專利名稱：一種基于行駐波正交疊加聲場的電驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷機(jī)裝置，特別涉及一種利用行駐波正交疊加聲場特性的熱聲 制冷機(jī)裝置。
背景技術(shù)：
熱聲制冷機(jī)是利用熱聲效應(yīng)，利用聲波將熱量從低溫端泵送到高溫端。根據(jù)工作 聲場特性不同，熱聲熱機(jī)主要分為駐波型、行波型及行駐波混合型三種。由于駐波聲場中速 度波和壓力波相位差為代二 (2 + l)x90°,駐波聲場理論上沒有聲功輸出；另一方面，在駐波 熱聲熱機(jī)中熱聲轉(zhuǎn)化基于氣體同固體的不可逆熱接觸，氣體進(jìn)行的是不可逆熱力學(xué)循環(huán)， 所以熱聲熱機(jī)效率低。于是，1979年C印erley首次提出了行波型熱聲熱機(jī)的概念。行波聲 場中速度波和壓力波相位差為代= ><180°，熱聲轉(zhuǎn)化基于氣體同固體的可逆熱接觸。然而， C印erley研制的行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有實(shí)現(xiàn)聲功放大的功能。隨后，日本的Yazaki實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證了在行波通道中可以實(shí)現(xiàn)自維持震蕩，并驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)了行波熱聲制冷，但其 效率很低。Yazaki等人在研究中意識到了單環(huán)路型行波熱聲熱機(jī)由于板疊處聲阻抗低，工 作氣體振動(dòng)速度較大，造成了嚴(yán)重的粘性損失，限制了行波熱聲熱機(jī)效率的提高。1999年，Backhaus和Swift設(shè)計(jì)制作了一臺新型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，將行波熱聲發(fā) 動(dòng)機(jī)的效率提高到30%。該發(fā)動(dòng)機(jī)主要由行波通道和諧振管組成，通過合理設(shè)計(jì)環(huán)路管段 的結(jié)構(gòu)尺寸使回?zé)崞魈幱谛胁晥?，同時(shí)在行波回路中引入諧振管從而提高了回?zé)崞魈幍?聲阻抗。在此基礎(chǔ)上，使用其行波原理設(shè)計(jì)了熱聲制冷機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高效制冷。為了實(shí)現(xiàn)可逆熱聲轉(zhuǎn)換，眾多研究者一直追求高阻抗的行波相位。2009年康慧 芳對熱聲系統(tǒng)內(nèi)聲場分布特性展開了研究，指出在類駐波聲場中即可實(shí)現(xiàn)高阻抗行波相位 區(qū)，然而，過少的行波成分會(huì)使得行波相位區(qū)很窄，高效率區(qū)很窄，不能滿足熱聲核心元件 段的長度要求。在一維聲場中，可以通過增加行波成分的方法增加行波區(qū)長度，然而隨著行 波成分的增加，雖然行波相位區(qū)長度增加，但是行波相位區(qū)當(dāng)?shù)芈曌杩箿p小，熱聲轉(zhuǎn)換效率 降低。行波區(qū)長度和阻抗的相互制約關(guān)系，限制了熱聲制冷系統(tǒng)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于行駐波正交疊加聲場的熱聲制冷機(jī)，根據(jù)行波和 駐波聲場的疊加特性，改變傳統(tǒng)的駐波型熱聲熱機(jī)和行波型熱聲熱機(jī)的設(shè)計(jì)理念，采用正 交型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)行波聲場和駐波聲場正交疊加，解除單通道熱聲系統(tǒng)中行波區(qū)長度和阻 抗的制約關(guān)系，使得沿行波通道方向串聯(lián)的各級熱聲轉(zhuǎn)換單元均工作于高阻抗行波相位 區(qū)，提高級聯(lián)型熱聲制冷機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，增加聲功流密度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于行駐波正交疊加聲場的熱聲制冷機(jī)，包括第 一聲波調(diào)理器(1)、第二聲波調(diào)理器(7)、行波通道(2)、一個(gè)或多個(gè)駐波管(3)，所述駐波管 (3)與所述行波通道(2)垂直相交，在交匯處放置由室溫端冷卻器(4)、熱聲回?zé)崞?5)和 冷頭(6)依次相連組成的熱聲制冷單元(A)，第一聲波調(diào)理器(1)和第二聲波調(diào)理器(7)分別設(shè)置在行波通道(2)的兩端，通過第一聲波調(diào)理器(1)、第二聲波調(diào)理器(7)在行波通道 (2)內(nèi)調(diào)制出以行波成分為主的聲場；所述駐波管(3)提供的駐波成分與行波通道(2)提 供的行波成分在熱聲制冷單元(A)處正交疊加，在疊加處有效利用駐波成分的高阻抗特性 和行波成分的行波相位特性，使得所述熱聲制冷單元(A)工作于高阻抗行波相位區(qū)。本發(fā)明的基于行駐波正交疊加聲場的熱聲制冷機(jī)裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，其關(guān)鍵技 術(shù)在于根據(jù)行波和駐波聲場的疊加特性，改變傳統(tǒng)的駐波型熱聲熱機(jī)和行波型熱聲熱機(jī) 的設(shè)計(jì)理念，采用駐波管(3)與行波通道(2)垂直相交，在交匯處放置由室溫端冷卻器(4)、 熱聲回?zé)崞?5)和冷頭(6)依次相連組成的熱聲制冷單元(A)，正交型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在交叉點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)行波聲場和駐波聲場正交疊加，解除了單通道熱聲系統(tǒng)的行波區(qū)長度和阻抗的制約關(guān)系。本發(fā)明的基于行駐波正交疊加聲場的熱聲制冷機(jī)裝置具備如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的基于行駐波正交疊加聲場的熱聲制冷機(jī)裝置中，駐波管(3)提供的駐波 成分與行波通道(2)提供的行波成分在熱聲制冷單元(A)處正交疊加，熱聲制冷單元(A) 位于駐波管(3)中壓力波幅附近(即速度節(jié)點(diǎn)附近)，有效利用駐波成分的高阻抗特性和行 波成分的行波相位特性，使得各級熱聲制冷單元(A)均工作于高阻抗行波相位區(qū)，實(shí)現(xiàn)高 效熱聲轉(zhuǎn)換。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1_第一聲波調(diào)理器，2-行波通道，3-駐波管，4-室溫端冷卻器，5-熱聲回?zé)?器，6-冷頭，7-第二聲波調(diào)理器，8-第三聲波調(diào)理器，9-第四聲波調(diào)理器，A-由室溫端冷卻 器4、熱聲回?zé)崞?和冷頭6依次相連組成的熱聲制冷單元。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明實(shí)施例1本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括第一聲波調(diào)理器1、行波通道2、兩個(gè)駐波管 3、兩個(gè)室溫端冷卻器4、兩個(gè)熱聲回?zé)崞?、兩個(gè)冷頭6、第二聲波調(diào)理器7。第一聲波調(diào)理 器1和第二聲波調(diào)理器7分別設(shè)置在行波通道2的兩端，通過調(diào)整第一聲波調(diào)理器1和第 二聲波調(diào)理器7在行波通道內(nèi)調(diào)制出以行波成分為主的聲場；每個(gè)駐波管3與行波通道2 垂直相交，在交匯處放置由室溫端冷卻器2、熱聲回?zé)崞?和冷頭4依次相連組成的熱聲制 冷單元A。駐波管3提供的駐波成分與行波通道2提供的行波成分在熱聲制冷單元A處正交 疊加，熱聲制冷單元A位于駐波管3中壓力波幅附近(即速度節(jié)點(diǎn)附近)，有效利用駐波成 分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各級熱聲制冷單元A均工作于高阻抗行 波相位區(qū)，實(shí)現(xiàn)高效熱聲轉(zhuǎn)換，同時(shí)提高聲功流密度。駐波管3與行波通道2中聲波振蕩頻率相同。
熱聲回?zé)崞?的溫度梯度方向(即由低溫端指向高溫端的方向)與行波通道2中 聲功傳播方向相反。駐波管3為半波長管，即駐波管3的長度為駐波管中聲波波長的1/2。第一聲波調(diào)理器1和第二聲波調(diào)理器7可以為線性壓縮機(jī)、揚(yáng)聲器、壓電片和移動(dòng)
活塞等。使用氦氣作為工作介質(zhì)。實(shí)施例2本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括第一聲波調(diào)理器1、行波通道2、一個(gè)駐波管 3、一個(gè)室溫端冷卻器4、一個(gè)熱聲回?zé)崞?、一個(gè)冷頭6、第二聲波調(diào)理器7、第三聲波調(diào)理器 8、第四聲波調(diào)理器9。通過調(diào)整第一聲波調(diào)理器1和第二聲波調(diào)理器7在行波通道內(nèi)調(diào)制 出以行波成分為主的聲場；通過調(diào)整第三聲波調(diào)理器8和第四聲波調(diào)理器9在駐波管內(nèi)調(diào) 制出以駐波成分為主的聲場；駐波管3與行波通道2垂直相交，在交匯處放置由室溫端冷卻 器2、熱聲回?zé)崞?和冷頭4依次相連組成的熱聲制冷單元A。本實(shí)施例中，駐波管3提供的駐波成分與行波通道2提供的行波成分在熱聲制冷 單元A處正交疊加，在疊加處有效利用駐波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特 性，使得各級熱聲制冷單元A均工作于高阻抗行波相位區(qū)，實(shí)現(xiàn)高效熱聲轉(zhuǎn)換。熱聲制冷單元A位于駐波管3中壓力波幅附近(即速度節(jié)點(diǎn)附近)。駐波管3與行波通道2中聲波振蕩頻率相同。熱聲回?zé)崞?的溫度梯度方向與行波通道2中聲功傳播方向相反。第一聲波調(diào)理器1、第二聲波調(diào)理器7、第三聲波調(diào)理器8、第四聲波調(diào)理器9可以 為線性壓縮機(jī)、揚(yáng)聲器、壓電片和移動(dòng)活塞等。使用氦氣與氬氣1 1混合氣體作為工作介質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種基于行駐波正交疊加聲場的熱聲制冷機(jī)，包括第一聲波調(diào)理器(1)、第二聲波 調(diào)理器(7)、行波通道O)、一個(gè)或多個(gè)駐波管(3)，其特征在于所述駐波管C3)與所述行 波通道( 垂直相交，在交匯處放置由室溫端冷卻器G)、熱聲回?zé)崞? 和冷頭(6)依次 相連組成的熱聲制冷單元(A)，第一聲波調(diào)理器(1)和第二聲波調(diào)理器(7)分別設(shè)置在行波 通道⑵的兩端，通過第一聲波調(diào)理器(1)、第二聲波調(diào)理器(7)在行波通道(2)內(nèi)調(diào)制出 以行波成分為主的聲場；所述駐波管C3)提供的駐波成分與行波通道( 提供的行波成分 在熱聲制冷單元(A)處正交疊加，在疊加處利用駐波成分的高阻抗特性和行波成分的行波 相位特性，使得所述熱聲制冷單元(A)工作于高阻抗行波相位區(qū)。
2.一種基于行駐波正交疊加聲場的熱聲制冷機(jī)，包括第一聲波調(diào)理器(1)、第二聲波 調(diào)理器(7)、第三聲波調(diào)理器(8)、第四聲波調(diào)理器(9)、行波通道( 、駐波管(3)，其特征在 于所述駐波管C3)與所述行波通道( 垂直相交，在交匯處放置由室溫端冷卻器、熱 聲回?zé)崞? 和冷頭(6)依次相連組成的熱聲制冷單元(A)，第一聲波調(diào)理器(1)和第二聲 波調(diào)理器(7)分別設(shè)置在行波通道O)的兩端，通過第一聲波調(diào)理器(1)、第二聲波調(diào)理器 (7)在行波通道( 內(nèi)調(diào)制出以行波成分為主的聲場，第三聲波調(diào)理器(8)和第四聲波調(diào)理 器(9)位于駐波管(3)的兩端，通過第三聲波調(diào)理器(8)和第四聲波調(diào)理器(9)在駐波管 (3)內(nèi)調(diào)制出以駐波成分為主的聲場；所述駐波管C3)提供的駐波成分與行波通道(2)提 供的行波成分在熱聲制冷單元(A)處正交疊加，在疊加處利用駐波成分的高阻抗特性和行 波成分的行波相位特性，使得所述熱聲制冷單元(A)工作于高阻抗行波相位區(qū)。
3.如權(quán)利要求書1或2所述的熱聲制冷機(jī)，其特征在于所述熱聲制冷單元(A)位于 駐波管(3)中壓力波幅附近。
4.如權(quán)利要求書1或2所述的熱聲制冷機(jī)，其特征在于所述駐波管(3)與行波通道 (2)中聲波振蕩頻率相同。
5.如權(quán)利要求書1或2所述的熱聲制冷機(jī)，其特征在于所述熱聲回?zé)崞?3)的溫度 梯度方向與行波通道O)中聲功傳播方向相反，所述溫度梯度方向是指由低溫端指向高溫 端的方向。
6.如權(quán)利要求書1或2所述的熱聲制冷機(jī)，其特征在于所述的駐波管(3)為1/4波 長管、半波長管或全波長管。
7.如權(quán)利要求書1所述的熱聲制冷機(jī)，其特征在于所述的第一聲波調(diào)理器(1)和第 二聲波調(diào)理器(7)為直線壓縮機(jī)、揚(yáng)聲器、壓電片或移動(dòng)活塞等。
8.如權(quán)利要求書2所述的熱聲制冷機(jī)，其特征在于所述的第一聲波調(diào)理器(1)和第 二聲波調(diào)理器(7)、第三聲波調(diào)理器(8)和第四聲波調(diào)理器(9)為直線壓縮機(jī)、揚(yáng)聲器、壓電 片或移動(dòng)活塞等。
9.如權(quán)利要求書1或2所述的熱聲制冷機(jī)，其特征在于使用氦氣、氬氣、氖氣、氪氣、 二氧化碳、氬氣或氫氣中的一種或者多種氣體組成的混合氣體作為工作介質(zhì)。
全文摘要
一種基于行駐波正交疊加聲場的熱聲制冷機(jī)，包括第一聲波調(diào)理器(1)、第二聲波調(diào)理器(7)、行波通道(2)、一個(gè)或多個(gè)駐波管(3)，所述駐波管(3)與所述行波通道(2)垂直相交，在交匯處放置由室溫端冷卻器(4)、熱聲回?zé)崞?5)和冷頭(6)依次相連組成的熱聲制冷單元(A)。駐波管(3)提供的駐波成分與行波通道(2)提供的行波成分在熱聲制冷單元(A)處正交疊加，熱聲制冷單元(A)位于駐波管(3)中壓力波幅附近(即速度節(jié)點(diǎn)附近)，有效利用駐波成分的高阻抗特性和行波成分的行波相位特性，使得各級熱聲制冷單元(A)均工作于高阻抗行波相位區(qū)，實(shí)現(xiàn)高效熱聲轉(zhuǎn)換。
文檔編號F25B23/00GK102095278SQ20111002500
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者康慧芳, 鄭宏飛 申請人:北京理工大學(xué)