熱器是向外界的高溫?zé)嵩捶艧岬模徽麄€(gè)熱聲制冷機(jī)中的聲場(chǎng)是半波諧振聲場(chǎng)或近諧振聲場(chǎng)，聲場(chǎng)的諧振靠熱聲諧振管和聲波導(dǎo)管來(lái)匹配；聲場(chǎng)的行波分量的產(chǎn)生靠傳聲器或聲吸收器將聲能轉(zhuǎn)換為其它形式的能量，同時(shí)靠帶有聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲反饋回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
采用上述的設(shè)計(jì)，可以較大地提高熱聲制冷機(jī)的制冷能力，降低各種熱流損失和有用能的損耗，提高熱聲制冷機(jī)的效率。更由于采用了靈活的設(shè)計(jì)，根據(jù)情形我們可以選擇不同形式的換能器等不同特點(diǎn)的部件的組合(如要求體積小、重量輕、效率高時(shí)，選用電磁活塞或膜片式換能器，采用較高的工作頻率；而要求制冷溫度較低、制冷量較大時(shí)，選用氣流式換能器)，這樣可以滿足不同場(chǎng)合的需要。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所指的熱聲制冷機(jī)裝置的布置和工作過(guò)程所較詳細(xì)的說(shuō)明。


圖1是采用單個(gè)揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)的新型熱聲制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。圖中箭頭所指是聲功流的方向(下同)。
圖2是采用傳聲器替代圖1結(jié)構(gòu)中聲吸收器的(雙驅(qū)動(dòng))熱聲制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。
在圖1的熱聲制冷機(jī)中，揚(yáng)聲器1(它可以是活塞式或膜片式，氣流式等)將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成聲能在系統(tǒng)中產(chǎn)生聲振蕩，并以行波形式提供熱聲效應(yīng)產(chǎn)生泵熱作用所需的聲能量。工作于環(huán)境溫度的高溫聲波導(dǎo)管2用于傳輸聲振蕩和匹配揚(yáng)聲器1的末端聲阻抗，使得機(jī)械能等得以順利轉(zhuǎn)換為聲能，并使高溫?zé)崧暦艧崞?工作于低聲導(dǎo)率比的區(qū)域。同時(shí)利用聲場(chǎng)的行波部分和駐波部分所產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)中的泵熱作用工作的熱聲回?zé)崞?消耗部分由揚(yáng)聲器1來(lái)的部分聲功流，使得低溫?zé)崧曃鼰崞?由外部低溫?zé)嵩次盏臒崃亢捅幌牡穆暪D(zhuǎn)化來(lái)的熱量一起泵送到高溫端，并由高溫?zé)崧暦艧崞?向環(huán)境放出。工作于低溫端的聲波導(dǎo)管6實(shí)現(xiàn)低溫?zé)崧曃鼰崞?與熱聲諧振管7低溫端的連接，熱聲諧振管7用于將聲波動(dòng)由低溫端傳播到高溫端。這里熱聲諧振管的長(zhǎng)度應(yīng)使其高溫端的和低溫端的聲阻抗得到匹配，使它在低溫端工作于高聲導(dǎo)率比的區(qū)域，在高溫端工作于低聲導(dǎo)率比的區(qū)域。聲波導(dǎo)管8用于熱聲諧振管7和聲吸收器9的連接，并用于匹配末端聲阻抗和聲吸收器9的阻抗，使熱聲諧振管7的高溫端工作于低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，以便聲能得以順利轉(zhuǎn)換和聲吸收器的正常工作。聲吸收器9用于在系統(tǒng)中將聲能耗散為熱能，在系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)貫穿熱聲回?zé)崞?的行波分量。帶有聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管10用于形成聲波的主反饋調(diào)節(jié)回路，以使調(diào)節(jié)熱聲回?zé)崞髦械男胁ㄅc駐波分量(調(diào)節(jié)壓力波動(dòng)和速度波動(dòng)的相位差)和匹配聲阻抗使得各個(gè)熱聲部件工作在良好狀態(tài)。帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管或?qū)Ч芙M11用于熱聲回?zé)崞?與熱聲諧振管7中間位置的連接，形成一路或多路的聲波的次反饋調(diào)節(jié)回路，以使得熱聲回?zé)崞?的工作效率得到最佳的發(fā)揮。整個(gè)熱聲制冷機(jī)從揚(yáng)聲器聲源到的聲吸收器的長(zhǎng)度應(yīng)約等于聲波的半波長(zhǎng)或大于聲波的四分之一波長(zhǎng)和小于聲波的半波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)半波諧振或近諧振聲場(chǎng)，總的效果是使得在熱聲回?zé)崞髦袎毫Σ▌?dòng)的相位超前于速度波動(dòng)的相位，保證在熱聲回?zé)崞髦?，聲?chǎng)的行波部分和駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)均是產(chǎn)生泵熱作用，即將熱量由低溫端輸送到高溫端。
圖2是以傳聲器12替代圖1中聲吸收器9和聲波的主反饋回路10的結(jié)構(gòu)。傳聲器12(它也可以是活塞式或膜片式，氣流式等)將聲能轉(zhuǎn)換為其它形式能量輸出供利用，或反饋給揚(yáng)聲器1再利用，并在聲場(chǎng)中產(chǎn)生一個(gè)行波分量，使得在系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)貫穿熱聲回?zé)崞?的從高溫端向低溫端的行波分量。這里傳聲器12與揚(yáng)聲器1應(yīng)協(xié)調(diào)工作(可以通過(guò)控制揚(yáng)聲器1和傳聲器12的聲波動(dòng)的相位來(lái)實(shí)現(xiàn))，以保證聲功流動(dòng)的方向是由揚(yáng)聲器到傳聲器，及保證在熱聲回?zé)崞髦袎毫Σ▌?dòng)的相位超前于速度波動(dòng)的相位。圖中其它部件的作用與圖1結(jié)構(gòu)中相應(yīng)部件的作用相同。
以上所指的熱聲制冷機(jī)中在同樣溫區(qū)工作的熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管可以制作成同軸結(jié)構(gòu)，以增加裝置的緊湊性。
權(quán)利要求
1.一種熱聲制冷機(jī)裝置，它消耗聲能，利用振蕩的可壓縮流體(聲)介質(zhì)與固體介質(zhì)之間熱相互作用產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)中的聲致冷作用將低溫?zé)嵩吹臒崃枯斔偷礁邷責(zé)嵩矗粺崧曋评錂C(jī)裝置由揚(yáng)聲器、室溫聲波導(dǎo)管、室溫?zé)崧暦艧崞鳌崧暬責(zé)崞?、低溫?zé)崧曃鼰崞?、低溫聲波?dǎo)管、熱聲諧振管、室溫聲波導(dǎo)管、聲吸收器、帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管或?qū)Ч芙M組成的聲波主反饋調(diào)節(jié)回路和次反饋調(diào)節(jié)回路等部件組成；其主要特征是，熱聲制冷機(jī)中的聲場(chǎng)是半波諧振或半波近諧振聲場(chǎng)，熱聲制冷機(jī)的長(zhǎng)度約為聲波的半波長(zhǎng)或大于四分之一波長(zhǎng)和小于半波長(zhǎng)；在熱聲制冷機(jī)回?zé)崞髦?，工作流體壓力波動(dòng)的相位超前于速度波動(dòng)的相位，聲場(chǎng)的行波部分和駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)均是泵熱效應(yīng)；熱聲諧振管的兩端分別處于環(huán)境溫度和低溫(制冷溫度)，由揚(yáng)聲器提供的聲功流一部分提供給熱聲回?zé)崞饔糜诒脽?，一部分通過(guò)熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管傳播到聲吸收器被吸收或耗散，形成一個(gè)貫穿整個(gè)制冷機(jī)的聲功流(行波)；聲波的主反饋調(diào)節(jié)回路連接在揚(yáng)聲器出口的聲波導(dǎo)管和聲吸收器進(jìn)口聲波導(dǎo)管之間，聲波的次反饋調(diào)節(jié)回路連接在熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管之間。
2.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是揚(yáng)聲器是指實(shí)現(xiàn)將電能、機(jī)械能、壓力能等有功能量轉(zhuǎn)換為聲能的部件；如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)的活塞(膜片)式、氣流式揚(yáng)聲器等，它實(shí)現(xiàn)有功能量與聲能的轉(zhuǎn)換，為熱聲制冷機(jī)提供能源。
3.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是聲波導(dǎo)管、熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管由金屬管或非金屬管制作，其軸線的布置形狀可以是直線形、U形、彎曲形或部分彎曲形；熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管之間的相對(duì)位置可以為同軸和非同軸布置。
4.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是熱聲回?zé)崞鲀?nèi)部的結(jié)構(gòu)可以是固體薄板(如金屬板)的疊層結(jié)構(gòu)，板與板之間形成聲流道；也可以采用金屬絲網(wǎng)的堆疊形成多孔性聲流道或其它類型的固體多孔材料(如顆粒材料)；回?zé)崞髦校暳鞯赖男螤羁梢允嵌喾N多樣或同一回?zé)崞髦胁捎枚喾N形狀的組合；熱聲回?zé)崞骺梢允侵惫?，也可以采用從高溫端向低溫端收縮的變截面管，如喇叭形連續(xù)收縮，或梯形階梯式收縮；熱聲回?zé)崞髋c外熱源應(yīng)有良好的熱絕緣。
5.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是熱聲諧振管是一段與外界有良好絕熱的兩端分別與高、低溫端相連的固體管道，它的兩端視情形可設(shè)有高、低溫?zé)崧晸Q熱器，以維持兩端溫度恒定；熱聲諧振管應(yīng)采用軸向?qū)嵝暂^差的管道，如薄壁金屬管或非金屬管，或外壁面為金屬內(nèi)壁面為非金屬的復(fù)合型薄壁管道；熱聲諧振管的截面形狀可以多種多樣，沿軸向方向可采用直管，也可以采用從低溫端向高溫端擴(kuò)張的變截面管，如喇叭形連續(xù)擴(kuò)張，或梯形階梯式擴(kuò)張；熱聲諧振管的管內(nèi)可以填充或部分填充或不填充熱聲回?zé)岵牧?，以改善熱聲諧振管的軸向溫度分布；熱聲諧振管的兩端可設(shè)置，也可不設(shè)置層流化元件，使熱聲諧振管管內(nèi)的流動(dòng)盡量接近于層流，降低或消除紊流損失。
6.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是熱聲換熱器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可以是采用導(dǎo)熱性良好的固體平板(如金屬板)的疊層結(jié)構(gòu)，板與板之間形成聲流道；也可以采用固體圓管組或整塊固體中加工出聲通道的結(jié)構(gòu)，還可以采用金屬絲網(wǎng)的堆疊形成多孔性聲流道或使用其它類型的固體多孔材料；熱聲換熱器中，聲流道的形狀可以是多種多樣，如矩形、圓或橢圓性、三角形、菱形、六角形等；熱聲換熱器的固體介質(zhì)應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性，而固體介質(zhì)的外壁應(yīng)與外熱源有良好的熱接觸，以使整個(gè)換熱器的溫度盡量處于等溫狀態(tài)；換熱器的長(zhǎng)度與聲波長(zhǎng)相比應(yīng)較小，以避免同一換熱器越出高聲導(dǎo)率比區(qū)域或低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，使得吸熱或放熱效應(yīng)被削減或抵消。
7.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是聲吸收器的形式可以多種多樣，如小孔聲吸收器、Helmholtz共鳴器、多孔材料聲吸收器等；聲吸收器的聲阻部分可以做成可調(diào)節(jié)形式的，如采用針閥實(shí)現(xiàn)聲阻的調(diào)節(jié)。
8.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是聲阻抗調(diào)節(jié)器有三種基本類型，即聲阻、聲容和聲感調(diào)節(jié)器。聲阻調(diào)節(jié)器(或聲阻尼調(diào)節(jié)器)可以是一小段細(xì)孔管或一小段多孔介質(zhì)或一個(gè)小孔調(diào)節(jié)閥門(針閥)或其組合；聲容抗調(diào)節(jié)器是在聲通道上連接一個(gè)較大的空腔；而聲感抗調(diào)節(jié)器一般是聲通道上連接一段細(xì)長(zhǎng)的管道。實(shí)際使用時(shí)可將這三種基本的調(diào)節(jié)器單獨(dú)或通過(guò)并聯(lián)、串聯(lián)等方式組合使用，以在聲路中特定位置獲得所需的聲振蕩，調(diào)節(jié)一定位置聲場(chǎng)的振幅和相位。
9.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是聲波的主反饋調(diào)節(jié)回路連接在揚(yáng)聲器出口的聲波導(dǎo)管和聲吸收器進(jìn)口聲波導(dǎo)管之間，聲波的次反饋調(diào)節(jié)回路連接在熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管之間，聲波的次反饋調(diào)節(jié)回路可以是一路、兩路或多路；聲波的反饋調(diào)節(jié)回路由帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管構(gòu)成。
10.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是當(dāng)熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管之間的相對(duì)位置為同軸布置時(shí)，旁通的聲波反饋調(diào)節(jié)回路可以是在熱聲回?zé)崞髋c熱聲諧振管的共同壁面上，開一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)小孔，或?qū)⑦@個(gè)共同壁面采用或制作成多孔壁面。
11.按權(quán)利要求1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征是聲吸收器和聲波的主反饋回路的結(jié)構(gòu)可以由一個(gè)傳聲器替代；這里傳聲器是指實(shí)現(xiàn)將聲能轉(zhuǎn)換為電能、機(jī)械能、壓力能等有功能量的部件；如電磁振蕩式，往復(fù)活塞式傳聲器或發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)聲能與電能的轉(zhuǎn)換，往復(fù)運(yùn)動(dòng)活塞可實(shí)現(xiàn)聲能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，壓縮機(jī)閥片組、電磁閥組或旋轉(zhuǎn)閥組等可實(shí)現(xiàn)聲能與壓力能的相互轉(zhuǎn)換等，它們可將熱聲制冷機(jī)中的聲能量輸出；轉(zhuǎn)換后得到的其它形式有功能量可輸出供反饋給揚(yáng)聲器再利用；這里傳聲器與揚(yáng)聲器應(yīng)協(xié)調(diào)工作(可以通過(guò)控制揚(yáng)聲器和傳聲器中的聲波動(dòng)的相位來(lái)實(shí)現(xiàn))，以保證聲功流動(dòng)的方向是由揚(yáng)聲器到傳聲器，及保證在熱聲回?zé)崞髦袎毫Σ▌?dòng)的相位超前于速度波動(dòng)的相位。
全文摘要
一種新型熱聲制冷機(jī)裝置，它消耗聲能，利用半波諧振或近諧振聲場(chǎng)產(chǎn)生的聲致冷作用將低溫?zé)嵩吹臒崃枯斔偷礁邷責(zé)嵩础Ｐ滦蜔崧曋评錂C(jī)由揚(yáng)聲器1、聲波導(dǎo)管2，6，8、換熱器3，5、回?zé)崞?、諧振管7、聲吸收器9、帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管或?qū)Ч芙M10，11組成。熱聲制冷機(jī)的長(zhǎng)度約為聲波的半波長(zhǎng)或大于四分之一波長(zhǎng)和小于半波長(zhǎng)。在熱聲制冷機(jī)回?zé)釞C(jī)中，聲場(chǎng)的行波部分和駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)均是泵熱效應(yīng)。
文檔編號(hào)F25B23/00GK1137631SQ9510691
公開日1996年12月11日 申請(qǐng)日期1995年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月6日
發(fā)明者肖家華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院低溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心