[发明专利]基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及一种制冷机装置，特别涉及一种利用行驻波正交叠加声场特性的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。

根据工作声场特性不同，热声热机主要分为驻波型、行波型及行驻波混合型三种。由于驻波声场中速度波和压力波相位差为驻波声场理论上没有声功输出；另一方面，在驻波热声热机中热声转化基于气体同固体的不可逆热接触，气体进行的是不可逆热力学循环，所以热声热机效率低。于是，1979年Ceperley首次提出了行波型热声热机的概念。行波声场中速度波和压力波相位差为热声转化基于气体同固体的可逆热接触。然而，Ceperley研制的行波型热声发动机并没有实现声功放大的功能。随后，日本的Yazaki实验验证了在行波通道中可以实现自维持震荡，并驱动热声发动机驱动热声制冷机实现了行波热声制冷，但其效率很低。Yazaki等人在研究中意识到了单环路型行波热声热机由于板叠处声阻抗低，工作气体振动速度较大，造成了严重的粘性损失，限制了行波热声热机效率的提高。

1999年，Backhaus和Swift设计制作了一台新型行波热声发动机，将行波热声发动机的效率提高到30％。该发动机主要由行波通道和谐振管组成，通过合理设计环路管段的结构尺寸使回热器处于行波声场，同时在行波回路中引入谐振管从而提高了回热器处的声阻抗。在此基础上，使用其行波原理设计了热声发动机驱动热声制冷机，实现了高效制冷。

为了实现可逆热声转换，众多研究者一直追求高阻抗的行波相位。2009年康慧芳对热声系统内声场分布特性展开了研究，指出在类驻波声场中即可实现高阻抗行波相位区，然而，过少的行波成分会使得行波相位区很窄，高效率区很窄，不能满足热声核心元件段的长度要求。在一维声场中，可以通过增加行波成分的方法增加行波区长度，然而随着行波成分的增加，虽然行波相位区长度增加，但是行波相位区当地声阻抗减小，热声转换效率降低。行波区长度和阻抗的相互制约关系，限制了热声制冷系统的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，根据行波和驻波声场的叠加特性，改变传统的驻波型热声热机和行波型热声热机的设计理念，采用正交型结构设计实现行波声场和驻波声场正交叠加，解除单通道热声系统中行波区长度和阻抗的制约关系，使得沿行波通道方向串联的各级热声转换单元均工作于高阻抗行波相位区，提高级联型热声发动机驱动热声制冷机的转换效率，增加声功流密度。

本发明的技术方案如下：一种基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机，包括：行波通道(2)、一个或多个制冷单元驻波管(1)、一个或多个声波发生单元驻波管(10)，其特征在于：所述制冷单元驻波管(1)与行波通道(2)垂直相交，在交汇处放置由制冷单元室温端冷却器(3)、制冷单元热声回热器(4)、冷头(5)依次相连组成的热声制冷单元(A)，所述声波发生单元驻波管与行波通道(2)垂直相交，在交汇处放置由声波发生单元室温端冷却器(6)、声波发生单元热声回热器(7)和高温端加热器(8)依次相连组成的声波发生单元(B)，所述制冷单元驻波管(1)和声波发生单元驻波管(10)提供的驻波成分与行波通道(2)提供的行波成分在热声制冷单元(A)和声波发生单元(B)处正交叠加，热声制冷单元(A)位于制冷单元驻波管(1)中压力波幅附近，声波发生单元(B)位于声波发生单元驻波管(10)中压力波幅附近，利用驻波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得热声制冷单元(A)和声波发生单元(B)均工作于高阻抗行波相位区。

本发明的基于行驻波正交叠加声场的热声发动机驱动热声制冷机装置与现有技术相比，其关键技术在于：

根据行波和驻波声场的叠加特性，改变传统的驻波型热声热机和行波型热声热机的设计理念，采用驻波管与行波通道垂直相交，在交汇处放置由制冷单元室温端冷却器、制冷单元热声回热器、冷头依次相连组成的热声制冷单元和由声波发生单元室温端冷却器、声波发生单元热声回热器和高温端加热器依次相连组成的声波发生单元正交型结构设计在交叉点实现行波声场和驻波声场正交叠加，解除了单通道热声系统的行波区长度和阻抗的制约关系。