[发明专利]无运动部件的热驱动热声制冷机

说明书

本发明涉及一种类型的新型制冷机装置，特别涉及一种由热能驱动的热声制冷机装置。这种制冷机利用热声效应中的热致声作用将高温热源的热能转换为声能，利用热声效应中的声制冷作用，消耗声能将低温热源的热量泵送到环境温度的热源，即制冷，而不需要运动的机械部件。

目前，已知的热驱动的热声制冷机如美国专利4,114,380(Ceperley 9/1978)所描述，这种热驱动的热声制冷装置仅利用声场的行波部分产生的热声效应工作，但这是一种全波长(L≈λ，λ为声波长)的热声制冷机，其声路的阻抗不易匹配而实现困难，至今并未见到实施应用的报道。又如美国专利4,858,441(Wheatley 8/1989)所描述，这种半波长的热驱动热声制冷装置仅利用声场的驻波部分产生的热声效应工作，而驻波产生的热声效应完全依赖于工作介质的不可逆性，其产生的热声效应的强度和有效能量的转换和利用率较低，从而使得它们的使用受到限制。

本发明是在系统研究热声效应的基础上，提出一种新的方法、流程和设计，能克服或减少以往热驱动的热声制冷机的缺点，提高热声效应的强度和有效能量的转换和利用率。

本发明提供一类新型的利用热声效应的热驱动制冷机装置，其能源使用热能，热能在热声发动机部分被转换为声能，并直接利用此声能在热声制冷机部分制冷。热声发动机和热声制冷机部分的声场分别采用半波谐振声场(L≈1/2λ)或近谐振声场(1/4λ＜L＜1/2λ)的设计，它们分别同时利用声场的行波和驻波部分产生的热声效应中的热致声作用和声制冷作用工作，消耗高温热源提供的热能，将低温热源的热量输送到环境，实现制冷，而不需要任何运动的机械部件

为了阐明本发明的思想，以下对热声效应进行必要的说明。

热声效应是指可压缩的具有热膨胀性的流体工作介质，与具有较大热容量和导热系数的固体工作介质之间，由于流体相对固体的声振荡和产生热相互作用，导致的时均热力学能量效应。

按固体外壁面与外热源的热接触方式来划分，热声效应可分为等温壁热声效应，绝热壁热声效应，和一般情形热声效应三种情形。

等温壁热声效应是指固体工作介质的外壁面与外热源理想热接触时，由于理想热接触的结果，固体和流体的平均温度在任一截面不变，且与外热源温度相同，这时出现工作介质和外部热源间的横向热量交换的时均能量效应。等温壁热声效应的特点是：1.在低声导率比的区域(声导率比是当地流体密度、声速、速度波动振幅三项乘积与压力波动振幅的比值)，工作介质向外热源放出热量，2.在高声导率比的区域，如果流体工作介质的普朗特数(粘性系数与导热系数的比值)足够小，工作介质由外热源吸取热量，3.在工作介质和声导率比一定时，等温壁热声效应的强度和效率与声流道宽度与流体的热穿透深度的比值有关，当声流道当量尺度与流体的热穿透深度相当时较好。

绝热壁热声效应是指固体工作介质的外壁面与外热源理想热绝缘时，由于理想热绝缘的结果，总能量流(总能量流是焓流与热传导热流之和，也等于热流与声功流之和)将维持不变，这时出现热能和声能的相互转换的时均能量效应。热致声时，热能被转换为声能，同时热流由高温端流向环境温度端；制冷时，声能被消耗并转换为热能，同时热流由低温端泵送到环境温度端。

当固体工作介质的外壁面与外热源处于有限热接触时发生一般情形的热声效应。等温壁热声效应和绝热壁热声效应是一般情形热声效应的两个极限情形。

任一声场可视为声场的驻波部分和行波部分之和，绝热壁热声效应中，声场的驻波部分产生的效应有以下特点：1.产生的热声效应强度较低；2.热流方向总是由高声导率比的区域流向低声导率比的区域；3.当高温端在高声导率比的区域，低温端在低声导率的区域，在承受较大的温度梯度时，产生热致声效应，这时热流方向由高温端流向低温端，部分热能转换为声能，声功流的方向可由高温端流向低温端，也可由低温端流向高温端。4.当低温端在高声导率比的区域，高温端在低声导率比的区域，在承受较小的温度梯度时产生制冷效应。热流方向由低温端流向高温端，声能除部分用于克服工作介质的不可逆耗散外，一部分还被用于泵热。声功流的方向可由低温端流向高温端，也可由高温端流向低温端；5.当温度梯度一定时，驻波产生的热声效应的强度和效率当声流道当量尺度约为流体的热穿透深度时最大。这时流体工作介质与固体工作介质有中等程度的热接触，热声效应依靠工作介质的有限热力学不可逆性工作。对完全可逆或完全不可逆的工作介质，声场的驻波部分均不能产生热声效应。