[發明專利]一種熱聲制冷機

有效

• 申請號: 201710874780.6
• 申請日: 2017-09-25
• 公開（公告）號: CN109556318B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 朱紹偉
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: F25B23/00
• 分類號: F25B23/00
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 褚明偉

本發明涉及一種熱聲制冷機，包括壓縮機與冷頭，所述冷頭由散熱器、回熱器、冷量換熱器、慣性管和氣庫組成，所述壓縮機采用階梯活塞結構，形成壓縮腔和膨脹腔，所述壓縮腔與散熱器相連，所述膨脹腔與氣庫相連，所述壓縮腔與膨脹腔之間形成溫差。本發明采用階梯活塞的結構，使得壓縮機形成壓縮腔和膨脹腔，與脈管制冷機相比，室溫與低溫的溫差由第二級活塞與第二級氣缸承擔，在大型低溫制冷機方面，可減小由于氣體在脈管里的混合損失，從而獲得更高的制冷效果。

技術領域

本發明涉及制冷機領域，尤其是涉及一種熱聲制冷機。

背景技術

傳統的熱聲制冷機，結構如圖1所示，由壓縮機3和冷頭1組成，壓縮機3由活塞31與氣缸32組成，形成壓縮腔331，冷頭1由散熱器11、回熱器12、冷量換熱器13、慣性管14和氣庫15組成。回熱器12采用板疊結構。

活塞31在驅動機構如直線電機的驅動下往復運動，產生壓力波。冷量換熱器13對外輸出冷量，散熱器11向室溫散熱。氣體在慣性管14振蕩，從而由于熱聲效應在回熱器12里形成由右向左的焓流，從而產生制冷效果，在冷量換熱器13輸出冷量。由于慣性管14內氣體的振蕩，壓力在壓縮腔331與氣庫15里大約反相。慣性管14和氣庫15在低溫下，溫度基本和冷量換熱器13處于同樣溫度水平。氣庫15使慣性管14長度變短而減小損失。

由于回熱器12的制冷效果有限，雖然這個制冷機只有一個運動部件，但其制冷溫度僅僅低于200K，很難作為低溫制冷機使用。隨著制冷需求的提高，以及其他脈管制冷機的發展，如圖1所示的傳統的熱聲制冷機逐漸被淘汰。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種采用階梯活塞結構的熱聲制冷機，從而使其制冷效率大幅提高，不僅可用于低溫，而且可向超低溫擴展。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

本發明提供一種熱聲制冷機，包括壓縮機與冷頭，所述冷頭由散熱器、回熱器、冷量換熱器、慣性管和氣庫組成，所述壓縮機采用階梯活塞結構，形成壓縮腔和膨脹腔，所述壓縮腔與散熱器相連，所述膨脹腔與氣庫相連，所述壓縮腔與膨脹腔之間形成溫差，即所述壓縮腔處于室溫，所述膨脹腔處于低溫，所述低溫指制冷溫度。

進一步地，所述壓縮機的活塞分成階梯狀，由第一級活塞和第二級活塞組成，所述壓縮機的氣缸也分成階梯式，由第一級氣缸和第二級氣缸組成，從而形成壓縮腔和膨脹腔。

即，所述第二級活塞與第二級氣缸一端在室溫，一端在低溫，這個低溫與氣庫、慣性管和冷量換熱器基本一樣。

所述第二級活塞與第二級氣缸均采用薄壁結構，以減小導熱損失，壁可采用不銹鋼，玻璃鋼等低導熱材料以進一步降低損失。

本發明熱聲制冷機制冷原理為：由于慣性管的振蕩，氣庫與壓縮腔間的壓力波的相位差基本在180度。如果壓縮腔的PV功積分為負，則膨脹腔的PV積分為正。這樣，制冷原理就從熱聲效應變為氣體膨脹，制冷量大大增加，制冷溫度大大降低。其理論制冷量可與斯特林制冷機相比。因此，在高制冷溫度下，如200K以上，回熱器可以采用板疊結構，在低制冷溫度下，如77K以下，應該采用回熱器，如采用傳熱面積很大的絲網等。

本發明熱聲制冷機的結構可以做更多變形，如將所述冷頭設置為多級結構，多級冷頭之間采用串聯連接或并聯連接。

當采用多級冷頭時，每一級冷頭的散熱器同時與壓縮腔相連，每一級冷頭的慣性管共用一個氣庫或分別與單獨的氣庫相連，共用一個氣庫時，該氣庫直接與膨脹腔相連，設置多個氣庫時，多個氣庫同時與膨脹腔相連。

所述熱聲制冷機還作為冷發動機、熱發動機或熱泵使用。與脈管制冷機一樣，本發明熱聲制冷機可工作在：制冷機、冷發動機、熱發動機、熱泵模式，對于一個給定的制冷機，在給定的室溫與冷量換熱器的情況下，采用何種工作模式，這取決于壓縮腔與膨脹腔的掃氣容積比。