專利名稱:多聲波制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于氣體制冷與低溫領(lǐng)域,特別涉及一種多個(gè)制冷與低溫環(huán)境獲取的多聲波制冷機(jī)。
背景技術(shù):
隨著全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和高新技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)制冷行業(yè)提出了更多、更嚴(yán)格的要求。一方面常規(guī)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)大量采用氯基有機(jī)物,從而造成臭氧空洞和溫室效應(yīng),嚴(yán)重影響到全球氣候和生活環(huán)境;另一方面隨著高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)和高速高密電子集成電路的發(fā)展,對(duì)常規(guī)制冷方式也提出了挑戰(zhàn)。如果沒(méi)有與之相適應(yīng)的靈活、可靠和高效的制冷技術(shù)的出現(xiàn),電子學(xué)、電光學(xué)、遠(yuǎn)距離光導(dǎo)通訊和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展都將受到制約和影響。尤其是某些制冷工質(zhì)被禁用的法案出臺(tái),要求我們必須盡快找到新的環(huán)保型制冷工質(zhì)和新的制冷方法,來(lái)解決日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和電子器件高熱流密度的問(wèn)題。目前,國(guó)際上所采用的聲波制冷機(jī)通常為單聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的單制冷系統(tǒng),例如美國(guó)專利US 4722201“Acoustic Cooling Engine”中比較詳細(xì)的描述了該類聲波制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在單一的聲源驅(qū)動(dòng)下,由布置在諧振管中單一制冷系統(tǒng)(包括熱端換熱器、板疊、冷端換熱器所構(gòu)成)產(chǎn)生制冷效果;日本專利JP2000337724“Acoustic Refrigeration System”中同樣描述了單聲源驅(qū)動(dòng)的單制冷系統(tǒng);日本專利JP8014679“Thermoacoustic Freezing Cycle andCooling Device”中同樣描述了單聲源驅(qū)動(dòng)的四分之一波長(zhǎng)的單制冷系統(tǒng);美國(guó)專利US4489553“Intrinsically Irreversible Heat Engine”中描述了單一聲源驅(qū)動(dòng)下的單制冷系統(tǒng);由于上述專利中均涉及的是單制冷系統(tǒng),如果要完成遠(yuǎn)距離的多點(diǎn)冷卻的需要,必須依靠多個(gè)聲波制冷機(jī)或把制冷量分配給多點(diǎn)的熱負(fù)荷,這樣勢(shì)必會(huì)增加裝置的復(fù)雜程度和控制難度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),提供了一種利用高頻揚(yáng)聲器或低品質(zhì)噪音形成駐波特點(diǎn)的多聲波制冷機(jī)。
為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括殼體和設(shè)置在殼體一側(cè)的揚(yáng)聲器,在殼體內(nèi)揚(yáng)聲器的聲波傳輸通道內(nèi)還設(shè)置有由熱端換熱器、板疊和冷端換熱器組成的聲制冷元件,其特點(diǎn)是各聲制冷元件均設(shè)置在位于揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲波的四分之一波長(zhǎng)壓力波腹與波節(jié)之間,且各聲制冷元件的熱端換熱器、板疊和冷端換熱器依次沿波腹指向波節(jié)的方向布置。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是各聲制冷元件之間還設(shè)置有諧振管。
本發(fā)明的各聲制冷元件均設(shè)置在位于揚(yáng)聲器四分之一波長(zhǎng)的壓力波腹與波節(jié)之間,且各聲制冷元件的熱端換熱器、板疊和冷端換熱器依次沿波腹指向波節(jié)的方向布置,從而在多個(gè)四分之一波長(zhǎng)的聲波通道中,實(shí)現(xiàn)了任意單個(gè)或多個(gè)制冷系統(tǒng),能夠在單一聲源驅(qū)動(dòng)下達(dá)到多點(diǎn)制冷的目的。
圖1是本發(fā)明利用熱聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷過(guò)程的原理圖;圖2是本發(fā)明駐波場(chǎng)中壓力與速度沿管程的分布關(guān)系和單個(gè)微元的位置變化圖,圖中橫坐標(biāo)X表示管的長(zhǎng)度,縱坐標(biāo)表示某時(shí)刻的壓力與速度的幅值,其中實(shí)線為某一時(shí)刻沿諧振管5長(zhǎng)度方向上的壓力和速度的分布情況,虛線為該駐波場(chǎng)中壓力和速度的最大幅值沿管程的分布情況,同時(shí)根據(jù)駐波場(chǎng)的特點(diǎn),把單個(gè)波長(zhǎng)的駐波管分為4個(gè)四分之一波長(zhǎng)段,即圖中所示的A、B、C、D四個(gè)部分;圖3是根據(jù)圖2中所示的四個(gè)四分之一波長(zhǎng)的任意微團(tuán)的壓力與速度的時(shí)間變化關(guān)系圖,其中圖3A是第一段四分之一波長(zhǎng),即A段任意微團(tuán)的壓力與速度的時(shí)間變化關(guān)系圖,圖3B是第二段四分之一波長(zhǎng),即B段任意微團(tuán)的壓力與速度的時(shí)間變化關(guān)系圖,圖3C是第三段四分之一波長(zhǎng),即C段任意微團(tuán)的壓力與速度的時(shí)間變化關(guān)系圖,圖3D是第四段四分之一波長(zhǎng),即D段任意微團(tuán)的壓力與速度的時(shí)間變化關(guān)系圖;圖4是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖;圖5是本發(fā)明中聲制冷元件7的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1,本發(fā)明依據(jù)熱聲效應(yīng)原理,利用聲場(chǎng)中的固體介質(zhì)和振蕩流體間的相互作用,使距固體壁面一定范圍內(nèi)沿著聲傳播方向產(chǎn)生一個(gè)時(shí)均熱流,并在這個(gè)區(qū)域內(nèi)吸收聲功。其制冷過(guò)程如下1)設(shè)微團(tuán)在位置1時(shí)的溫度為T1,從1到2的絕熱壓縮過(guò)程中,其溫度從T1升高到T2;2)此時(shí),如果微團(tuán)溫度高于平板溫度Th,則微團(tuán)換熱給平板(過(guò)程2-3),溫度變?yōu)門3;3)接著,微團(tuán)從3絕熱膨脹向4運(yùn)動(dòng),到達(dá)4時(shí)的溫度變?yōu)門4;4)如果此時(shí)微團(tuán)溫度低于平板溫度T1,則微團(tuán)從平板吸熱(過(guò)程4-1),溫度變?yōu)門1,從而完成一個(gè)熱力循環(huán);5)然后,再次從1點(diǎn)開(kāi)始重復(fù)上述循環(huán)。
了解了聲波制冷的基本原理后,接下來(lái),根據(jù)駐波聲場(chǎng)的基本理論和特性,對(duì)駐波場(chǎng)內(nèi)的制冷過(guò)程進(jìn)行宏觀分析。先以一個(gè)波長(zhǎng)的駐波場(chǎng)作為分析對(duì)象,對(duì)其每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的制冷過(guò)程進(jìn)行宏觀分析,進(jìn)而,總結(jié)熱端換熱器、板疊和冷端換熱器的放置位置。
參見(jiàn)圖2,該圖表示了某一時(shí)刻氣流,微團(tuán)的壓力和速度隨駐波管程長(zhǎng)度變化的曲線以及A、B、C、D每個(gè)四分之一波長(zhǎng)中任意一點(diǎn)(除了壓力與速度的波節(jié)點(diǎn))的壓力與速度隨時(shí)間的變化曲線,其中實(shí)線部分表示某時(shí)刻沿諧振管長(zhǎng)度方向上的壓力和速度的分布情況,虛線部分表示該駐波場(chǎng)中壓力和速度的最大幅值沿管程的分布情況。由圖2不難發(fā)現(xiàn),在一個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)度的駐波場(chǎng)內(nèi),存在著四個(gè)內(nèi)部特性完全不同的四分之一波長(zhǎng)的駐波場(chǎng),每個(gè)氣體微團(tuán)在其平衡位置處進(jìn)行振蕩。對(duì)任何一個(gè)駐波場(chǎng),無(wú)論其駐波管內(nèi)形成多少個(gè)四分之一波長(zhǎng),均可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)四分之一波長(zhǎng)內(nèi)的制冷效應(yīng)。例如,針對(duì)圖2所示的一個(gè)波長(zhǎng)的駐波管,可以嚴(yán)格按照上面的設(shè)計(jì)方法和原則,在任意兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)段內(nèi)放置聲制冷元件(熱端換熱器、板疊和冷端換熱器),均可以實(shí)現(xiàn)雙制冷系統(tǒng)。例如可以在A段和B段放置兩個(gè)制冷元件,再根據(jù)制冷元件放置位置的設(shè)計(jì)方法,就可以派生出一種雙制冷系統(tǒng)。
參見(jiàn)圖3a,A段任意點(diǎn)的壓力波均超前速度波90°,通過(guò)A段任意點(diǎn)的壓力和速度隨時(shí)間的變化規(guī)律,隨著該點(diǎn)壓力的降低,該點(diǎn)位移將從平衡位置的左端移右端;相反,隨著壓力的增高,該點(diǎn)位移將從平衡位置的右端移向左端。而壓力的增減勢(shì)必會(huì)引起溫度的增減,所以,如果此時(shí)在A段的四分之一波長(zhǎng)的位置上,在靠近壓力波腹與波節(jié)之間的位置上安置一聲制冷元件(熱端換熱器、板疊和冷端換熱器),并且將熱端換熱器緊靠壓力波腹的方向,通過(guò)熱端換熱器將壓縮熱帶走,并隨著微團(tuán)的降壓膨脹,勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生較低的制冷溫度,如果再加上板疊對(duì)聲熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的強(qiáng)化,勢(shì)必會(huì)在冷端換熱器上產(chǎn)生更低的制冷溫度。這就是在A段四分之一波長(zhǎng)的情況下,獲得制冷的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
參見(jiàn)圖3b,在B段中,可發(fā)現(xiàn)任意點(diǎn)的壓力波超前速度波270°,通過(guò)B段任意點(diǎn)的壓力和速度隨時(shí)間的變化規(guī)律,隨著該點(diǎn)壓力的降低,該點(diǎn)位移將從平衡位置的右端移向左端;相反,隨著壓力的增高,該點(diǎn)位移將從平衡位置的左端移向右端。而壓力的增減勢(shì)必會(huì)引起溫度的增減,所以,如果此時(shí)在A段的四分之一波長(zhǎng)的位置上,在靠近壓力波腹與波節(jié)之間的位置上安置一聲制冷元件(熱端換熱器、板疊和冷端換熱器),并且將熱端換熱器緊靠壓力波腹的方向,通過(guò)熱端換熱器將壓縮熱帶走,并隨著微團(tuán)的降壓膨脹,勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生較低的制冷溫度,如果再加上板疊對(duì)聲熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的強(qiáng)化,勢(shì)必會(huì)在冷端換熱器上產(chǎn)生更低的制冷溫度。這就是在B段四分之一波長(zhǎng)的情況下,獲得制冷的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
參見(jiàn)圖3c,在C段中,可發(fā)現(xiàn)任意點(diǎn)的壓力波超前速度波90°,其制冷的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)位置同A段。
參見(jiàn)圖3d,在D段中,可發(fā)現(xiàn)任意點(diǎn)的壓力波超前速度波270°,其制冷的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)位置同B段。
以上詳細(xì)分析了駐波場(chǎng)中各種不同情況下如何實(shí)現(xiàn)制冷效能的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并總結(jié)出在任意的駐波場(chǎng)內(nèi),只要嚴(yán)格按照在單個(gè)波峰與波節(jié)之間,即四分之一波長(zhǎng)內(nèi),并沿波峰向波節(jié)的壓力減小的方向上,依次放置熱端換熱器、板疊和冷端換熱器,就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)制冷效應(yīng)。
參見(jiàn)圖4,本發(fā)包括殼體6和設(shè)置在殼體6一側(cè)的揚(yáng)聲器1,在殼體6內(nèi)揚(yáng)聲器1的聲波傳輸通道內(nèi)還設(shè)置有由熱端換熱器2、板疊3和冷端換熱器4組成的聲制冷元件7,各聲制冷元件7均設(shè)置在位于揚(yáng)聲器1四分之一波長(zhǎng)壓力波腹與波節(jié)之間,且各聲制冷元件7的熱端換熱器2、板疊3和冷端換熱器4依次沿波腹指向波節(jié)的方向布置,在各聲制冷元件7之間還設(shè)置有諧振管5。
參見(jiàn)圖5,本發(fā)明的工作機(jī)理和實(shí)施辦法如下冷、熱端換熱器2、4可以根據(jù)目前常用的換熱器的結(jié)構(gòu)形式,如管翅式、板翅式等,在此僅舉管翅式結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。以冷卻水為熱端換熱器2的冷卻源,首先當(dāng)熱聲中壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的壓縮熱,通過(guò)翅片傳遞給熱端換熱器2的基體,然后再通過(guò)在熱端換熱器2內(nèi)流動(dòng)的冷卻水,把這部分熱量帶走;相類似,冷端換熱器4同樣采用上述結(jié)構(gòu),以某種介質(zhì)或者熱管等導(dǎo)熱裝置作為被冷卻物質(zhì),當(dāng)熱聲膨脹過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹冷量,通過(guò)翅片傳遞給冷端換熱器4的基體,然后再通過(guò)在冷端換熱器4內(nèi)流動(dòng)的冷卻介質(zhì)或?qū)嵩?,把這部分冷量帶走,從而實(shí)現(xiàn)制冷的效應(yīng)。本發(fā)明所采用的板疊3為平板型結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的工作機(jī)理與熱聲制冷機(jī)的工作機(jī)理基本相同,唯一不同的是本發(fā)明根據(jù)駐波的特性,在多個(gè)四分之一波長(zhǎng)的制冷系統(tǒng)中,各聲制冷元件7均設(shè)置在位于揚(yáng)聲器四分之一波長(zhǎng)的壓力波腹與波節(jié)之間,且聲制冷元件構(gòu)成之一的熱端換熱器位于靠近壓力波腹的位置,從而實(shí)現(xiàn)了在多個(gè)四分之一波長(zhǎng)的制冷系統(tǒng)中,任意實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)的制冷系統(tǒng),能夠在單一聲源驅(qū)動(dòng)下達(dá)到多點(diǎn)制冷的目的。與此同時(shí),采用高頻駐波場(chǎng)的特點(diǎn),就可以大大減小系統(tǒng)的總長(zhǎng),例如以空氣為工作介質(zhì),要形成一個(gè)頻率為2.5KHz的二分之一波長(zhǎng)的駐波場(chǎng),所需的系統(tǒng)總長(zhǎng)僅為6.4cm,如果在高頻下工作,就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)制冷系統(tǒng)的微型化需要。
本發(fā)明選用純天然物質(zhì)——空氣、氦氣、氮?dú)獾茸鳛楣ぷ鹘橘|(zhì),解決了現(xiàn)有的制冷工質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題;根據(jù)高頻駐波的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)微型化應(yīng)用的需要;該制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,使用壽命長(zhǎng);選用聲波揚(yáng)聲器或低品質(zhì)的噪音作為驅(qū)動(dòng)源,并提高聲波的利用效率,從而實(shí)現(xiàn)了低品質(zhì)能源的進(jìn)一步利用,減少了相應(yīng)的噪音污染;該制冷機(jī)可以選用多個(gè)聲制冷元件7安裝在特定的位置上,從而實(shí)現(xiàn)多重制冷的效應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種多聲波制冷機(jī),包括殼體[6]和設(shè)置在殼體[6]一側(cè)的揚(yáng)聲器[1],在殼體[6]內(nèi)揚(yáng)聲器[1]的聲波傳輸通道內(nèi)還設(shè)置有由熱端換熱器[2]、板疊[3]和冷端換熱器[4]組成的聲制冷元件[7],其特征在于所說(shuō)的各聲制冷元件[7]均設(shè)置在位于揚(yáng)聲器[1]產(chǎn)生聲波的四分之一波長(zhǎng)壓力波腹與波節(jié)之間,且各聲制冷元件[7]的熱端換熱器[2]、板疊[3]和冷端換熱器[4]依次沿波腹指向波節(jié)的方向布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多聲波制冷機(jī),其特征在于所說(shuō)的各聲制冷元件[7]之間還設(shè)置有諧振管[5]。
全文摘要
一種多聲波制冷機(jī),包括殼體和設(shè)置在殼體一側(cè)的揚(yáng)聲器,在殼體內(nèi)揚(yáng)聲器的聲波傳輸通道內(nèi)還設(shè)置有由熱端換熱器、板疊和冷端換熱器組成的聲制冷元件,各聲制冷元件均設(shè)置在位于揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲波的四分之一波長(zhǎng)壓力波腹與波節(jié)之間,且各聲制冷元件的熱端換熱器、板疊和冷端換熱器依次沿波腹指向波節(jié)的方向布置。本發(fā)明的各聲制冷元件均設(shè)置在位于揚(yáng)聲器四分之一波長(zhǎng)的壓力波腹與波節(jié)之間,且各聲制冷元件的熱端換熱器、板疊和冷端換熱器依次沿波腹指向波節(jié)的方向布置,從而在多個(gè)四分之一波長(zhǎng)的聲波通道中,實(shí)現(xiàn)了任意單個(gè)或多個(gè)制冷系統(tǒng),能夠在單一聲源驅(qū)動(dòng)下達(dá)到多點(diǎn)制冷的目的。
文檔編號(hào)F25B9/00GK1657842SQ20051004170
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者何雅玲, 劉迎文, 李常春, 黃競(jìng) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)