專利名稱：無運動部件的熱驅(qū)動熱聲制冷機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種類型的新型制冷機裝置，特別涉及一種由熱能驅(qū)動的熱聲制冷機裝置。這種制冷機利用熱聲效應(yīng)中的熱致聲作用將高溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)換為聲能，利用熱聲效應(yīng)中的聲制冷作用，消耗聲能將低溫?zé)嵩吹臒崃勘盟偷江h(huán)境溫度的熱源，即制冷，而不需要運動的機械部件。
目前，已知的熱驅(qū)動的熱聲制冷機如美國專利4,114,380(Ceperley 9/1978)所描述，這種熱驅(qū)動的熱聲制冷裝置僅利用聲場的行波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)工作，但這是一種全波長(L≈λ，λ為聲波長)的熱聲制冷機，其聲路的阻抗不易匹配而實現(xiàn)困難，至今并未見到實施應(yīng)用的報道。又如美國專利4,858,441(Wheatley 8/1989)所描述，這種半波長的熱驅(qū)動熱聲制冷裝置僅利用聲場的駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)工作，而駐波產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)完全依賴于工作介質(zhì)的不可逆性，其產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)的強度和有效能量的轉(zhuǎn)換和利用率較低，從而使得它們的使用受到限制。
本發(fā)明是在系統(tǒng)研究熱聲效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出一種新的方法、流程和設(shè)計，能克服或減少以往熱驅(qū)動的熱聲制冷機的缺點，提高熱聲效應(yīng)的強度和有效能量的轉(zhuǎn)換和利用率。
本發(fā)明提供一類新型的利用熱聲效應(yīng)的熱驅(qū)動制冷機裝置，其能源使用熱能，熱能在熱聲發(fā)動機部分被轉(zhuǎn)換為聲能，并直接利用此聲能在熱聲制冷機部分制冷。熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機部分的聲場分別采用半波諧振聲場(L≈1/2λ)或近諧振聲場(1/4λ＜L＜1/2λ)的設(shè)計，它們分別同時利用聲場的行波和駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)中的熱致聲作用和聲制冷作用工作，消耗高溫?zé)嵩刺峁┑臒崮?，將低溫?zé)嵩吹臒崃枯斔偷江h(huán)境，實現(xiàn)制冷，而不需要任何運動的機械部件為了闡明本發(fā)明的思想，以下對熱聲效應(yīng)進(jìn)行必要的說明。
熱聲效應(yīng)是指可壓縮的具有熱膨脹性的流體工作介質(zhì)，與具有較大熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)的固體工作介質(zhì)之間，由于流體相對固體的聲振蕩和產(chǎn)生熱相互作用，導(dǎo)致的時均熱力學(xué)能量效應(yīng)。
按固體外壁面與外熱源的熱接觸方式來劃分，熱聲效應(yīng)可分為等溫壁熱聲效應(yīng)，絕熱壁熱聲效應(yīng)，和一般情形熱聲效應(yīng)三種情形。
等溫壁熱聲效應(yīng)是指固體工作介質(zhì)的外壁面與外熱源理想熱接觸時，由于理想熱接觸的結(jié)果，固體和流體的平均溫度在任一截面不變，且與外熱源溫度相同，這時出現(xiàn)工作介質(zhì)和外部熱源間的橫向熱量交換的時均能量效應(yīng)。等溫壁熱聲效應(yīng)的特點是1.在低聲導(dǎo)率比的區(qū)域(聲導(dǎo)率比是當(dāng)?shù)亓黧w密度、聲速、速度波動振幅三項乘積與壓力波動振幅的比值)，工作介質(zhì)向外熱源放出熱量，2.在高聲導(dǎo)率比的區(qū)域，如果流體工作介質(zhì)的普朗特數(shù)(粘性系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)的比值)足夠小，工作介質(zhì)由外熱源吸取熱量，3.在工作介質(zhì)和聲導(dǎo)率比一定時，等溫壁熱聲效應(yīng)的強度和效率與聲流道寬度與流體的熱穿透深度的比值有關(guān)，當(dāng)聲流道當(dāng)量尺度與流體的熱穿透深度相當(dāng)時較好。
絕熱壁熱聲效應(yīng)是指固體工作介質(zhì)的外壁面與外熱源理想熱絕緣時，由于理想熱絕緣的結(jié)果，總能量流(總能量流是焓流與熱傳導(dǎo)熱流之和，也等于熱流與聲功流之和)將維持不變，這時出現(xiàn)熱能和聲能的相互轉(zhuǎn)換的時均能量效應(yīng)。熱致聲時，熱能被轉(zhuǎn)換為聲能，同時熱流由高溫端流向環(huán)境溫度端；制冷時，聲能被消耗并轉(zhuǎn)換為熱能，同時熱流由低溫端泵送到環(huán)境溫度端。
當(dāng)固體工作介質(zhì)的外壁面與外熱源處于有限熱接觸時發(fā)生一般情形的熱聲效應(yīng)。等溫壁熱聲效應(yīng)和絕熱壁熱聲效應(yīng)是一般情形熱聲效應(yīng)的兩個極限情形。
任一聲場可視為聲場的駐波部分和行波部分之和，絕熱壁熱聲效應(yīng)中，聲場的駐波部分產(chǎn)生的效應(yīng)有以下特點1.產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)強度較低；2.熱流方向總是由高聲導(dǎo)率比的區(qū)域流向低聲導(dǎo)率比的區(qū)域；3.當(dāng)高溫端在高聲導(dǎo)率比的區(qū)域，低溫端在低聲導(dǎo)率的區(qū)域，在承受較大的溫度梯度時，產(chǎn)生熱致聲效應(yīng)，這時熱流方向由高溫端流向低溫端，部分熱能轉(zhuǎn)換為聲能，聲功流的方向可由高溫端流向低溫端，也可由低溫端流向高溫端。4.當(dāng)?shù)蜏囟嗽诟呗晫?dǎo)率比的區(qū)域，高溫端在低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，在承受較小的溫度梯度時產(chǎn)生制冷效應(yīng)。熱流方向由低溫端流向高溫端，聲能除部分用于克服工作介質(zhì)的不可逆耗散外，一部分還被用于泵熱。聲功流的方向可由低溫端流向高溫端，也可由高溫端流向低溫端；5.當(dāng)溫度梯度一定時，駐波產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)的強度和效率當(dāng)聲流道當(dāng)量尺度約為流體的熱穿透深度時最大。這時流體工作介質(zhì)與固體工作介質(zhì)有中等程度的熱接觸，熱聲效應(yīng)依靠工作介質(zhì)的有限熱力學(xué)不可逆性工作。對完全可逆或完全不可逆的工作介質(zhì)，聲場的駐波部分均不能產(chǎn)生熱聲效應(yīng)。
聲場的行波部分產(chǎn)生的效應(yīng)有以下特點1.產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)強度較高(對同樣的壓力和速度振幅的聲波，可達(dá)的能流密度約為駐波可達(dá)到的兩倍)；2.熱流方向總是與聲功流的方向(行波傳播的方向)相反。且理想情況下當(dāng)工作介質(zhì)完全可逆時熱流與功流大小相等，當(dāng)工作介質(zhì)存在熱力學(xué)不可逆性時熱流小于與功流；3.當(dāng)高溫端在高聲導(dǎo)率比的區(qū)域，低溫端在低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，在承受較大的溫度梯度時，熱流方向由高溫端流向低溫端，產(chǎn)生熱致聲效應(yīng)，部分熱能轉(zhuǎn)換為聲能，而聲功流方向由低溫端流向高溫端；4.當(dāng)?shù)蜏囟嗽诟呗晫?dǎo)率比的區(qū)域，高溫端在低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，在承受較小的溫度梯度和聲功流方向由高溫端流向低溫端時時產(chǎn)生聲制冷效應(yīng)，熱流方向由低溫端流向高溫端，部分聲能被消耗轉(zhuǎn)換為熱能；5.在溫度梯度一定時，聲場的行波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)的強度和效率當(dāng)聲流道的當(dāng)量尺度與熱穿透深度相比較小而又不引起較大的粘性耗散時最大。這時流體工作介質(zhì)與固體工作介質(zhì)有較好的熱接觸，熱聲效應(yīng)依靠工作介質(zhì)的熱力學(xué)可逆性工作。對完全可逆的工作介質(zhì)，行波產(chǎn)生的泵熱效應(yīng)的強度和能量轉(zhuǎn)換利用的效率最高。
產(chǎn)生熱聲效應(yīng)的工作介質(zhì)應(yīng)是具有較高熱膨脹度、較低普朗特數(shù)的可壓縮的流體介質(zhì)和與流體介質(zhì)相比具有較大熱容量的固體介質(zhì)。特別對流體介質(zhì)，在高、低溫溫差較大，而對能量流密度要求又較低的場合(如制冷溫度較低和較小的制冷功率的熱聲制冷機)，可采用分子式簡單、分子量較小的氣體(如氦氣、氫氣、氮氣等)；在高、低溫溫差較小，而又對能量流密度要求較大的場合(如要求獲得不太低的制冷溫度和較大的制冷功率的熱聲制冷機)，可用較高工作壓力的分子式較簡單的氣體(如氦氣、氮氣、二氧化碳等氣體)或采用臨界溫度在環(huán)境溫度附近的簡單分子式的近臨界流體(如室溫附近可采用二氧化碳，丙烯等，但工作壓力應(yīng)在臨界壓力附近)。
本發(fā)明是采用以下幾種基本的聲學(xué)和熱聲部件來實現(xiàn)的。這些部件各具有不同的功能，在熱驅(qū)動的熱聲制冷機中完成熱能提供、熱能和聲能的轉(zhuǎn)換和輸運、聲阻抗的匹配和調(diào)節(jié)等功能。這些基本部件是1.熱聲換熱器。熱聲換熱器是利用等溫壁熱聲效應(yīng)實現(xiàn)熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機與外熱源的熱量交換的部件。放置于熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機聲場中高聲導(dǎo)率比區(qū)域的熱聲換熱器由外熱源吸熱，稱熱聲吸熱器，放置于熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機聲場中低聲導(dǎo)率比區(qū)域的熱聲換熱器向外熱源放熱，稱熱聲放熱器。熱聲換熱器的結(jié)構(gòu)可以是采用導(dǎo)熱性良好的固體平板(如金屬板)的疊層結(jié)構(gòu)，板與板之間形成聲流道；也可以采用固體圓管組或整塊固體中加工出聲通道的結(jié)構(gòu)，還可以采用金屬絲網(wǎng)的堆疊形成多孔性聲流道或使用其它類型的固體多孔材料。熱聲換熱器中，聲流道的形狀可以是多種多樣，如矩形、圓或橢圓性、三角形、菱形、六角形等，但聲流道當(dāng)量尺度應(yīng)與流體的熱穿透深度相當(dāng)。熱聲換熱器的固體介質(zhì)應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性，而固體介質(zhì)的外壁應(yīng)與外熱源有良好的熱接觸，以使整個換熱器的溫度盡量處于等溫狀態(tài)。換熱器的長度與聲波長相比應(yīng)較小，以避免同一換熱器越出高聲導(dǎo)率比區(qū)域或低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，使得吸熱或放熱效應(yīng)被削減或抵消。
2.、熱聲回?zé)崞鳌崧暬責(zé)崞魇抢媒^熱壁熱聲效應(yīng)實現(xiàn)熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機的熱致聲作用和聲制冷作用，即聲能與熱能的轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。它放置于熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機聲場中適當(dāng)位置，消耗熱能其部分轉(zhuǎn)換為聲能實現(xiàn)熱致聲，和消耗聲功將熱量由低溫端輸送到高溫端實現(xiàn)制冷。熱聲回?zé)崞鞯脑O(shè)計應(yīng)使其兩端的聲導(dǎo)率比適當(dāng)，以便能量轉(zhuǎn)換得以順利進(jìn)行，且與熱聲換熱器能協(xié)調(diào)工作。熱聲回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)可以是固體薄板(如金屬板)的疊層結(jié)構(gòu)，板與板之間形成聲流道；也可以采用金屬絲網(wǎng)的堆疊形成多孔性聲流道或其它類型的固體多孔材料。熱聲回?zé)崞髦?，聲流道的形狀可以是多種多樣或同一回?zé)崞髦胁捎枚喾N形狀的組合。但聲流道的當(dāng)量尺度應(yīng)約為當(dāng)?shù)亓黧w的熱穿透深度(在駐波聲場占主要部分的區(qū)域)，或遠(yuǎn)小于流體的熱穿透深度(在行波聲場占主要部分的區(qū)域)，或為一小于流體熱穿透深度的適當(dāng)值(在駐波和行波聲場均占相當(dāng)份額的區(qū)域)。熱聲回?zé)崞骺梢允侵惫?，也可以采用從高溫端向低溫端收縮的變截面管，如喇叭形連續(xù)收縮，或梯形階梯式收縮。熱聲回?zé)崞鞯墓腆w介質(zhì)應(yīng)有較好的橫向(垂直于聲傳播方向)導(dǎo)熱性和較差的縱向(沿聲傳播方向)導(dǎo)熱性(這可用縱向布置的疊層結(jié)構(gòu)實現(xiàn))，以使整個回?zé)崞髟谕唤孛娴臏囟缺M量相同，而又不會由于熱傳導(dǎo)造成較大的由回?zé)崞鞲邷囟说降蜏囟说目v向熱流損失?；?zé)崞髟谕唤孛嫔瞎腆w介質(zhì)的熱容應(yīng)遠(yuǎn)大于流體介質(zhì)的熱容，固體介質(zhì)與流體介質(zhì)的熱接觸面積應(yīng)較大以避免不完善的熱接觸而使熱聲效應(yīng)不充分和導(dǎo)致不必要的熱力學(xué)不可逆損失。熱聲回?zé)崞髋c外熱源應(yīng)有良好的熱絕緣，以避免向環(huán)境的漏熱和產(chǎn)生額外的熱力學(xué)不可逆損失。
3.熱聲諧振管。熱聲諧振管是一段外壁面絕熱的兩端分別與高、低溫端相連的固體管道，它的兩端視情形可設(shè)有高、低溫?zé)崧晸Q熱器，以維持兩端溫度恒定。它的主要作用是通過管道長度在系統(tǒng)中的匹配，在熱聲發(fā)動機系統(tǒng)和熱聲制冷機系統(tǒng)中分別產(chǎn)生半波諧振或近諧振聲場，并連接工作于高溫段和低溫段的任意兩個熱聲部件，而又不會導(dǎo)致較大的由高溫端到低溫端的熱流損失和聲功流的衰減。熱聲諧振管的兩端聲導(dǎo)率比最好跨越高聲導(dǎo)率比和低聲導(dǎo)率比的區(qū)域。熱聲諧振管應(yīng)采用導(dǎo)熱性較差的管道，如薄壁金屬管或非金屬管，或外壁面為金屬內(nèi)壁面為非金屬的復(fù)合型薄壁管道。熱聲諧振管的截面形狀可以多種多樣，但其聲流道當(dāng)量尺度應(yīng)大于或遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)亓黧w的熱穿透深度，以避免由于固體熱傳導(dǎo)和熱聲效應(yīng)產(chǎn)生從高溫端向低溫端的熱流損失，但也不能太大以使得整個系統(tǒng)的工作容積太大，能量密度太低。熱聲諧振管沿縱向方向可采用直管，也可以采用從低溫端向高溫端擴張的變截面管，如喇叭形連續(xù)擴張，或梯形階梯式擴張。熱聲諧振管的管內(nèi)可以填充或部分填充或不填充熱聲回?zé)岵牧?，以改善熱聲諧振管的軸向溫度分布。熱聲諧振管的外壁面與外熱源應(yīng)盡量熱絕緣，以避免熱損失。熱聲諧振管的兩端可設(shè)置(也可不設(shè)置)層流化元件，使熱聲諧振管管內(nèi)的流動盡量接近于層流，降低或消除紊流混合損失。
4.聲波導(dǎo)管。聲波導(dǎo)管是一段或一組工作于相同或相近溫度的固體管道。它的作用主要是用于連接熱聲熱機中處于同樣溫度區(qū)域的兩端傳播聲振蕩，或用以形成聲回路(聲反饋調(diào)節(jié)回路)，或用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固有頻率。
5.聲阻抗調(diào)節(jié)器。聲阻抗調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)和匹配聲阻抗的部件，用它可在熱聲熱機中適當(dāng)位置調(diào)節(jié)和匹配當(dāng)?shù)氐穆曊袷?速度與壓力波動)的大小和相位。在聲路中有三種阻抗類型，聲阻、聲容和聲感，所以聲阻抗調(diào)節(jié)器也有三種基本類型。聲阻調(diào)節(jié)器(或聲阻尼調(diào)節(jié)器)可以是一小段細(xì)孔管或一小段多孔介質(zhì)或一個小孔調(diào)節(jié)閥門或其組合。聲容抗調(diào)節(jié)器是在聲通道上連接一個較大的空腔。而聲感抗調(diào)節(jié)器一般是聲通道上連接一段細(xì)長的管道。實際使用時可將這三種基本的調(diào)節(jié)器單獨或通過并聯(lián)、串聯(lián)等方式組合使用，以在聲路中特定位置獲得所需的聲振蕩，調(diào)節(jié)一定位置聲場的振幅和相位。
本發(fā)明所指的熱驅(qū)動的熱聲制冷機是由以上幾種基本的聲學(xué)和熱聲部件構(gòu)成。
采用上述設(shè)計，可以較大地提高熱聲制冷機的制冷能力，降低各種熱流損失和有用能的損耗，提高熱聲制冷機的效率。更由于采用了靈活的設(shè)計，根據(jù)情形我們可以選擇不同形式、不同特點的部件的組合，這樣可以滿足不同場合的需要。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明所指的熱驅(qū)動的熱聲制冷機裝置的布置和工作過程所較為詳細(xì)的說明。


圖1是采用熱驅(qū)動的新型熱聲制冷機的結(jié)構(gòu)圖。圖中箭頭所指是聲功流的方向。
參見圖1的熱驅(qū)動的熱聲制冷機，它也可看成是的熱聲發(fā)動機1與熱聲制冷機2的組合，這時熱聲發(fā)動機輸出的聲能直接用于驅(qū)動熱聲制冷機。熱聲發(fā)動機1的高溫?zé)崧曃鼰崞?從外部高溫?zé)嵩次諢崃?，這個熱量的一部分在發(fā)動機熱聲回?zé)崞?中轉(zhuǎn)化為聲能，另一部分由發(fā)動機熱聲放熱器3向環(huán)境熱源放出。工作于高溫端的聲波導(dǎo)管6實現(xiàn)高溫?zé)崧曃鼰崞?與發(fā)動機熱聲諧振管7的連接，發(fā)動機熱聲諧振管7用于將聲波由高溫端傳播到環(huán)境溫度端。處于環(huán)境溫度的聲波導(dǎo)管8用于連接發(fā)動機熱聲諧振管7的環(huán)境溫度端和工作于環(huán)境溫度的制冷機熱聲放熱器9。制冷機熱聲回?zé)崞?0消耗部分聲功，使得制冷機低溫?zé)崧曃鼰崞?1由外部低溫?zé)嵩次盏臒崃亢捅幌牡穆暪D(zhuǎn)化來的熱量一起從低溫端泵送到室溫端，并由制冷機熱聲放熱器9向環(huán)境放出。工作于低溫端的聲波導(dǎo)管12實現(xiàn)低溫?zé)崧曃鼰崞?1與制冷機熱聲諧振管13的連接。制冷機熱聲諧振管13用于將聲波動由低溫端傳播到環(huán)境溫度端。工作于環(huán)境溫度的聲波導(dǎo)管14用于制冷機熱聲諧振管13的環(huán)境溫度端和工作于環(huán)境溫度的發(fā)動機熱聲放熱器3。帶有聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管15同時用于形成熱聲發(fā)動機1和熱聲制冷機2的聲波主反饋調(diào)節(jié)回路，以調(diào)節(jié)發(fā)動機熱聲回?zé)崞?、制冷機熱聲回?zé)崞?0中聲場的行波和駐波分量和匹配聲場的阻抗，使得各個熱聲部件工作在良好狀態(tài)。熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機的聲波回路的長度各應(yīng)約等于聲波的半波長或大于聲波的四分之一波長和小于聲波的半波長，以保證在熱聲發(fā)動機回?zé)崞髦校晥龅膲毫Σ▌拥南辔宦浜笥谒俣炔▌拥南辔?，聲場的行波部分和駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)均是產(chǎn)生熱致聲效應(yīng)，即將熱能轉(zhuǎn)換為聲能；在熱聲制冷機回?zé)崞髦?，聲場的壓力波動的相位超前于速度波動的相位，聲場的行波部分和駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)均是產(chǎn)生聲致冷效應(yīng)，即將利用聲能泵熱。而阻抗的選擇應(yīng)按使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管或?qū)Ч芙M16用于發(fā)動機熱聲回?zé)崞?與發(fā)動機熱聲諧振管7中間位置的連接，形成發(fā)動機端一路或多路聲波的次反饋調(diào)節(jié)回路，以使得發(fā)動機熱聲回?zé)崞鞯墓ぷ餍实玫阶罴训陌l(fā)揮。帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管或?qū)Ч芙M17用于制冷機熱聲回?zé)崞?0與制冷機熱聲諧振管13中間位置的連接，形成制冷機端一路或多路聲波的次反饋回路，以使得制冷機熱聲回?zé)崞鞯墓ぷ餍实玫阶罴训陌l(fā)揮。
以上所指的熱聲發(fā)動機部分和熱聲制冷機部分在同樣溫區(qū)工作的熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管可以制作成同軸結(jié)構(gòu)，以增加裝置的緊湊性。
權(quán)利要求
1.一種熱驅(qū)動的熱聲制冷機裝置，它可視為一個熱聲發(fā)動機和一個熱聲制冷機組合而成，它利用振蕩的可壓縮流體(聲)介質(zhì)與固體介質(zhì)之間熱相互作用產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)工作，其中熱聲發(fā)動機部分利用熱聲效應(yīng)中的熱致聲作用將高溫?zé)嵩吹臒崃坎糠洲D(zhuǎn)換為聲能，聲能被直接用于驅(qū)動熱聲制冷機，熱聲制冷機部分熱聲效應(yīng)中的聲致冷作用將低溫?zé)嵩吹臒崃枯斔偷江h(huán)境熱源；熱聲發(fā)動機部分由環(huán)境溫度熱聲放熱器、發(fā)動機熱聲回?zé)崞?、高溫?zé)崧曃鼰崞?、高溫聲波?dǎo)管、發(fā)動機熱聲諧振管、環(huán)境溫度聲波導(dǎo)管、帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管或?qū)Ч芙M組成的聲波反饋調(diào)節(jié)回路等聲學(xué)和熱聲部件組成；熱聲制冷機部分由環(huán)境溫度熱聲放熱器、制冷機熱聲回?zé)崞?、低溫?zé)崧曃鼰崞鳌⒌蜏芈暡▽?dǎo)管、制冷機熱聲諧振管、室溫聲波導(dǎo)管、聲吸收器、帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管或?qū)Ч芙M組成的聲波反饋調(diào)節(jié)回路等部件組成；熱聲發(fā)動機部分和熱聲制冷機部分共用一個由帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管構(gòu)成的聲波的主反饋調(diào)節(jié)回路；其主要特征是，熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機中的聲場是均是半波諧振或半波近諧振聲場，各回路的長度約為聲波的半波長或大于四分之一波長和小于半波長；在熱聲發(fā)動機回?zé)崞髦校ぷ髁黧w速度波動的相位超前于壓力波動的相位，聲場的行波部分和駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)均是熱致聲效應(yīng)；在熱聲制冷機回?zé)崞髦?，工作流體壓力波動的相位超前于速度波動的相位，聲場的行波部分和駐波部分產(chǎn)生的熱聲效應(yīng)均是泵熱效應(yīng)；發(fā)動機熱聲諧振管的兩端分別處于高溫和環(huán)境溫度，制冷機熱聲諧振管的兩端分別處于環(huán)境溫度和低溫(制冷溫度)；發(fā)動機熱聲回?zé)崞鳟a(chǎn)生的聲能流的一部分由聲波的主反饋調(diào)節(jié)回路反饋給發(fā)動機熱聲回?zé)崞?，形成一個貫穿整個熱聲回?zé)崞鞯穆暷芰?行波)；制冷機由熱聲發(fā)動機部分提供的聲能流一部分提供給熱聲回?zé)崞饔糜诒脽?，一部分通過熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管傳播到熱聲發(fā)動機部分，形成一個穿透整個制冷機的聲能流(行波)；熱聲發(fā)動機與熱聲制冷機部分共用的聲波的主反饋調(diào)節(jié)回路連接在發(fā)動機與制冷機共用的兩個環(huán)境溫度聲波導(dǎo)管之間，聲波的次反饋調(diào)節(jié)回路分別連接在發(fā)動機和制冷機的熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管之間。
2.按權(quán)利要求1所述的熱驅(qū)動的熱聲制冷機，其特征是其發(fā)動機和制冷機部分的聲波導(dǎo)管、熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管由金屬管或非金屬管制作，其軸線的布置形狀可以分別是直線形、U形、彎曲形或部分彎曲形；熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管之間的相對位置可以為同軸和非同軸布置。
3.按權(quán)利要求1所述的熱驅(qū)動的熱聲制冷機，其特征是其發(fā)動機和制冷機部分的熱聲回?zé)崞鞯膬?nèi)部結(jié)構(gòu)可以是固體薄板(如金屬薄板)的疊層結(jié)構(gòu)，板與板之間形成聲流道；也可以是采用金屬絲網(wǎng)的堆疊形成多孔性聲流道或其它類型的固體多孔材料(如顆粒材料)；回?zé)崞髦?，聲流道的形狀可以是多種多樣或同一回?zé)崞髦胁捎枚喾N形狀的組合；熱聲回?zé)崞骺梢允侵惫?，也可以采用從低溫端向高溫端擴張的變截面管，如喇叭形連續(xù)擴張，或梯形階梯式擴張；熱聲回?zé)崞髋c外熱源應(yīng)有良好的熱絕緣。
4.按權(quán)利要求1所述的熱驅(qū)動的熱聲制冷機，其特征是其發(fā)動機和制冷機部分的熱聲諧振管是一段與外界有良好絕熱的，兩端分別與一端為高溫端(對發(fā)動機)或為低溫端(對制冷機)，另一端為環(huán)境溫度端相連的固體管道，它的兩端視情形可設(shè)有高、低溫?zé)崧晸Q熱器，以維持兩端溫度恒定；熱聲諧振管應(yīng)采用軸向?qū)嵝暂^差的管道，如薄壁金屬管或非金屬管，或外壁面為金屬內(nèi)壁面為非金屬的復(fù)合型薄壁管道；熱聲諧振管的截面形狀可以多種多樣，沿軸向方向可采用直管，也可以采用從高溫端向低溫端收縮的變截面管，如喇叭形連續(xù)收縮，或梯形階梯式收縮；熱聲諧振管的管內(nèi)可以填充或部分填充或不填充熱聲回?zé)岵牧希愿纳茻崧曋C振管的軸向溫度分布；熱聲諧振管的兩端可設(shè)置，也可不設(shè)置層流化元件，使熱聲諧振管管內(nèi)的流動盡量接近于層流，降低或消除紊流損失。
5.按權(quán)利要求1所述的熱驅(qū)動的熱聲制冷機，其特征是熱聲換熱器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可以是采用導(dǎo)熱性良好的固體平板(如金屬板)的疊層結(jié)構(gòu)，板與板之間形成聲流道；也可以采用固體圓管組或整塊固體中加工出聲通道的結(jié)構(gòu)，還可以采用金屬絲網(wǎng)的堆疊形成多孔性聲流道或使用其它類型的固體多孔材料；熱聲換熱器中，聲流道的形狀可以是多種多樣，如矩形、圓或橢圓性、三角形、菱形、六角形等；熱聲換熱器的固體介質(zhì)應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性，而固體介質(zhì)的外壁應(yīng)與外熱源有良好的熱接觸，以使整個換熱器的溫度盡量處于等溫狀態(tài)；換熱器的長度與聲波長相比應(yīng)較小，以避免同一換熱器越出高聲導(dǎo)率比區(qū)域或低聲導(dǎo)率比的區(qū)域，使得吸熱或放熱效應(yīng)被削減或抵消。
6.按權(quán)利要求1所述的熱驅(qū)動的熱聲制冷機，其特征是聲阻抗調(diào)節(jié)器有三種基本類型，即聲阻、聲容和聲感調(diào)節(jié)器。聲阻調(diào)節(jié)器(或聲阻尼調(diào)節(jié)器)可以是一小段細(xì)孔管或一小段多孔介質(zhì)或一個小孔調(diào)節(jié)閥門(針閥)或其組合；聲容抗調(diào)節(jié)器是在聲通道上連接一個較大的空腔；而聲感抗調(diào)節(jié)器一般是聲通道上連接一段細(xì)長的管道。實際使用時可將這三種基本的調(diào)節(jié)器單獨或通過并聯(lián)、串聯(lián)等方式組合使用，以在聲路中特定位置獲得所需的聲振蕩，調(diào)節(jié)一定位置聲場的振幅和相位。
7.按權(quán)利要求1所述的熱驅(qū)動的熱聲制冷機，其特征是其發(fā)動機和制冷機部分共用一個聲波的主反饋調(diào)節(jié)回路，它連接在發(fā)動機與制冷機共用的兩個環(huán)境溫度聲波導(dǎo)管之間；聲波的次反饋調(diào)節(jié)回路可以是一路、兩路或多路，分別連接在發(fā)動機和制冷機的熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管之間；聲波的反饋調(diào)節(jié)回路由帶聲阻抗調(diào)節(jié)器的聲波導(dǎo)管構(gòu)成。
8.按權(quán)利要求1所述的熱驅(qū)動的熱聲制冷機，其特征是在其發(fā)動機或制冷機部分，當(dāng)熱聲回?zé)崞骱蜔崧曋C振管之間的相對位置為同軸布置時，旁通的聲波反饋調(diào)節(jié)回路可以是在熱聲回?zé)崞髋c熱聲諧振管的共同壁面上，開一個、兩個或多個小孔，或?qū)⑦@個共同壁面采用或制作成多孔壁面。
全文摘要
一種新型熱驅(qū)動的熱聲制冷機裝置，它由一個熱聲發(fā)動機和一個熱聲制冷機組成。熱聲發(fā)動機部分和制冷機部分，分別利用半波諧振或近諧振聲場產(chǎn)生的熱致聲作用和聲制冷作用，將高溫?zé)嵩吹臒崮懿糠洲D(zhuǎn)換為聲能和消耗聲能將低溫?zé)嵩吹臒崃枯斔偷江h(huán)境。這種熱驅(qū)動的熱聲制冷機中，聲場的行波部分和駐波部分，在熱聲發(fā)動機部分的回?zé)崞髦芯钱a(chǎn)生熱致聲效應(yīng)；在熱聲制冷機部分的回?zé)崞髦芯钱a(chǎn)生泵熱效應(yīng)。
文檔編號F25B23/00GK1137630SQ9510596
公開日1996年12月11日 申請日期1995年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月5日
發(fā)明者肖家華 申請人:中國科學(xué)院低溫技術(shù)實驗中心