[发明专利]一种级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置

说明书

发明领域

本发明涉及一种制冷机装置，特别涉及一种级联型热声发动机驱动热 声制冷机装置。

背景技术

热声发动机利用热声效应将热能转化为声能，产生的声能可以用来驱 动脉管制冷机或其它形式的热声制冷机，二者的结合称为热声驱动的制冷 系统。它具有三个主要优点：首先，该系统没有机械运动部件，结构简单、 制造成本低、可靠性高；其次，工作介质为环境友好气体；第三，该系统 直接以热能作为驱动源，可望应用于热能资源丰富而缺

电的场合，特别是在边远地区及海上油田天然气液化等方面具有广的 应用前景。

近20年来热驱动热声制冷研究发展迅速。早在1989年，Wheatley等人设 计了一台驻波型热驱动热声制冷机，是世界上第一台完全无运动部件的低 温制冷机。随后1997年，Hofler等人在此基础上做了改进，在25℃的温降条 件下，将驻波热声热机总效率(制冷机的制冷量比发动机输入热量)提高 到15％。美国Los Alamos国家实验室，于1990年开展了热声发动机代替机械 压缩机驱动小孔型脉管制冷机的研究，达到90K的低温。1999年，由Los Alamos国家实验室建立的一种新型的可实现声功回收的脉管型制冷机属于 行波型热声制冷机的范畴，将热声行波转换回路设置在驻波谐振管的高声 阻抗区(速度节点、压力腹点区)，兼顾了行波热声转换的高效率特性，并大 大降低了回热器的粘性流动损失。采用2.4MPa的Ar做工作介质、工作频率 为23Hz以及高温端为12℃时，该制冷机冷端达到的最低温为-80℃，在0℃ 时有50W的制冷量，其COP为1左右。2002年，日本Ueda研究小组在斯特林 型热声发动机的声波环路中加入热声制冷机单元，加入的热声制冷机单元 位于热声发动机单元室温端换热器附近，即发动机室温端冷却器和制冷机 冷端换热器通过热缓冲管连通。虽然该发动机单元和制冷机单元位于压力 波腹点附近，但发动机单元的室温端靠近压力波腹点，热声热机中行驻波 热声效应方向相反。因此，该热声热机总效率较低，获得了-27℃最低温度， 但在0℃仅有10W左右的制冷量。2006年，罗二仓等人采用行波型热声发动 机驱动行波型热声制冷机，在工作气体为氦气，平均压力3MPa，输入2.2KW 的热量，达到-65℃的无负荷制冷温度，并在制冷温度为0℃时达到405W的 制冷量，此时COP达到2.0，总效率达到18.4％。2007年，中科院理化究的李 青研究小组在此Ueda研究小组研制的热驱动热声制冷机的基础上进行了改 进，同样将制冷机置于斯特林型热声发动机的声波环路中，但将热声制冷 机单元置于热声发动机单元高温端加热器上方，即发动机高温端加热器和 制冷机室温端换热器通过热缓冲管连通。该发动机单元的高温靠近压力波 腹点，制冷机回热器的室温端靠近压力腹点，且行波成分从发动机单元室 温端流向高温端经过热缓冲管进入制冷机单元室温端再从低温端流出，使 得热声热机中行驻波热声效应方向相同，即在发动机中均产生热致声效应， 在制冷机中均产生声致冷效应。该制冷系统在输入300W的加热量时实现 -30℃的无负载温度，并且在0℃时可以提供40W的制冷量。

综上所述，早期研究只是以热声发动机代替脉冲管的压缩机，但由于 脉冲管制冷的理论制冷系数是T_C/T_H，其中T_C为低温端温度，T_H为高温端温 度。在低温工况下比较接近卡诺制冷系数，但在室温制冷范围内远低于卡 诺制冷系数，并且制冷功率密度也不大。另外，环形布置的行波型热声制 冷机总是难以克服声直流损失的问题，降低了制冷效率。各种类型的热声 发动机和行波制冷机之间的匹配好坏也影响系统效率的提高，有时存在严 重的大马拉小车现象。大多数热驱动热声制冷机的尺度远大于核心元件的 尺度，制约了热驱动热声制冷机在工程的广泛应用。为提高功率密度和制 冷系数，本文提出了一种新型级联型热声发动机驱动热声制冷机装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，从而提供一种既可以避 免声环流损失，又可以实现高效热声转换，高能流密度，结构紧凑，利于 热声系统集成化的级联型热声发动机驱动的热声制冷机装置。

本发明的技术方案如下：