[发明专利]采用液柱声压放大器的大压比热声驱动脉管制冷装置

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制冷装 置。

背景技术

热声发动机也称热声压缩机，或者热声驱动器，它通常采用气体作为工质， 利用气体声场在回热器(或板叠)中将热能转换为声功，表现为在输入热量的 条件下，工质产生自激振荡，可将所产生的声功以压力波的形式输出。而脉管 制冷机则与之相反，它能够通过气体声场与回热器的相互作用利用声功实现泵 热，表现为通过消耗压力波传递的声功获得制冷效应。

采用热声发动机驱动脉管制冷机是上个世纪80年代末发明的新型制冷技 术。由于热声发动机和脉管制冷机仅由换热器、管道以及调节阀构成，不存在 传统机械压缩机和机械制冷机中的活塞、排出器、曲柄、连杆等运动部件，采 用热声发动机驱动脉管制冷机实现了从室温到低温完全无运动部件的制冷系 统，避免了机械磨损、滑动密封等等问题，从而成为能够稳定运行的长寿命低 温制冷机。同时，作为热驱动制冷系统，热声驱动脉管制冷装置在热能富集， 而电能缺乏的场合具有应用潜力。由于通常采用氦气、氮气等天然工质，良好 的环保特性也受到人们青睐。

近年来，热声驱动脉管制冷技术得到了迅速的发展，最低制冷温度已经由 发明初期的91K，降低至目前的18.1K，已经进入液氢温区。热声发动机和脉管 制冷机各自的创新发展是热声驱动脉管制冷系统性能得以显著提高的重要原因 之一；另一个重要原因在于人们根据热声发动机和脉管制冷机各自的运行特点， 着力改善二者的匹配，扬长避短，使之和谐耦合运行。热声发动机与脉管制冷 机匹配时，压比、工质和频率的匹配是三个关键问题。与传统机械式压缩机相 比较，没有运动部件的热声发动机输出的压力波压比相对较小，是限制脉管制 冷性能的一个重要因素。2005年发明的声压放大器(也称声学泵)是提升压比， 从而改善压比匹配的典范。所谓声压放大器是用于连接热声发动机和脉管制冷 机的长管，长管内气体工质近似驻波声场的压力振幅分布可使得其与脉管制冷 机连接一端的压比明显大于其与热声发动机相连接的一端，表现出放大声压的 作用。由于驱动压比的增大，采用声压放大器的热声驱动脉管制冷机的性能显 著提高。值得注意的是，声压放大器的长度通常比较大，例如：文献报道采用 氦气工质的热声驱动脉管制冷机，工作频率为45Hz工况下，声压放大器的典型 长度约为4m(在1/6波长至1/5波长之间)。对于频率更低的运行工况，波长将 更大，要求的声压放大器长度也将更大。过大的长度尺寸制约了声压放大器的 实际应用。此外，对于脉管制冷机来讲，氦气是目前公认的最佳工质；然而对 于热声发动机而言氦气则不是最佳选择，采用氮气、氩气、二氧化碳等分子量 相对较大的气体能够获得更大的压比和更低的工作频率，大压比和低频率的压 力波更有利于脉管制冷机获得优越的制冷性能。弹性膜分隔结构的发明实现了 热声发动机与脉管制冷机分别采用氮气和氦气两种工质的联合运行，工作频率 约为23.4Hz，当脉管制冷机为单级机时制冷温度达到34.1K，而采用两级脉管制 冷机获得了18.1K。需要注意的是，弹性膜是一个运动部件，存在破裂导致热声 发动机与脉管制冷机中不同气体工质混合而破坏系统正常运行的可能，是整机 运行寿命的一个限制因素。

正是在这样的技术背景下，本发明提出了一种采用液柱声压放大器的大压 比热声驱动脉管制冷装置。液柱声压放大器既能够实现传统气体工质声压放大 器的放大压比作用，又可显著减小声压放大器的长度尺寸，同时还能够分隔热 声发动机与脉管制冷机的气体工质，使二者能够分别采用不同气体工质联合运 行，实现各自的工质优化，使整机性能最佳。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种采用液柱声压放大器的大压 比热声驱动脉管制冷装置。