专利名称：用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装置的制作方法
用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装置发明领域本发明主要涉及能源利用与制冷领域，特别涉及一种用于热声发动机及其驱 动的制冷机之间的耦合装置；该耦合装置可以提高热声发动机驱动的制冷机系统 的声功利用率、降低工作频率。
背景技术：
热声发动机驱动脉冲管制冷机或者热声制冷机是一种完全无运动部件的新型 制冷技术。它以热能作为动力，通过气体的振荡，在发动机内将内能转化为声功， 在制冷机内消耗声功产生制冷效果，环保，安全，寿命长，因此具有非常好的应 用前景。目前其制冷温区已经从常温覆盖到了液氢温区，并且很快将进一步覆盖到液 氦温区，但是要想使热声驱动脉管制冷机或者热声制冷机的性能进一步提高还存 在两个重要问题需解决。第一，脉管制冷机和热声制冷机通常以氦气等气体作为 工作介质，工作在比较低的频率为宜，当工作频率升高时，其制冷性能通常会变 差。而热声发动机以氦气为工作介质时，如果要想使其工作在50Hz以下的频率， 谐振管的长度则要达到8m以上，这样庞大的体积当然不利于实际应用，同时还会 消耗掉大量的氦气，成本也很高。第二，由于热声发动机体积庞大，如果制冷机 和发动机直接耦合，则制冷机内的压力幅值不可能高于发动机内的压力幅值，因 此，发动机内由于粘性耗散将消耗掉绝大部分的声功，只有很少量的声功进入到 制冷机内，这样效率是非常低的。发明内容本发明的目的在于提供一种用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装 置，该耦合装置可以大幅提高制冷机对声功的利用率，同时减少系统体积，降低 工作频率，从而提高制冷机的制冷性能。本发明的技术方案如下本发明提供的用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装置，包括 一空腔C;一安装于空腔C内的弹性膜片B，所述弹性膜片B将所述空腔C分割为第一 腔室Cl和第二腔室C2;一连通于所述空腔C —侧壁上并与第一腔室Cl相通的长管A; 一连通于所述空腔C另一侧壁上并与第二腔室C2相通的短管F;所述长管A的另一端连通于热声发动机的反馈管12;所述短管F的另一端连通于制冷机的水冷器21。 所述第一腔室Cl和第二腔室C2为装有不同工作介质的腔室。 所述长管A长度小于声波长的1/4，所述长管1直径小于热声发动机反馈管 12直径。所述弹性膜片B与工作介质流动方向垂直的面积为所述长管A横截面积的 5—200倍。所述弹性膜片B为有机材质弹性膜片或金属材质弹性膜片，其质量轻巧，回 复能力强，气体渗透率低。所述的热声发动机包括行波型热声发动机、驻波型热声发动机以及串级型热 声发动机。所述的制冷机包括脉冲管制冷机和热声制冷机。所述的发动机内使用的工作气体主要为氮气、二氧化碳、氩气等气体或者是 其中几种气体的混合物；制冷机使用的工作气体主要为氦气、氢气、氖气、氮气 等气体或者是其中几种气体的混合物。为了进一步说明本发明的用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装置 的工作原理，同时也进一步说明在选则长管、空腔时所需要遵循的一些原则，下 面将从理论上对其原理进行解释。我们用线性热声理论来分析本发明的耦合装置的特性。线性热声理论是热声学中用来分析小振幅声场的常用工具，式(1)和式(2)是其用来描述声场的两 个方程。血<formula>formula see original document page 5</formula>其中叫A^，尸。，/ 分别是角频率、流道横截面积、比热比、平均压力和气体密度。/一y;是与流道几何参数、气体物性、工作频率等相关的函数。假设该耦合装置与发动机相连接端的波动压力和体积流为i 。和"a，与制冷机相连接端的a处的波动压力和体积流为A和"，那么通过(1) (2)式可以获 得如下的关系式<formula>formula see original document page 5</formula>定义放大率y:r_hl—似+状l其中Z-^/^为制冷机的阻抗图2所示为不同空腔容积时放大率与长管长度的关系曲线。图3所示为不同 长管直径时放大率与长管长度的关系曲线。计算中使用的参数为长管直径8mm， 平均压力2.1MPa，工作气体为氦气，工作频率67.5 Hz，制冷机阻抗为(9.3 -5.9i)*10A8Pa-s/m3。弹性膜靠长管侧使用的工作气体为氮气，另一侧使用的工作 气体为氦气。从这两图可以看出对于一定的长管直径和空腔容积，都存在一个最佳的长 管长度使放大倍数达到最高，此最佳长度小于声波长的1/4;长管直径越大能够 获得的放大倍数越大，空腔容积越大能够获得的放大倍数也越大。值得说明一下的是，虽然计算表明空腔容积越大，放大率越大，但是由于长 管与空腔截面存在突变截面，如果空腔过大，流动损失将变大，放大率可能反而 会变小，因此，在实际过程中，空腔容积不宜过大。制冷机所消耗的声功可以按照这样的公式来计算当热声发动机所提供的声波压力幅值l尸。l一定时，如果发动机和制冷机直接耦 合，那么外=/ 。，贝U『=W但是如果使用本发明提出的耦合装置进行耦合，A=yp。，则z也就是说使用本发明的耦合装置，制冷机所利用的声功就变成了原来的尸倍，因此系统的声功利用效率获得了数倍的提高。目前热声制冷机和脉冲管制冷机基本上都是使用氦气作为工作介质，以获得 更好的工作性能，当使用氮气等其他气体作为工质时，制冷温度和制冷性能都通 常会变差。这些制冷机的另一个特点就是工作在较低的频率时其制冷性能通常会 更好些，因此，在设计这些制冷机的驱动器时要尽量把频率降低。我们知道氦气的声速为氮气的三倍，如果发动机要获得同样的工作频率，则 用氦气作为工质时谐振管的长度是用氮气时的三倍，也就是说，如果使用相同的谐振管'，用氮气作为工质时，工作频率仅为用氦气时的1/3。所以为了获得较低 的工作频率，同时又能够保持制冷机的良好性能，本发明在制冷机和发动机之间 安装一弹性膜片，使发动机能够以氮气等气体为工质，制冷能够以氦气等气体为 工质。该弹性膜片应该质量轻巧，回复能力较强，气体渗透率低，以保证声波的顺利传输和防止气体的混合。与现有技术相比，本发明提供的用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合 装置，可使发动机能够以氮气等气体为工质，制冷能够以氦气等气体为工质。该 弹性膜片应该质量轻巧，回复能力较强，气体渗透率低，可以保证声波的顺利传 输和防止气体的混合；而且该耦合装置可以使系统体积减少，工作频率降低，声 功利用率提高。
图1为本发明的耦合装置的结构示意图；图2为不同空腔体积时放大率与长管长度的关系曲线；图3为不同长管直径时放大率与长管长度的关系曲线；图4为具体实施例中空腔的结构示意图；图5为行波热声发动机驱动单级脉管制冷机示意图；图6为行波热声发动机驱动双级脉管制冷机示意图；图7为驻波发动机驱动行波热声制冷机示意图。
具体实施方式
下面将结合图5 图7描述本发明的一种用于热声发动机及其驱动的制冷机 之间的耦合装置。实施例l:采用图5所示的耦合装置；所述耦合装置包括 一空腔C; 一安装于空腔C内的弹性膜片B，所述弹性膜片B将所述空腔C分割为第一 腔室C1和第二腔室C2;一连通于所述空腔C 一侧壁上并与第一腔室Cl相通的长管A;一连通于所述空腔C另一侧壁上并与第二腔室C2相通的短管F; 所述长管A的另一端通过球阀1连通于热声发动机的反馈管12; 所述短管F的另一端连通于制冷机的水冷器21 。发动机为行波热声发动机(用D标示)，该行波热声发动机由发动机第一水 冷器2、发动机回热器3、发动机加热器4、发动机热缓冲管5、发动机第二水冷 器22和反馈管12以及谐振管13组成，并形成环形圈，所形成的环形圈的各部件形圈的各部件长度总和为2m左右，谐振管13由一段 长5m，直径从80mm变化到300mm的锥形管和一端直径300mm长lm的直管组 成；该行波热声发动机采用氮气为工质，工作频率为23.5Hz;制冷机E为U型设 计的单级脉冲管制冷机，采用氦气作为工质；其制冷机回热器31长80mm，直径 20mm，制冷机脉管10长160mm,直径10mm。本实施例的用于热声发动机D及其驱动的制冷机E之间的耦合装置中的长管 A长度为0.8m，直径为8mm (横截面积约为0.5cm2)，通过球阀1和行波热声发 动机D的反馈管12相连通；耦合装置的弹性膜片B为lmm厚的氟橡胶膜；耦合 装置的空腔C为椭球形，具体结构如图4所示，空腔C由两个加工在法兰上的近 似半椭球部件组成，总容积约为75cc;两法兰之间夹装隔气的弹性膜片B,弹性 膜片B与工作介质流动方向垂直的面积为100 cm2 (约为长管A横截面的200倍 左右)；空腔C总高度为36mm。空腔C内的气体通过许多加工在法兰上的小孔 分别与长管和短管相通；采用这样的结构可使弹性膜片B的最大单边位移量不超 过18mm，这样可以防止由于制冷机内压力不平衡导致膜片变形量过大而遭损坏。 该制冷系统在加热功率为2000W时，制冷温度可以达到34.1K。实施例2:采用图6所示的结构装置。发动机D的尺寸和实施例1中的发动 机尺寸相同；耦合装置中长管A长度为1.6m，直径为17mm，在发动机各部件形 成的环形圈与谐振管13相接处和发动机连通；空腔C的构造及尺寸与实施例1 中的空腔相同，空腔C内的弹性膜B与工作介质流动方向垂直的面积约为长管A 横截面的50倍左右；制冷机为U型设计的两级脉冲管制冷机；制冷机一级回热 器31长80mm，直径30mm，制冷机二级回热器32长80mm，直径12mm，制冷 机一级脉管IO长104mm，直径12mm,制冷机二级脉管101长160mm，直径8mm; 发动机采用氮气为工质，工作频率23.5Hz，制冷机采用氦气为工质，最低制冷温 度可以达到18.3K。实施例3:采用图7所示的结构装置。发动机为驻波热声制冷机，热腔、加 热器、回热器和水冷器总长度为238mm,直径均为100mm。谐振管由一段长3m， 直径从100mm变化到200mm的锥形管和一端直径200mm长0.5m的直管组成。度为lm，直径为50mm，通过球阀和发动机相连通。弹性 膜片为lmm厚的丁氰橡胶膜。空腔C内的弹性膜B的直径为120mm，其与工作介质流动方向垂直的面积 约为长管A的5倍左右，空腔C总高度为100mm。制冷机为热声制冷机，环形 圈总周长为1.2m，反馈管，回热器，缓冲管等部件直径为30mm，容性腔为直径 60mm的球形空腔。发动机采用体积百分比为80%氮气和体积百分比为20%二氧 化碳为工质，制冷机采用体积百分比为90%氦气和体积百分比为10%氢气为工质。 该制冷系统预计可以在室温温区可以获得较好的制冷效果。
权利要求
1. 一种用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装置，其特征在于，包括一空腔(C)；一安装于空腔(C)内的弹性膜片(B)，所述弹性膜片(B)将所述空腔(C)分割为第一腔室(C1)和第二腔室(C2)；一连通于所述空腔(C)一侧壁上并与第一腔室(C1)相通的长管(A)；一连通于所述空腔(C)另一侧壁上并与第二腔室(C2)相通的短管(F)；所述长管(A)的另一端连通于热声发动机的反馈管(12)；所述短管(F)的另一端连通于制冷机的水冷器(21)。
2、 按权利要求书1所述的用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装置， 其特征在于，所述第一腔室(Cl)和第二腔室(C2)为装有不同工作介质的腔室。
3、 按权利要求书1所述的用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装置， 其特征在于，所述长管(A)长度小于声波长的1/4，所述长管(A)直径小于热 声发动机反馈管(12)直径。
4、 按权利要求书1所述的用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装置， 其特征在于，所述弹性膜片(B)与工作介质流动方向垂直的面积为所述长管(A) 横截面积的5—200倍。
5、 按权利要求书1所述的用于热声发动机及其驱动的制冷机之间的耦合装置， 其特征在于，所述弹性膜片(B)为有机材质弹性膜片或金属材质弹性膜片。
全文摘要
本发明涉及一种用于热声发动机及其驱动的制冷机的耦合装置，包括一空腔；一安装于空腔内的弹性膜片，弹性膜片将所述空腔分割为第一腔室和第二腔室；一连通于空腔一侧壁上并与第一腔室相通的长管；一连通于空腔另一侧壁上并与第二腔室相通的短管；长管的另一端连通于热声发动机的反馈管；短管的另一端连通于制冷机的水冷器；该耦合装置可使热声发动机产生的压力波在通过长管和空腔后压力幅值获得放大，从而提高制冷机对系统声功的利用率；空腔中间夹装的弹性膜片隔离发动机和制冷机内工作气体，使得发动机可以使用氮气等气体为工质降低系统频率，同时制冷机可使用氦气等气体为工质以保持其良好制冷性能。
文档编号F25B9/14GK101280977SQ20071006510
公开日2008年10月8日 申请日期2007年4月3日 优先权日2007年4月3日
发明者吴张华, 巍 戴, 罗二仓, 胡剑英 申请人:中国科学院理化技术研究所