专利名称：一种压力波驱动的非共振型直流换热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力波(即声波)驱动的非共振直流型换热器，它可以用来取代交变流动热力系统(包括传统的回热式热力系统和热声系统)中的间壁流动换热器，特别是应用在需要换热量较大的高功率交变流动制冷系统或者需要远距离传送冷量的装置中。
背景技术：
交变流动热力系统(包括斯特林制冷机、脉冲管制冷机、GM制冷机及热声热机系统)的功率受到多种因素限制，主要因素之一在于传统的交流型换热器，图1显示了典型的行波热声发动机结构图。在传统的交流型换热器2、4、6中一般存在两个流道，一个流道容纳热声系统工质，另一流道容纳外界换热工质。与传统的发动机和制冷机不同，热声系统中工作流体在平衡位置附近来回振荡，换热器的几何尺寸及位置都受到限制，加工难度也比较大，其中很难实现大功率换热或远距离传输热量，主要表现为(1)换热器的纵向尺寸受到限制。传统的交流型换热器长度不应超过当地气团的峰峰位移值，只有这样换热器内的微团才能与回热器的端部接触。如图1所示在热声发动机的热端换热器4中，如果其长度超过峰峰值位移值，那么热端换热器4的部分气体将不会接触到回热器3的热端；在热声发动机的室温端换热器2中，如果其长度超过峰峰值位移值，那么换热器中的部分气体将不会接触到回热器3的室温端。所以纵向延长传统交流型换热器的长度超过一定范围后对于增强系统换热是无效的，同时增加了系统的不可逆损失。
(2)在纵向尺寸受限制的情况下，目前广泛采用的强化传热的手段是在传统的交流型换热器内设置更多的微流道以增加横向换热面积，这样做的后果是，随着微流道的增加，制作成本也会增高，整个系统的可靠性也会降低。
(3)远距离传输热量受到限制。如在制冷机中，需要冷却的负荷必须布置在冷端换热器附近，不利于实际应用。
近期，美国Los Alamos国家实验室提出了自循环换热器(见美国专利6637211)，即声驱动的共振型换热器。该换热器的最大特点就是利用声学特性实现一股直流分量，从而可以采用常规的直流型热交换器，突破上述限制。
由图2、图2A和图2B可以看出，自循环换热器与压力腔13(原来装有热端换热器的位置)直接相连，因此自循环换热器内的过程流体和热声发动机内的工作流体为同种流体。由压力腔内引出的两根换热管段14，一根相对于换热管段以渐缩短管10，另一根相对于换热管段以渐扩短管9的形式终结到一个容性腔体11中，该容器腔体的体积足够大，从而实现压力节点。通过这一结构可以实现一股稳定的直流分量。与传统的交流型换热器相比，自循环换热器具有一定的优势(1)该换热器消除了传统的交流型换热器对于几何尺寸的限制，即有效的换热面积不受峰峰值位移限制。
(2)该换热器用自身的工作气体来循环，不需要辅助的运动部件(泵)。
但是自循环换热器在实际应用中也存在着严重的不足(1)由于声学特性的要求，自循环换热器需要特定的长度，不利于实际应用。
(2)自循环换热器内的复合流动是由直流流动与声振荡复合而成的，而声振荡对换热并无贡献，自循环换热器内的功耗散会严重影响系统效率。
发明内容
本发明的目的在于为了解决传统的交流型换热器中对换热面积的限制，同时又针对自循环换热器中功耗过大、实际应用难等问题，而提出一种压力波驱动的非共振型直流换热器。
本发明的技术方案如下本发明提供的压力波驱动的非共振型直流换热器，用作交变流动热力系统的冷、热端换热器，包括安装于交变流动制冷机中环境端或冷端设置的压力腔的进、出口端，或者安装于交变流动发动机中的环境端或热端设置的压力腔的进、出口端的封闭换热管道20，所述封闭换热管道20起始于所述压力腔35，终止于所述压力腔35；和分别安装在所述换热管道20与所述压力腔进、出口之间的第一单向阀19和第二单向阀18。
所述的所述第一单向阀19和第二单向阀18分别安装在换热管道20的进、出口端。
所述的换热管道20为直管型、蛇形管型或带强化换热翅片管的换热管道。
所述压力腔35与所述缓冲管5之间设有与所述压力腔35和所述缓冲管5相通的层流化元件15。
所述制冷机系统包括斯特林制冷机系统、脉冲管制冷机系统、GM制冷机系统或热声制冷机系统；所述发动机系统包括机械式斯特林发动机和无运动部件的热声发动机。
所述安装于交变流动热力系统中制冷机系统的环境端或冷端设置的压力腔的进、出口端的换热管道20上设有由一对流向相反的换热管道组成的逆流换热器26。
其工作原理简述如下当系统内部波动压力高于换热管道内的压力时，如果压力之差高于第一单向阀19的工作阈值，气体经由第一单向阀19进入换热管道20内，与外界(即用冷负荷)换热后暂时停留在换热管道20中，在此过程中，由于作用在第二单向阀18上的压力差值始终为负值，因此第二单向阀18保持闭合状态；当系统内部波动压力低于换热管道20内的压力时，如果压力之差高于第二单向阀18的工作阈值，换热管道内经过热交换后的气体经由第二单向阀18返回压力腔，在此过程中，第一单向阀19由于作用其上的压力差为负值而始终保持闭合状态。这样形成了一个稳定的直流换热过程，换热量的大小可通过换热管段的尺寸、形状和形式加以调节。
本发明提供的压力波驱动的非共振型直流换热器对现有热声系统带来的优点如下(1)该换热器有效地消除了对于传统的交流型换热器峰峰值位移长度的限制，可通过调节换热管道的面积大小来适应的换热量的需求。同时，与自循环换热器相比，对换热管段的长度没有限制，有利于实际应用。
(2)该换热器结构简单，提高了系统的可靠性以及减少了加工换热器的费用。
(3)该换热器可适用于远距离传输热量、冷量。换热管段可以根据需要加工成特定的形状，特别适用于热源与热声发动机存在一定距离或用冷负荷与热声制冷机存在一定距离的场合。
(4)该换热器避免了在换热管道内的声波振荡，因而能够克服自循环换热器内产生的大量声功耗散，从而提高了热声系统的效率。
图1为应用于发动机上的传统的交流型换热器示意图；图2为应用于热声发动机上自循环换热器的示意图；图2A为自循环换热器与发动机连接部分的俯视图；图2B为自循环换热器与发动机连接部分的侧视图；图3为声(压力波)驱动的非共振型直流换热器示意图；图4为应用于制冷机上声(压力波)驱动的非共振型直流冷端换热器示意图；图5为应用于发动机上声(压力波)驱动的非共振型直流热端换热器示意图；图6为应用于制冷机远距离传输冷量的声(压力波)驱动的非共振型直流换热器示意图。
具体实施例方式
实施例1、采用声驱动非共振型冷端换热器的行波热声制冷机如图4所示，本实施例的换热器用于取代行波热声制冷机的冷端换热器，包括第一单向阀19、第二单向阀18和换热管道20；封闭换热管20安装于制冷机回热器3与缓冲管5之间设置的压力腔35的进、出口端，所述封闭换热管道20起始于所述压力腔35，终止于所述压力腔35；在换热管道20与压力腔进、出口交接处分别安装第一单向阀19和第二单向阀18；所述第一单向阀19和第二单向阀18可以为安装在换热管道20的弹性片状单向阀。
根据需要换热管道20可以采用翅片管式以达到强化换热的目的。
实施例2、采用声驱动非共振型热端换热器的行波热声发动机如图5所示，本实施例的换热器用于取代行波热声制冷机的热端换热器，包括第一单向阀19、第二单向阀18和换热管道20；封闭换热管20安装于制冷机回热器3与缓冲管5之间设置的压力腔35的进、出口端，所述封闭换热管道20起始于所述压力腔35，终止于所述压力腔35；在换热管道20与压力腔进、出口交接处分别安装第一单向阀19和第二单向阀18；所述第一单向阀19和第二单向阀18可以为安装在换热管道20的弹性片状单向阀。
根据需要换热管道20可以采用翅片管式以达到强化换热的目的。
实施例3、采用声驱动非共振直流型换热器的可以远距离冷却负荷的脉冲管制冷机如图6所示，本实施例的换热器包括安装于制冷机室温端换热器2外端设置的压力腔35的进、出口端的封闭换热管道20，所述封闭换热管道20起始于所述压力腔35，终止于所述压力腔35；和分别安装在所述换热管道20与所述压力腔35进、出口之间的第一单向阀19和第二单向阀18。
所述换热管道20上设有由一对流相相反的换热管道组成的逆流换热器26。
由阀门19流出的室温流体经过逆流热交换器26预冷后，由脉冲管制冷机冷端以间壁换热形式进一步冷却，然后经过冷端换热器27去冷却负荷，然后经过逆流热交换器26预冷来流后恢复到室温，进入压力腔35。与实施例1相比，两个单向阀可以安装在室温端，带来以下优点(1)可以避免冷头的扰动；(2)可延长单向阀的使用寿命及保持其稳定的工作性能。
权利要求
1.一种压力波驱动的非共振型直流换热器，用作交变流动热力系统的冷、热端换热器，包括安装于交变流动制冷机系统的环境端或冷端设置的压力腔的进、出口端，或者安装于交变流动发动机系统的环境端或热端设置的压力腔的进、出口端的封闭换热管道(20)，所述封闭换热管道(20)起始于所述压力腔(35)，终止于所述压力腔(35)；和分别安装在所述换热管道(20)与所述压力腔进、出口之间的第一单向阀(19)和第二单向阀(18)。
2.按权利要求1所述的压力波驱动的非共振型直流换热器，其特征在于，所述的所述第一、第二单向阀(19，18)分别安装在换热管道(20)的进、出口端。
3.按权利要求1或2所述的压力波驱动的非共振型直流换热器，其特征在于，所述的换热管道(20)为直管型、蛇形管型或带强化换热翅片管的换热管道。
4.按权利要求1所述的压力波驱动的非共振型直流换热器，其特征在于，所述压力腔(35)与所述缓冲管(5)之间设有与所述压力腔(35)和所述缓冲管(5)相通的层流化元件(15)。
5.按权利要求1或2所述的压力波驱动的非共振型直流换热器，其特征在于，所述制冷机系统包括斯特林制冷机系统、脉冲管制冷机系统或GM制冷机系统；所述发动机系统包括机械式斯特林发动机和无运动部件的热声发动机。
6.按权利要求1所述的压力波驱动的非共振型直流换热器，其特征在于，所述安装于交变流动热力系统中制冷机系统的环境端或热端设置的压力腔的进、出口端的换热管道(20)上设有由一对流向相反的换热管道组成的逆流换热器(26)。
全文摘要
本发明涉及一种压力波驱动的非共振型直流换热器，用作交变流动热力系统的冷、热端换热器，包括安装于交变流动制冷机系统的环境端或冷端设置的压力腔的进、出口端，或者安装于交变流动发动机系统的环境端或热端设置的压力腔的进、出口端的封闭换热管道，所述封闭换热管道起始于所述压力腔，终止于所述压力腔；和分别安装在所述换热管道与所述压力腔进、出口之间的第一单向阀和第二单向阀。从而使交变流动热力系统的换热器的结构和制作大为简化。与传统的交变流动换热器相比，该换热器特别适合于大功率交变流动热力系统的使用，具有可靠性高、功耗小、制作成本低和采用单一工作流体等显著优点。
文档编号F25B9/00GK101074808SQ20061008045
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月16日 优先权日2006年5月16日
发明者罗二仓, 戴巍, 高波, 吴张华 申请人:中国科学院理化技术研究所