[发明专利]热声回热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的热声回热器，具体地说，是涉及一种用于提高回热和热声转换效率、便于加工安装调试、可以广泛地用于热声热机和低温制冷机的新型热声回热器。

背景技术

热声制冷技术是一种完全新型的制冷技术，就是利用热声效应的制冷技术。热声效应是热和声之间相互转化的现象。从声学角度看，它是由处于声场中的固体介质和振荡流体之间相互作用，使得距固体边界一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生的热流，并在这个区域内产生或吸收声功的现象。按能量转换的方向不同，热声效应可以分为两类：一类是由热产生声，即热驱动的声振荡，另外一类是由声产生热，即声驱动的热传递。只要具备一定的条件，热声效应可以在驻波声场、行波声场或两者混合的声场中产生和发生作用。热驱动的声制冷就是利用热来产生声，再利用声来传递热的制冷现象；而声驱动的热声制冷机即是直接利用声源产生的声场在热交换器及其回热器、谐振管等的优化配置下来制冷的现象。微型热声制冷的声波由压力振荡、温度振荡和位移振荡产生，尽管振荡很小，但在二十多年的研究中已显示出，可以利用该“热声”效应来产生有效的、实用的、效率合理的热机，包括热泵和制冷机。

而传统的热声热机在进行大规模工程应用的过程中的主要技术障碍是：(一)功率体积比太低，使其尺寸太大；(二)热声转换效率较低，使装置的相对效率(即COP/COP_Carnot)仅5％。

热声热机因其诸多的优点而具有很重要的研究价值和应用前景，但目前在热声热机的研究过程中也遇到了一些新的挑战，比如如何降低热声振荡温度阈值、提高回热器的转换效率和声品质因数Q值、热能与声能相互转换及能量输运过程的基础理论、以及定量的热声动力学设计新理论等尚未建立，故在制冷及低温学科与声学等交叉学科中产生了大量需要研究的科学问题。

回热器是热声热机和回热式低温制冷机中的关键部件，是实现热功转换的场所，热声回热器的研究是促进热声热机发展的重要环节，是研制热声热机、低温制冷机及其性能提高的物质基础和保障，提高其效率是研究人员不懈的追求。充分认识并正确对回热器性能进行表征，对热声热机及其相关设备的研究、生产和择优选用具有非常重要的实际意义。

针对热声热机回热器材料、结构等直接影响热声热机转换效率的现状，本发明就提出一种新型的热声回热器结构，这种回热器结构可以充分发挥热声板叠式回热器和针束式回热器的优点，且加工简单、成型方便、可为热声热机和低温制冷机的发展和实验以及应用研究工作打下坚实的基础。

发明内容

本发明需解决的技术问题是：针对普通的板叠式回热器热声转换效率不高，而针束式回热器热声转换效率高，但加工工艺复杂、加工成本高等不足，而设计一种能提高热声转换效率、降低回热器加工难度、拓展热声回热器的应用领域，提高热声热机和低温制冷机的整体效率的新型热声回热器。

本发明的理论依据：回热器是热机系统中产生热声效应的最关键部件，A.Tominaga把回热器在热声转化和能量传递中起的作用比作为催化剂。对热声制冷机而言，回热器具有泵热或输热作用，即从回热器的低温端吸收热量泵送到回热器的高温端，再由热端换热器带离制冷机系统，达到泵热制冷的目的。

目前回热器采用的填料主要是平行板叠(parallel plate)、圆孔(circle)、丝网(mesh)等。其中平行板叠是用得最普遍的回热器，一方面由于这种回热器性能好，热功转换效率高，另一方面制作也简单，因而得到广泛应用。后来Swift]提出针束性回热器(pin-array)，这种回热器是把钢针按照一定的规律排列分布在回热器中，每三根钢针呈正三角形布置。采用DeltaE软件计算表明：对用作液化天然气驱动源的热声原动机、热驱动的制冷机、电声制冷机，采用针束型回热器的热功效率比平行板叠的分别提高15％、9％、2％。

其中几种回热器填料的性能定性的比较分析：

为比较回热器填料对热声效应的影响，可以把回热器填料间区分为热声区和耗散区。热声效应只发生在距离回热器填料边壁一个热渗透深度δ_κ的范围内，而且在距离边壁一个热渗透深度的地方热传递与功最大，在边壁与流体边界处为零。同时，由于流体不可避免地存在粘性，在距离边壁一个粘性渗透深度δ_v的范围内必然会发生粘性耗散，这种粘性耗散在边壁与流体边界处最大，并随着远离边壁处会减小，把靠近边壁的区间(距离边壁δ_v/2以内)称为耗散区。