專利名稱：具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置，它由流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、波導(dǎo)阻裝置和冷卻器組成。這些元件能夠有效地調(diào)節(jié)氣體波系的運(yùn)動(dòng)，從而使本裝置產(chǎn)生有效的制冷功能。
一般來說，機(jī)械式氣體膨脹制冷裝置依循它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸，操作條件和所采用的熱力循環(huán)系統(tǒng)而變化。通常根據(jù)他們的制冷能力和操作范圍進(jìn)行分類。例如，透平和活塞式膨脹機(jī)常適用于石油工業(yè)中大制冷負(fù)荷的應(yīng)用；而像G-M制冷器、斯特林制冷器、脈管制冷器、吸收制冷器等則多適合于作為紅外探測(cè)器、紅外夜視及導(dǎo)彈制導(dǎo)等裝置的低溫冷源，通常它們操作于不同的工作環(huán)境并且只需要很小的制冷負(fù)荷。
目前，幾乎所有的氣體制冷裝置都具備一個(gè)共同的特點(diǎn)，即依賴于運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件來吸收被冷卻工質(zhì)的壓力能，達(dá)到制冷的效果。在這些氣體制冷裝置中，機(jī)械部件的使用，大大改進(jìn)了熟力循環(huán)的效率，并增加了制冷效果。但是，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的引入，導(dǎo)致了操作條件的限制，維護(hù)費(fèi)用的增加和運(yùn)行可靠性的降低。因此，在過去的幾十年里，許多努力都集中于研發(fā)新的氣體膨脹制冷裝置，以克服傳統(tǒng)設(shè)備中由于機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的缺陷。
氣體膨脹制冷技術(shù)還面臨著一個(gè)的新的挑戰(zhàn)，即許多高技術(shù)工業(yè)，如核磁共振系統(tǒng)、超導(dǎo)元件系統(tǒng)、高能量設(shè)備等工業(yè)的發(fā)展，要求氣體膨脹制冷裝置能夠在極高壓力和極低溫度的環(huán)境下正常操作并具有很高的運(yùn)行可靠性，這便要求研發(fā)適應(yīng)操作條件變化的新型膨脹制冷裝置，而傳統(tǒng)的裝置或是工作，或是運(yùn)行效率極低。為了取代傳統(tǒng)裝置，并滿足結(jié)構(gòu)簡單，投資與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低廉等要求，目前，許多相關(guān)專利在改進(jìn)操作效率方面做了大量的研究，例如美國專利2,765,045；2,825,204；3,200,607；3,314,244；3,541,801；3,526,099；3,559,373；3,653,225；3,828,574；3,889,484；3,904,514；4,383,423；4,444,019；4,504,285；4,531,371；4,625,517；4,722,001；然而，這些發(fā)明并沒有能夠完全滿足上述要求，都具有一定的局限性。其原因在于這些發(fā)明在結(jié)構(gòu)上皆不同程度地引入了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，故而降低了運(yùn)行可靠性。在許多工業(yè)應(yīng)用過程中，為避免機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件所造成的運(yùn)行可靠性下降，通常采用節(jié)流閥產(chǎn)生節(jié)流制冷效應(yīng)以降低溫度。節(jié)流閥是一種等焓操作的元件，在壓力降低的過程中，盡管它產(chǎn)生的制冷效率并不高并造成相當(dāng)大的壓力能浪費(fèi)，但由于它具備結(jié)構(gòu)簡單，幾乎不需要維護(hù)，流動(dòng)調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，因而在氣體膨脹制冷和壓力調(diào)節(jié)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。
很顯然，節(jié)流閥的廣泛應(yīng)用是因?yàn)闆]有一種傳統(tǒng)的壓力膨脹裝置可以在高壓和兩相工質(zhì)的條件下進(jìn)行工況調(diào)節(jié)并產(chǎn)生制冷效應(yīng)。因此，一種沒有運(yùn)動(dòng)部件，但卻具有節(jié)流閥的流動(dòng)調(diào)節(jié)功能和高制冷效應(yīng)的新型氣體膨脹裝置，將向傳統(tǒng)的氣體膨脹裝置挑戰(zhàn)，為工業(yè)界帶來新的效益。
利用氣體在周期性流動(dòng)中的非定?，F(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)的裝置在下列美國專利中已經(jīng)報(bào)導(dǎo)3,541,801；3,653,225；3,828,574；4,625,517；4,722,001特別是在美國專利5,412,950中。
但即便在上述發(fā)明中，仍然沒有一種裝置和方法能夠同時(shí)滿足以下的要求，即能夠有效地操作而不使用任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件；具有簡單的結(jié)構(gòu)和極高的運(yùn)行可靠性；易於實(shí)現(xiàn)流動(dòng)調(diào)節(jié)；能夠操作于各種變工況的操作環(huán)境維護(hù)簡便，費(fèi)用低廉。他們或由于運(yùn)行效率，或由于運(yùn)行可靠性，或由于流動(dòng)可調(diào)節(jié)性，或由于結(jié)構(gòu)簡單等，限制了在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。雖然其中有幾種裝置應(yīng)用了氣體波動(dòng)過程來產(chǎn)生制冷效應(yīng)，但在不使用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，并具有像普通閥門一樣的調(diào)節(jié)與控制功能的前提下，這些裝置仍然不能提供足夠的制冷能力或滿足其他操作要求。
此外，已有的氣體膨脹制冷裝置很難具備強(qiáng)大的制冷能力并可以滿足工業(yè)系統(tǒng)中變流量和高壓比的操作要求。由此看來，已有的氣體制冷膨脹裝置，包括上述諸種發(fā)明，它們所遭遇的困難、產(chǎn)生的缺陷，加之工業(yè)系統(tǒng)中各種變化的操作條件要求，是本發(fā)明致力克服或滿足的目標(biāo)，構(gòu)成了本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容。與現(xiàn)有的各種氣體膨脹裝置和已發(fā)明的氣體波制冷裝置相比，本發(fā)明是一種新型的共振氣體波制冷裝置，能夠運(yùn)作于變流動(dòng)工作狀態(tài)。本發(fā)明的裝置克服了美國專利5412950裝置中的工作限制和操作缺點(diǎn)。
解決本發(fā)明技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置及其所產(chǎn)生的制冷方法a.這種具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置由可調(diào)節(jié)噴嘴、可調(diào)節(jié)共振腔(它聯(lián)接可調(diào)節(jié)噴嘴)、共振管束(它的開口端連接到可調(diào)節(jié)共振腔)、熱隔離接頭，渦穩(wěn)流器(它在共振管束出口的位置橫跨共振腔)、波阻尼器(它被連接到共振管束的另一端)、冷卻器(包容共振管束的管體)等部件組成。
b.在變工況條件下的共振制冷方法。它利用共振管束驅(qū)動(dòng)可調(diào)節(jié)噴嘴和在可調(diào)節(jié)共振腔內(nèi)的周期性射流振蕩，在變工況條件下維持一種壓力反饋系統(tǒng)。由渦穩(wěn)流器、共振管與共振腔的匹配，在共振管內(nèi)誘發(fā)特定的氣體柱共振頻率。通過這種可調(diào)節(jié)噴嘴和可調(diào)節(jié)共振腔產(chǎn)生的射流振蕩與共振管氣體柱共振頻率耦合，產(chǎn)生共振制冷效應(yīng)。
同時(shí)，本發(fā)明裝置還可以依照工業(yè)系統(tǒng)的操作要求發(fā)揮主動(dòng)調(diào)節(jié)流動(dòng)狀態(tài)的功能。本發(fā)明裝置還特別適合具有壓力降差制冷過程的調(diào)節(jié)要求，或?qū)ι嫌萎a(chǎn)生的意外工況變化進(jìn)行被動(dòng)的調(diào)節(jié)響應(yīng)。
最為重要的，本發(fā)明克服了美國專利5412950發(fā)明中在變工況操作時(shí)不能夠有效制冷的缺陷。該缺陷是工況變化引起氣體波系統(tǒng)在振蕩腔失效所致。與其他發(fā)明相比，本發(fā)明提供了一種新型的、可滿足石化工業(yè)和天燃?xì)馍a(chǎn)中降溫要求的裝置，具備以下功能1.代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)流閥而獲得有效的制冷效應(yīng)。
2.在通過傳統(tǒng)節(jié)流點(diǎn)的壓力狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，能夠進(jìn)行工況調(diào)節(jié)以適應(yīng)下游操作條件的要求。
3.當(dāng)上游的工況發(fā)生變化，能夠進(jìn)行響應(yīng)，并且獲得最大的制冷效應(yīng)。
簡而言之，本發(fā)明是為滿足下列目的而產(chǎn)生的1.提供一種新型的氣體膨脹制冷裝置，能夠應(yīng)用于傳統(tǒng)氣體膨脹裝置在工況發(fā)生變化時(shí)失效或低效率操作的埸合。
2.提供一種新型的氣體膨脹制冷裝置，具有壓力調(diào)節(jié)和壓力能回收功能，可以有效地應(yīng)用在工業(yè)氣體膨脹系統(tǒng)。
3.提供一種新型的波制冷裝置，可以在變工況條件下有效地工作，并通過調(diào)節(jié)氣波系統(tǒng)狀態(tài)獲得最大的制冷效果。
4.提供一種能在極高壓力差降落的工況條件下，通過多級(jí)串聯(lián)方式獲得有效操作的壓力波制冷裝置。該設(shè)備能夠調(diào)節(jié)每級(jí)設(shè)備的流動(dòng)狀態(tài)，以達(dá)到最大限度地回收壓力能的目地，并獲得最佳的制冷效果。同時(shí)，這個(gè)過程的完成不使用任何運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件。
在本發(fā)明的氣體波制冷裝置中，使用了一種在變工況操作條件下，控制裝置內(nèi)氣體波系行為的方法，以達(dá)到有效制冷的目地。這個(gè)過程是通過可調(diào)節(jié)噴嘴在振蕩腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明裝置主要由流動(dòng)緩沖腔、穩(wěn)流腔、共振管束、熱隔離件、波阻尼器和冷卻器等元件組成。
可調(diào)節(jié)噴嘴能夠通過改變它的流通截面來適應(yīng)流動(dòng)的變化。可調(diào)節(jié)的振蕩腔含有一個(gè)可調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)噴嘴的出口通過流截面發(fā)生變化時(shí)，可以維持穩(wěn)定的射流振蕩。穩(wěn)流腔用來減少共振管束在各自的出口處的混合。共振管束用來調(diào)節(jié)振蕩腔內(nèi)的射流振蕩效應(yīng)，并且利用共振波的相互作用，將入射氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成制冷的熱效應(yīng)。熱隔離件用來連接共振管束和振蕩腔，作為減小熱傳導(dǎo)回流從共振管束返回振蕩腔內(nèi)的波阻器，用于調(diào)制周期騅波的振幅，并減小波系對(duì)共振管入口處的影響和加熱。冷卻器用于強(qiáng)化共振管表面的傳熱效果。
簡而言之，本發(fā)明裝置是針對(duì)在變工況操作下產(chǎn)生最好的制冷效應(yīng)這一目的而設(shè)計(jì)的。變工況操作通常發(fā)生在氣體波制冷裝置由于意外的原因而被迫要求在非設(shè)計(jì)工況下操作。在美國專利5,412,950裝置的試驗(yàn)中，觀察到以下的現(xiàn)象，即在工作條件發(fā)生變化時(shí)，造成振蕩腔內(nèi)高速射流持續(xù)的不穩(wěn)定振蕩，從而導(dǎo)致氣體波制冷裝置制冷性能嚴(yán)重下降。
實(shí)際上，在氣體波制冷裝置的操作中，高壓氣流首先通過噴嘴將自身攜帶的壓力能轉(zhuǎn)換成為動(dòng)能。當(dāng)射流進(jìn)入共振腔以后，射流本身的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定狀態(tài)將由許多內(nèi)在的因素控制，其中包括剪切層分離區(qū)域的長度，卷吸區(qū)域的長度，和剪切層在下游的擴(kuò)散程度。這些參數(shù)決定了射流在共振腔內(nèi)的偏轉(zhuǎn)行為。隨著射流的偏轉(zhuǎn)并與安放在下流不穩(wěn)定區(qū)域的共振管束發(fā)生碰撞，導(dǎo)致一種壓力波以高速射擊流向上游傳播的反饋模式。而這種壓力波反饋現(xiàn)象將迫使射擊流在共振腔內(nèi)產(chǎn)生橫向的運(yùn)動(dòng)，并且持續(xù)地掃過共振管束的入口，反過來又又造成了這種壓力波反饋現(xiàn)象的持續(xù)。當(dāng)氣體波制冷裝置在穩(wěn)定狀態(tài)下操作時(shí)，上述的壓力波反饋過程完全依賴于下列關(guān)鍵參數(shù)，即共振管束入口的截面，射擊流的干擾距離，共振腔的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)流器的形狀。這些參數(shù)的組合控制著共振腔內(nèi)射流的周期運(yùn)動(dòng)及其在共振管束內(nèi)產(chǎn)生的制冷效應(yīng)。
通常，氣體波制冷裝置的穩(wěn)定操作狀態(tài)是按照系統(tǒng)的操作條件而設(shè)計(jì)的。在這種設(shè)計(jì)狀態(tài)，氣體波制冷裝置能夠達(dá)到所要求的設(shè)計(jì)制冷效果。而在工業(yè)系統(tǒng)中，由于生產(chǎn)負(fù)荷和其他因素的變化，偶爾會(huì)造成上游壓力的波動(dòng)。這種壓力的波動(dòng)往往會(huì)影響氣體波制冷裝置的操作，使其偏離其設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，并導(dǎo)致制冷性能的下降。這種過程的產(chǎn)生主要是由于上游壓力的波動(dòng)影響到共振腔內(nèi)的射擊流結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，變工況下的高速射流結(jié)構(gòu)在共振腔內(nèi)的重組通常會(huì)減弱和破壞已形成的共振反饋結(jié)構(gòu)，一旦這種破壞形成，氣體波制冷裝置的效率將明顯下降，因?yàn)橛晒舱窆苁峁┑哪芰哭D(zhuǎn)換過程不再存在。為了維護(hù)氣體波制冷裝置的正常操作，在本發(fā)明中，氣體波制冷裝置采用了可調(diào)噴嘴和共振腔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的使用可使裝置在工況變化時(shí)仍保持穩(wěn)定的操作。通過可調(diào)節(jié)噴嘴和共振腔沿垂直于射流方向的移動(dòng)，使氣體波制冷裝置在變工況條件下，仍保持原有的射擊流結(jié)構(gòu)，從而補(bǔ)償和抵消工況變化對(duì)共振腔內(nèi)射流的影響。另外，這種同時(shí)調(diào)節(jié)噴嘴和共振腔的方法，有助于恢復(fù)射流和共振腔相互作用的模式，達(dá)到穩(wěn)定氣體波制冷裝置操作性能的目地。另外，波阻尼器和冷卻器的使用有助于減緩射流對(duì)工況改變的敏感性，有利于維護(hù)其自持振蕩過程。


圖1.本發(fā)明具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置的側(cè)剖視圖；
圖2.本發(fā)明具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置的底部剖視圖；圖3.本發(fā)明具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置的頂部全視圖；圖4.本發(fā)明具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置的立體視圖。
參閱圖2和圖3可見，上蓋板(1)和下蓋板(4)將中央操作板(10)夾在中間，并通固定螺件將其固定在一起形成氣體波制冷裝置的機(jī)體。中央操作板(10)內(nèi)，含有緩沖腔(3)、噴嘴(5)、和可調(diào)節(jié)振蕩腔(8)，中央操作板(10)直接通過熱隔離接頭(11)與共振管束(10)的一端相連，這樣形成共振管束扇形分布的形狀。進(jìn)氣導(dǎo)管(2)連接在中央操作板(10)的一端，引導(dǎo)高壓氣流進(jìn)入緩沖腔(3)，流動(dòng)調(diào)節(jié)器(9)從垂直于射流的方向裝入共振腔(8)，它能夠依照流動(dòng)調(diào)節(jié)的要求逐漸地進(jìn)入共振腔(8)。流動(dòng)調(diào)節(jié)器(9)的上表面與流動(dòng)調(diào)節(jié)桿(15)相連，轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)調(diào)節(jié)桿(15)能夠造成流動(dòng)調(diào)節(jié)器(9)的上下運(yùn)動(dòng)。流動(dòng)調(diào)節(jié)桿(15)通過螺紋軸座(16)、密封體(18)和襯套(19)，最終與手輪(20)相連，排氣導(dǎo)管(7)通過下蓋板(4)形成出流通道。出流通管又與中央操作板(10)上的渦穩(wěn)流器(6)相通，共振管束(14)的開口端通過熱隔離接頭(11)與中央操作板(10)相連，而共振管束(14)的另一端接入波阻器(12)，形成擴(kuò)大空間。共振管束(14)通過冷卻器形成的輻射開頭進(jìn)出口安裝在冷卻器(13)的側(cè)壁，分別讓冷卻流體進(jìn)入或離開冷卻器，將共振管束(14)的熱量帶走。襯套(19)通過螺紋與調(diào)節(jié)保持座(17)相連，壓緊密封體(18)，密封住調(diào)節(jié)柱(15)的外表面，將內(nèi)部的工作氣流與環(huán)境隔離開。再參考圖1，當(dāng)高壓的氣體進(jìn)入本發(fā)明氣體波制冷裝置時(shí)，它首先通過進(jìn)氣導(dǎo)管(2)進(jìn)入緩沖腔(3)。在緩沖腔(3)內(nèi)，從進(jìn)口導(dǎo)管(2)帶入的渦流和渦將被抑制，并且流動(dòng)靜壓得以恢復(fù)。由于進(jìn)氣導(dǎo)管(2)和噴嘴(5)的出口處于同一軸線，這樣將減小射流動(dòng)因改變方向而造成的撞擊損失。并且有利于流動(dòng)總壓的恢復(fù)。當(dāng)帶壓力的氣體從噴嘴(5)流出時(shí)，其所挾帶的壓力能被轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，并在振蕩腔(8)內(nèi)形成穩(wěn)定的高速射流結(jié)構(gòu)。原理上，當(dāng)高速射流進(jìn)入振蕩腔(8)后，由于流動(dòng)截面的增大，伴隨著剪切層形成流動(dòng)分離。高速射流的進(jìn)一步發(fā)展完全由共振腔(8)的下游邊界條件決定。在本發(fā)明中，則由共振腔(8)的側(cè)壁形狀、噴嘴(5)的出口到下游共振管束(14)的距離以及共振管束(14)的長度來決定，而共振腔(8)的幾何形狀將嚴(yán)重地影響射流的穩(wěn)定性。
因此，為了激發(fā)高速射流的不穩(wěn)定性，在共振腔(8)內(nèi)形成周期性的自持振蕩，這些參數(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)選定的操作條件而決定。為了在振蕩腔(8)內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定射流，共振腔(8)的偏轉(zhuǎn)壁面起到了關(guān)鍵的作用。它能夠造成射流向某一側(cè)壁的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)高速射流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，在共振腔(8)內(nèi)便形成了中性不穩(wěn)定狀態(tài)。由于射流的運(yùn)動(dòng)很容易由下游的擾動(dòng)而被引起，所以當(dāng)下游不存在擾動(dòng)邊界和擾動(dòng)流時(shí)，高速射流將維持所產(chǎn)生的穩(wěn)定附壁效應(yīng)。而裝在共振腔(8)下游的共振管束(14)能夠產(chǎn)生不穩(wěn)定的下游壓力擾動(dòng)，引起附壁射流的不穩(wěn)定性。
在本發(fā)明的氣體波制冷裝置中，當(dāng)射流的附壁效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)，它將同時(shí)與處在下游的共振管束(14)相互作用，由于瞬態(tài)的質(zhì)量聚集，這種相互作用將產(chǎn)生很強(qiáng)的壓力波，同時(shí)向上、下游兩個(gè)方向傳播。上行的壓力波，稱為反饋壓力波(即wD)，它將影響射流的偏轉(zhuǎn)行為；而下行的壓力波稱為(”WD)入射壓力波，它將引起在共振管束(14)內(nèi)氣體柱的共振效應(yīng)。在反饋壓力波的作用下，射流穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)將被改變，變得不穩(wěn)定。這種射流狀態(tài)的調(diào)節(jié)過程是由反饋壓力波改變了噴嘴出口處射流剪切層敏感區(qū)域的狀態(tài)所造成的，隨著射流掃過每一個(gè)共振管束(14)的出口，最終導(dǎo)致了射流在共振腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。
這一過程隨著偏轉(zhuǎn)射流從共振腔的一側(cè)壁面向另一側(cè)壁面的運(yùn)動(dòng)中重復(fù)進(jìn)行?；谶@種入射壓力波的反饋機(jī)理和與共振管束(14)相互作用的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中的高速射流自持振蕩過程被實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程和相應(yīng)的機(jī)理構(gòu)成了本發(fā)明裝置操作的基礎(chǔ)。
隨著自持射流振蕩的產(chǎn)生，在共振管束(14)的開口處將獲得制冷效應(yīng)。這是由于射流與共振管束相互作用，產(chǎn)生了入射壓力波。入射壓力波又將入射的能量以波的形式從入射的氣體移出。隨著入射壓力波在入口處向共振管束(14)的另一端運(yùn)動(dòng)，入射氣體內(nèi)的能量將減少，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。事實(shí)上，當(dāng)射流離開共振管束(14)的開口端時(shí)，入射氣體將從共振管束(14)的入口處倒流進(jìn)入渦穩(wěn)流器(6)，此時(shí)它的溫度將被降低。同時(shí)也產(chǎn)生入射的膨脹波。
值得注意的是，由于入射氣體和原來在共振管束(14)內(nèi)滯留的氣體具有不同的能量，因而在共振管束(14)的入口附近區(qū)域，由于入射氣體的進(jìn)入將形成分離區(qū)。入射氣體將隨著每次射流與共振管束(14)入口的相互作用而更換。而滯留在管內(nèi)的氣體，則以入射波的形式吸收由入射氣體帶入的能量。由于非線性的影響，入射波的前沿將變陡，最終在它到達(dá)共振管束的另一端之前轉(zhuǎn)變?yōu)槿肷浼げā＝柚肷浼げǖ暮纳⒆饔?，其攜帶的大部分能量將被耗散在管內(nèi)的滯留氣體中，從而導(dǎo)致滯留氣體的溫度顯著上升。
正常情況下，本發(fā)明的氣體波制冷裝置在設(shè)計(jì)工況下的操作性能依賴入射波系的特性，入射波系如同一個(gè)輸運(yùn)系統(tǒng)，連續(xù)地將入射波的壓力能輸送到環(huán)境。這一輸運(yùn)過程由共振腔(8)內(nèi)高速射流的自持振蕩與共振管束(14)的耦合狀態(tài)來決定，通常依賴于所選定工作狀態(tài)。不幸的是，有幾個(gè)關(guān)鍵的因素嚴(yán)重地影響著射流的結(jié)構(gòu)它們是剪切層的厚度、中心勢(shì)流核的長度、激波核的位置和卷吸率等。這些因素都對(duì)操作條件特別地敏感。由于氣體波制冷裝置的幾何結(jié)構(gòu)決定了波系間的相互作用，因而流動(dòng)工況的改變將敏感地影響氣體波制冷裝置的性能。
設(shè)想在操作條件高于設(shè)計(jì)工況時(shí)，對(duì)氣體波制冷裝置的直接影響是改變噴嘴(5)出口處的流動(dòng)狀態(tài)。首先，改變噴嘴(5)出口處的速度將直接影響射流結(jié)構(gòu)。射流自持振蕩過程將因此變?nèi)趸蜃兊貌环€(wěn)定，這主要是由于自持振蕩射流與共振管的匹配條件因噴嘴(5)狀態(tài)的改變而被破壞。很明顯，這種導(dǎo)致振蕩過程無序化的變化將直接影響氣體波制冷裝置的制冷性能。在美國專利5,412,950裝置的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著壓力偏離設(shè)計(jì)工況，制冷性能會(huì)出現(xiàn)下降。因此，調(diào)節(jié)共振腔(8)的結(jié)構(gòu)去匹配共振條件，對(duì)于在變工況時(shí)保證氣體波制冷裝置的操作是十分重要的。但由于裝置寸尺的限制、內(nèi)部泄漏和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度增加等困難，使得隨流動(dòng)狀態(tài)的改變而調(diào)節(jié)共振腔(8)的結(jié)構(gòu)變得非常的困難。
為了確保氣體波制冷裝置在變工況時(shí)的制冷性能，本發(fā)明提供了一種簡單的方法，在變工況的條件下能夠同時(shí)調(diào)節(jié)噴嘴(5)和共振腔(8)，以達(dá)到最佳的制冷效應(yīng)。圖1清楚地展示了本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在本發(fā)明裝置中，共振腔(8)內(nèi)的射流結(jié)構(gòu)具有二維特性，并且僅由噴嘴(5)處的出口速度來決定。本發(fā)明裝置在變工況操作時(shí)，采用在垂直射流方向上改變共振腔流動(dòng)空間的方式，來改變其關(guān)鍵的射流結(jié)構(gòu)。運(yùn)用這種方法，將使得由工況變化而進(jìn)行的幾何參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)射流結(jié)構(gòu)的影響降到最小。事實(shí)上這種在垂直共振腔流動(dòng)空間隔的調(diào)節(jié)方法，在變工況時(shí)將產(chǎn)生與設(shè)計(jì)工況相同的射流結(jié)構(gòu)。這個(gè)調(diào)節(jié)過程將由下列步驟來完成當(dāng)操作偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，例如流量減小，則噴嘴(5)處的速度將馬上減小。由于在噴嘴(5)出口處的速度減小而導(dǎo)致了射流強(qiáng)度的減小，便減弱了射流與共振管束(14)之間的相互作用。為了對(duì)流量的減小作出響應(yīng)。在共振腔(8)內(nèi)的流動(dòng)調(diào)節(jié)件(9)將隨著手動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿(15)而下行。流動(dòng)調(diào)節(jié)件(9)的左側(cè)壁將隨著流動(dòng)調(diào)節(jié)件(9)逐步滑入共振腔(8)封閉噴嘴(5)的出口。此時(shí)，射流出口的截面減小，導(dǎo)致射流速度的增加，從而返回了原設(shè)計(jì)點(diǎn)。同時(shí)共振腔(8)的空間也隨著流動(dòng)調(diào)節(jié)件(9)的插入而發(fā)生改變，減小了與噴嘴(5)截面的匹配。由于噴嘴和共振腔的空間能夠隨著謝流量的減小而得到調(diào)整，便保證了射流在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，使射流自持振蕩的結(jié)構(gòu)和氣體波制冷裝置在流量變小時(shí)，其性能不會(huì)受到影響。而在流量增大時(shí)，反向操作流動(dòng)調(diào)節(jié)件(9)，將獲得同樣的效果。因?yàn)樘幵谥虚g操作板(10)內(nèi)的共振腔(8)，其幾何形狀垂直于射流的方向與流動(dòng)調(diào)節(jié)件(9)的運(yùn)動(dòng)方向一致，除了在共振腔(8)上下表面的邊界層效應(yīng)之外，還可以保證氣體波制冷裝置在一定的工況變化范圍內(nèi)的操作性能。這種在變工況下調(diào)節(jié)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的方法，使得氣體波制冷裝置的性能對(duì)工況變化不太敏感，可以適合于工業(yè)化系統(tǒng)的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)上，為了密封共振腔(8)內(nèi)的壓力氣體，使之不能通過調(diào)節(jié)桿(15)的表面泄漏到環(huán)境，本發(fā)明使用了密封組件，包括調(diào)節(jié)保持座(17)、密封件(18)和襯套(19)。調(diào)節(jié)保持座(17)可支撐密封件(18)，而密封件(18)的環(huán)狀空間可允許調(diào)節(jié)桿(15)通過。密封件(18)通過襯套(19)壓緊，從而密封住它與調(diào)節(jié)桿(15)之間的接觸表面。
另外，通過實(shí)驗(yàn)的觀察，發(fā)現(xiàn)有大量的熱會(huì)隨著氣體波制冷裝置運(yùn)行而聚集在氣體柱區(qū)域，如果這部分熱量不能有效地移出，將導(dǎo)致氣體柱溫度的升高。熱量的積存和氣體柱溫度的升高又將會(huì)改變接觸面的狀態(tài)，降低了能量從入射氣體轉(zhuǎn)移到氣體柱的效果，并會(huì)減弱入射壓力波和入射激波在氣體柱的傳遞。原理上，氣體柱的溫度越高，氣體波制冷裝置的效率越低。為了增加制冷效率和壓力波的強(qiáng)度，有益于壓力能向熱能的轉(zhuǎn)換，本發(fā)明采用冷卻器(13)來強(qiáng)化熱量從氣體柱的排出。氣體柱振蕩所產(chǎn)生的熱能通過共振管束(14)表面的強(qiáng)化對(duì)流傳熱，由通過管束外部的冷卻流體將其帶走。同時(shí)由共振管束(14)向共振腔(8)的導(dǎo)熱過程來加熱入射氣體，在安裝了熱隔離接頭(11)后被消除。
參考圖2和圖3，從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射波到達(dá)共振管束(14)的另一端時(shí)，遇到封閉端形成反射波，它與入射波呈反向運(yùn)動(dòng)。反射波也攜帶著一定的壓力能，當(dāng)它通過接觸面時(shí)，將會(huì)加熱入射的氣體。這一加熱過程通常會(huì)降低壓力能從入射氣體向氣體柱的輸送效率，降低氣體波制冷裝置在設(shè)計(jì)工況的制冷效率。而另一方面，對(duì)反射波如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，?huì)對(duì)上行的反饋壓力波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，在變工況時(shí)，反射波系將改變射流的有序振蕩。為了減小這種影響，在共振管束(14)的封閉端加裝了波阻尼器(12)。波阻尼器(12)是一個(gè)具有較大直徑的圓柱腔體，它在共振管束(14)的末端形成一個(gè)具有擴(kuò)大截面的空腔。加裝波阻尼器(12)后，反射波的強(qiáng)度會(huì)減弱對(duì)入射氣體的加熱效應(yīng)。波阻尼器(12)的長度由入射波的強(qiáng)度而定。波阻尼器(12)的安裝同時(shí)還有利于在變工況的狀態(tài)下，消除反射波對(duì)共振腔(8)中的自持振蕩射流的影響。
總而言之，上行反饋壓力波在高速射流剪切層中的傳輸，使得射流周期性地掃過共振管束(14)的入口，高速射流的自持振蕩反過來與氣體柱的共振相耦合，導(dǎo)致入射氣體產(chǎn)生制冷效應(yīng)。制冷過程是通過在共振管束(14)內(nèi)的入射波系和反射波系統(tǒng)的相互作用；通過高速射流對(duì)共振管束(14)入射過程；通過噴嘴(5)和共振腔(8)之間適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)才能發(fā)生。這些幾何參數(shù)控制了高速射流與氣體柱的相互作用過程。當(dāng)上游的氣體狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，通常引起氣體波制冷裝置操作偏離設(shè)計(jì)工況而降低制冷效率。這主要是由改變了射流結(jié)構(gòu)所造成的。流動(dòng)工況的改變將減弱和破壞上述的兩種相互作用的過程，造成操作上的失效。為了使用氣體波制冷裝置在變工況情況下獲得最好的操作性能，本發(fā)明裝置使用了在變工況時(shí)調(diào)節(jié)高速射流結(jié)構(gòu)的機(jī)制。它能夠把內(nèi)部泄露和機(jī)械的復(fù)雜程度降到最低。為了增加制冷效率，減弱反射波系對(duì)變工況下振蕩射流的影響，引入了波阻尼器和冷卻器。波阻尼器的作用是減小反射波的加熱作用，而冷卻器的作用是降低接觸面的溫度，并且強(qiáng)化能量在入射氣體和氣體柱之間的傳輸。另外，熱絕緣接頭(11)能夠減小共振管束(14)與共振腔(8)之間的熱傳導(dǎo)損失。
本發(fā)明裝置采用了上述的方法，可以在變工況的情況下操作。流動(dòng)調(diào)節(jié)件(9)能夠使氣體波制冷裝置在一個(gè)更寬的工況范圍內(nèi)工作時(shí)，仍能保持在設(shè)計(jì)工況的性能。他的內(nèi)部自持振蕩過程通過調(diào)節(jié)噴嘴(5)和共振腔(8)的空間而得以保持。在極高壓力降差的操作環(huán)境中，本發(fā)明裝置可以串聯(lián)操作，通過調(diào)節(jié)每級(jí)的操作條件，得到最大的溫度降差。
權(quán)利要求
1.一種具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置及其所產(chǎn)生的制冷方法，其特征在于a.這種具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置由可調(diào)節(jié)噴嘴、可調(diào)節(jié)共振腔(它聯(lián)接可調(diào)節(jié)噴嘴)、共振管束(它的開口端連接到可調(diào)節(jié)共振腔)、熱隔離接頭，渦穩(wěn)流器(它在共振管束出口的位置橫跨共振腔)、波阻尼器(它被連接到共振管束的另一端)、冷卻器(包容共振管束的管體)等部件組成。b.在變上況條件下的共振制冷方法。它利用共振管束驅(qū)動(dòng)可調(diào)節(jié)噴嘴和在可調(diào)節(jié)共振腔內(nèi)的周期性射流振蕩，在變工況條件下維持一種壓力反饋系統(tǒng)。由渦穩(wěn)流器、共振管與共振腔的匹配，在共振管內(nèi)誘發(fā)特定的氣體柱共振頻率。通過這種可調(diào)節(jié)噴嘴和可調(diào)節(jié)共振腔產(chǎn)生的射流振蕩與共振管氣體柱共振頻率耦合，產(chǎn)生共振制冷效應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體波制冷裝置，其特征在于具有下列結(jié)構(gòu)特征a.操作板具有上下表面，并包含有可調(diào)節(jié)噴嘴和可調(diào)節(jié)共振腔。它們都具有二維的空間特征。通過螺紋孔和熱隔離接頭與共振管束相連接。在共振管束中產(chǎn)生脈動(dòng)流和共振制冷效應(yīng)。b.下蓋板中包含有穩(wěn)流器，它具有彎曲的通道與共振腔在共振管束的開口端附近相通。下蓋板覆蓋操作板的下表面，為正在共振管束內(nèi)完成能量交換的氣體流向排氣導(dǎo)管提供排氣通道，同時(shí)起到阻隔共振腔內(nèi)的射流直接流向排氣導(dǎo)管的作用。c.上蓋板從上表面覆蓋操作板的上表面，并在操作板和共振腔的位置裝有流動(dòng)調(diào)節(jié)組件。通過插入中央操作板的流動(dòng)調(diào)節(jié)件，在垂直于可調(diào)節(jié)共振腔的方向，通過上下運(yùn)動(dòng)改變可調(diào)節(jié)共振腔的二維的空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體波制冷裝置，其特征在于中央操作板中的可調(diào)節(jié)共振腔提供特殊的幾何形狀，用來產(chǎn)生振蕩流動(dòng)和共振制冷效應(yīng)。權(quán)利要求2所述的共振管束由剛性和具有高導(dǎo)熱性能的金屬材料構(gòu)成，在它的軸線方向具有均勻或者變化的截面直徑。在它的開口端具有螺紋通過上述熱隔離接頭與可調(diào)節(jié)共振腔連接，共振管束的另一端則與上述的波阻尼器相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體波制冷裝置，其特征在于在上述中央操作板內(nèi)包含有特殊的幾何形狀，為脈動(dòng)流的產(chǎn)生和共振制冷效應(yīng)提供條件。在中央操作板內(nèi)的可調(diào)節(jié)共振腔具有扇形的形狀，在它的收斂端與可調(diào)節(jié)的噴嘴相連通，在每一側(cè)壁面保持偏位差。而扇形的弧形壁面與共振管束的開口端相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體波制冷裝置，其特征在于由上述的中央操作板內(nèi)含有的特殊幾何形狀，為脈動(dòng)流的產(chǎn)生和共振制冷效應(yīng)提供條件。在中央操作板內(nèi)的可調(diào)節(jié)噴嘴具有收縮或縮放形通道形狀，與上述的緩沖腔相連，引導(dǎo)帶壓氣體進(jìn)入上述的收縮或縮放形噴嘴。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體波制冷裝置，其特征在于上述的穩(wěn)流器，由兩個(gè)傾斜的內(nèi)表面所構(gòu)成的斜槽組成，它位于可調(diào)節(jié)共振腔的上方，在共振管束的開口處與在中央操作板內(nèi)的共振腔相連。上述穩(wěn)流器的斜槽寬度近似于共振管束的直徑。并且，上述穩(wěn)流器的通道與中央操作板向著可調(diào)節(jié)噴嘴的方向形成一個(gè)小于90度的角度，它提供了光滑的排氣通道，使得帶壓氣體在共振管束內(nèi)將壓力能轉(zhuǎn)換成熱能后，向著排氣導(dǎo)管流動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明為具有流動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體波制冷裝置。它由可調(diào)節(jié)噴嘴、可調(diào)節(jié)共振腔(它聯(lián)接可調(diào)節(jié)噴嘴)、共振管束(它的開口端連接到可調(diào)節(jié)共振腔)、熱隔離接頭，渦穩(wěn)流器(它在共振管束出口的位置橫跨共振腔)、波阻尼器(它被連接到共振管束的另一端)、冷卻器(包容共振管束的管體)等部件組成。本裝置的功能特點(diǎn)是通過控制共振氣體柱在變工況流動(dòng)條件下所產(chǎn)生的波相互作用現(xiàn)象，達(dá)到最有效的制冷效果。因此，對(duì)于具有流動(dòng)條件變化和工況控制要求的工業(yè)系統(tǒng)，本裝置具有相當(dāng)強(qiáng)的針對(duì)性和適應(yīng)性。
文檔編號(hào)F25B9/00GK1460169SQ00819428
公開日2003年12月3日 申請(qǐng)日期2000年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月12日
發(fā)明者胡志敏 申請(qǐng)人:胡志敏