[發明專利]一種熱聲驅動的熱耦合型兩級脈管制冷系統

無效

• 申請號: 200910153863.1
• 申請日: 2009-11-16
• 公開（公告）號: CN101706169A
• 公開（公告）日: 2010-05-12
• 發明（設計）人: 湯珂;雷田;金滔;林小鋼;張玙
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及熱驅動制冷裝置，尤其涉及一種采用熱聲發動機驅動的低溫制 冷裝置。

背景技術

熱聲驅動脈管制冷系統是采用熱聲發動機(也稱熱聲壓縮機)驅動脈管制 冷機獲取制冷效應的一種熱驅動制冷系統。熱聲發動機在熱能驅動下使工質產 生自激振蕩，即將熱能轉換為聲功，并以壓力波的形式輸出；脈管制冷機則消 耗壓力波傳遞的聲功實現泵熱，獲得制冷效應。由于熱聲驅動脈管制冷系統僅 由換熱器和管道組成，不包含曲柄、連桿、活塞等機械運動部件而具有運行穩 定可靠、壽命長等優點；其工質通常為氦、氮等氣體，具有良好的環保性能； 同時，采用熱能驅動，可實現對太陽能、工業廢熱等低品位熱能的利用，順應 目前可持續發展、節能減排的社會發展要求，因而備受關注。

從制冷溫區來看，熱聲驅動脈管制冷系統朝著室溫溫區和低溫溫區兩個方 向發展，前者主要針對冰箱和空調應用，后者主要針對氣體液化應用。目前， 在室溫溫區，熱聲驅動脈管制冷系統在-20℃溫度制冷量達到340W；在低溫溫 區，熱聲驅動單級脈管制冷機制冷溫度達到34.1K，而采用兩級脈管制冷機獲得 了18.1K制冷溫度，進入液氫溫區，正努力向液氦溫區進軍。研究表明，大壓 比、大聲功率、低頻率對于提升熱聲驅動脈管制冷性能，尤其是低溫溫區的制 冷性能顯得非常重要。上述18.1K制冷溫度的獲得正是采用彈性膜分隔雙工質 以及聲壓放大器技術使得工作頻率減低至23.4Hz，并大幅提升壓比而獲得的突 破。

目前熱聲驅動脈管制冷系統中的熱聲發動機主要有駐波型熱聲發動機和行 波型熱聲發動機兩種。對于駐波型熱聲發動機，通常在位于熱聲板疊冷端的水 冷卻器與諧振管的連接位置與脈管制冷機相連接，因為該位置壓比相對較大。 但從發動機內部的聲場分布看，該位置并不是壓比最大的壓力波腹位置；壓力 波腹位于發動機端部，通常由于臨近加熱器而處于高溫，如果在這里連接脈管 制冷機將由于進氣溫度過高而無法獲得良好的制冷性能。因此即使熱聲發動機 端部的壓比最大，也不選擇在該位置連接脈管制冷機。此外，上述駐波型熱聲 發動機與脈管制冷機的連接方式下，熱聲板疊產生的聲功幾乎全部從其冷端流 出，以維持諧振管中的聲振蕩和驅動脈管制冷機工作。用于驅動脈管制冷機的 行波型熱聲發動機通常是熱聲斯特林發動機，其熱聲核位于環路結構中，雖然 在理想情況下熱聲斯特林發動機能夠實現高效的熱聲轉換，但由于環路結構中 產生的Gedeon直流會將熱量直接從熱端帶到冷端而不參與熱聲轉換，會使得性 能嚴重惡化。為了獲得高效率，各國研究者在環路Gedeon直流的抑制方面開展 了大量工作，提出了噴射泵、膜隔離等技術方案，各有優缺點。此外，環路結 構中的熱膨脹問題也需慎重考慮，并加以解決，否者將造成結構的扭曲甚至破 壞。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術不足，提出一種新型熱聲驅動熱耦合型兩級 脈管制冷系統。

熱聲驅動熱耦合型兩級脈管制冷系統包括U形雙邊驅動熱聲發動機、第一 連接管、第二連接管和熱耦合型兩級脈管制冷機；所述的U形雙邊驅動熱聲發 動機由U形諧振管連接兩個熱聲核構成；熱聲核從下到上包括依次連接的第一 水冷卻器、熱聲板疊、第一加熱器、第一熱緩沖管和第二水冷卻器；所述的熱 耦合型兩級脈管制冷機包括依次連接的第一級脈管制冷機、熱橋和第二級脈管 制冷機；第一級脈管包括依次連接的第一級制冷回熱器熱端換熱器、第一級制 冷回熱器、第一級冷頭、第一級脈管、第一級脈管熱端換熱器、第一級小孔閥、 第一級慣性管和第一級氣庫，第一級制冷回熱器熱端換熱器引出管通過第一級 雙向進氣閥與第一級脈管熱端換熱器引出管連接；第二級脈管包括依次連接的 第二級制冷回熱器熱端換熱器、預冷回熱器、預冷換熱器、第二級制冷回熱器、 第二級冷頭、第二級脈管、第二級脈管熱端換熱器、第二級小孔閥、第二級慣 性管和第二級氣庫，第二級制冷回熱器熱端換熱器的引出管通過第二級雙向進 氣閥與第二級脈管熱端換熱器引出管連接；第一級冷頭下部設有熱橋連接到預 冷換熱器的下部；一熱聲核上端引出管通過第一連接管與熱耦合型兩級脈管制 冷機的第一級制冷回熱器熱端換熱器的引出管連接；另一熱聲核上端引出管通 過第二連接管與熱耦合型兩級脈管制冷機的第二級制冷回熱器熱端換熱器的引 出管連接。