[發明專利]一種聲學共振型熱驅動行波熱聲制冷系統

有效

• 申請號: 201410051741.2
• 申請日: 2014-02-14
• 公開（公告）號: CN103808063A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 羅二倉;童歡;陳燕燕;戴巍;張麗敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所;中科力函（深圳）熱聲技術有限公司
• 主分類號: F25B23/00
• 分類號: F25B23/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉

技術領域

本發明涉及一種制冷系統，特別是涉及一種新型的聲學共振型熱驅動行波熱聲制冷系統。

背景技術

隨著高溫超導的應用，超導變壓器、超導發電機、超導電動機、超導電纜、限流器、超導儲能等獲得了快速的發展，這對低溫制冷機制冷量的提高提出了進一步的要求。目前大功率脈管制冷機還存在一些尚未解決的問題，由于尺寸的增大，很容易導致氣體流動和溫度分布不均，功率很難進一步提高，目前還沒有很好的解決方法。另一方面隨著石油及煤炭資源的日益消耗及其對環境污染的日益加劇，增大天然氣在一次能源中的比例成為我國優化能源結構的重要途徑。與管道天然氣相比，液化天然氣LNG有利于遠距離運輸和存儲，有利于邊遠天然氣的回收,降低天然氣的儲存成本,有利于天然氣應用中的調峰。傳統的天然氣液化流程主要有以下三種：復疊式液化流程、混合工質液化流程、帶膨脹機的液化流程，無論哪一種液化流程都包含著許多復雜的過程，并且使用的工質本省就存在著對環境不友好的問題。

行波熱聲發動機和脈管制冷機因其具有運行可靠、使用壽命長、潛在效率高等優點而受到人們的廣泛關注，用行波熱聲發動機驅動脈管制冷機可實現系統完全無運動部件。熱聲能量的轉換在很大程度上決定于壓力波動與體積流率波動之間的相位差。體積流率可表示成與壓力波動同相的行波分量和與壓力波動相位相差90°的駐波分量之和，純駐波即壓力波動與體積流率的相位差為90°時是不能產生聲功的，聲功的產生靠行波分量，即壓力波動與體積流率同相位的分量，因此使聲場中行波分量盡量增大對提高熱聲機械轉換效率具有積極的意義。

1979年美國的Ceperley首次提出了行波熱聲發動機的概念，但由于對熱聲轉換機理理解的有限并且對降低行波熱聲發動機產生熱功轉換核心部件回熱器阻抗沒有提出有效降低的技術方案，因此并沒有研制出可工作的行波熱聲發動機。

1998年，在行波熱聲發動機發展之初，日本的Yazaki、Iwata等人提出了環形管行波熱聲發動機，如圖1所示，他們在實驗中采用激光多普勒測速儀測量了工作氣體振蕩速度，并意識到由于發動機板疊處工作氣體振蕩速度較大，造成了嚴重的粘性損失，限制了行波熱聲發動機的效率，但是并沒有提出妥善的解決方案。

隨后，美國的Backhaus和Swift等人提出的熱聲斯特林熱機及一些類似結構的熱聲發動機，引入了諧振管結構，如圖2所示，雖然在系統性能上有了很大的提高，但是諧振管部分基本仍是以駐波聲場為主，熱聲發動機很大一部分聲功在諧振管中耗散，并且諧振管的引入極大的降低了系統的功率密度。

2010年，荷蘭的Kees?de?Blok提出了一種新型4階行波熱聲發電機，其結構與Yazaki等人環形管行波熱聲發動機類似，但是增大了回熱器的面積，如圖3所示，使得工作氣體振蕩速度在回熱器里有效降低，解決了Yazaki等人環形管行波熱聲發動機回熱器中粘性損失的問題。但是在熱聲發動機中并為加入熱緩沖管結構，會造成冷熱氣體混合損失，產生極大的換熱不可逆損失；并且在環路系統中并未加入薄膜等抑制環路直流的裝置，環路中的直流會造成系統中氣體的定向流動，使得氣體換熱與回熱器、換熱器的換熱效果變差，極大的影響了熱聲性能。所以也這種結構也并未取得較好的結果。

2012年，中科院理化所羅二倉課題組提出雙作用流程，如圖4所示，熱聲發動機或脈管制冷機與雙作用直線電機首尾相連形成環路，系統能夠回收聲功，極大的提高了效率。但是雙作用電機的引入增加了系統不一致性問題，當其中一個電機與其他電機有差異時，這種差異會在環路中被放大最終影響到系統的性能。

本發明正是基于以上帶諧振管的熱聲發動機、環路行波熱聲發動機、以及雙作用熱聲發動機中存在的問題，提出了一種新型的設計，即解決了回熱器處阻力過大以及諧振管體積過大的問題，又解決了DeBlock環路系統中出現的冷熱損失、環路直流等問題，同時也解決了雙作用系統中不一致性的問題。通過熱聲發動機驅動熱聲制冷機能夠使得系統完全沒有運動部件，進一步提高了可靠性，并且可根據冷量的需求串聯多個熱聲單元實現大冷量輸出，十分適合于應用在大冷量需求的場合，比如低溫超導和天然氣液化等場合。此外熱聲發動機熱端可可利用太陽能、工業廢熱或天然氣燃燒廢熱等低品位能源作為其熱源，極大的提高了能源利用率，在天然氣液化方向有著良好的運用前景。

發明內容