[发明专利]一种热声驱动的热耦合型两级脉管制冷系统

说明书

技术领域

本发明涉及热驱动制冷装置，尤其涉及一种采用热声发动机驱动的低温制 冷装置。

背景技术

热声驱动脉管制冷系统是采用热声发动机(也称热声压缩机)驱动脉管制 冷机获取制冷效应的一种热驱动制冷系统。热声发动机在热能驱动下使工质产 生自激振荡，即将热能转换为声功，并以压力波的形式输出；脉管制冷机则消 耗压力波传递的声功实现泵热，获得制冷效应。由于热声驱动脉管制冷系统仅 由换热器和管道组成，不包含曲柄、连杆、活塞等机械运动部件而具有运行稳 定可靠、寿命长等优点；其工质通常为氦、氮等气体，具有良好的环保性能； 同时，采用热能驱动，可实现对太阳能、工业废热等低品位热能的利用，顺应 目前可持续发展、节能减排的社会发展要求，因而备受关注。

从制冷温区来看，热声驱动脉管制冷系统朝着室温温区和低温温区两个方 向发展，前者主要针对冰箱和空调应用，后者主要针对气体液化应用。目前， 在室温温区，热声驱动脉管制冷系统在-20℃温度制冷量达到340W；在低温温 区，热声驱动单级脉管制冷机制冷温度达到34.1K，而采用两级脉管制冷机获得 了18.1K制冷温度，进入液氢温区，正努力向液氦温区进军。研究表明，大压 比、大声功率、低频率对于提升热声驱动脉管制冷性能，尤其是低温温区的制 冷性能显得非常重要。上述18.1K制冷温度的获得正是采用弹性膜分隔双工质 以及声压放大器技术使得工作频率减低至23.4Hz，并大幅提升压比而获得的突 破。

目前热声驱动脉管制冷系统中的热声发动机主要有驻波型热声发动机和行 波型热声发动机两种。对于驻波型热声发动机，通常在位于热声板叠冷端的水 冷却器与谐振管的连接位置与脉管制冷机相连接，因为该位置压比相对较大。 但从发动机内部的声场分布看，该位置并不是压比最大的压力波腹位置；压力 波腹位于发动机端部，通常由于临近加热器而处于高温，如果在这里连接脉管 制冷机将由于进气温度过高而无法获得良好的制冷性能。因此即使热声发动机 端部的压比最大，也不选择在该位置连接脉管制冷机。此外，上述驻波型热声 发动机与脉管制冷机的连接方式下，热声板叠产生的声功几乎全部从其冷端流 出，以维持谐振管中的声振荡和驱动脉管制冷机工作。用于驱动脉管制冷机的 行波型热声发动机通常是热声斯特林发动机，其热声核位于环路结构中，虽然 在理想情况下热声斯特林发动机能够实现高效的热声转换，但由于环路结构中 产生的Gedeon直流会将热量直接从热端带到冷端而不参与热声转换，会使得性 能严重恶化。为了获得高效率，各国研究者在环路Gedeon直流的抑制方面开展 了大量工作，提出了喷射泵、膜隔离等技术方案，各有优缺点。此外，环路结 构中的热膨胀问题也需慎重考虑，并加以解决，否者将造成结构的扭曲甚至破 坏。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提出一种新型热声驱动热耦合型两级 脉管制冷系统。

热声驱动热耦合型两级脉管制冷系统包括U形双边驱动热声发动机、第一 连接管、第二连接管和热耦合型两级脉管制冷机；所述的U形双边驱动热声发 动机由U形谐振管连接两个热声核构成；热声核从下到上包括依次连接的第一 水冷却器、热声板叠、第一加热器、第一热缓冲管和第二水冷却器；所述的热 耦合型两级脉管制冷机包括依次连接的第一级脉管制冷机、热桥和第二级脉管 制冷机；第一级脉管包括依次连接的第一级制冷回热器热端换热器、第一级制 冷回热器、第一级冷头、第一级脉管、第一级脉管热端换热器、第一级小孔阀、 第一级惯性管和第一级气库，第一级制冷回热器热端换热器引出管通过第一级 双向进气阀与第一级脉管热端换热器引出管连接；第二级脉管包括依次连接的 第二级制冷回热器热端换热器、预冷回热器、预冷换热器、第二级制冷回热器、 第二级冷头、第二级脉管、第二级脉管热端换热器、第二级小孔阀、第二级惯 性管和第二级气库，第二级制冷回热器热端换热器的引出管通过第二级双向进 气阀与第二级脉管热端换热器引出管连接；第一级冷头下部设有热桥连接到预 冷换热器的下部；一热声核上端引出管通过第一连接管与热耦合型两级脉管制 冷机的第一级制冷回热器热端换热器的引出管连接；另一热声核上端引出管通 过第二连接管与热耦合型两级脉管制冷机的第二级制冷回热器热端换热器的引 出管连接。