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CN103411359B - 一种可调式双作用行波热声系统 - Google Patents

一种可调式双作用行波热声系统 Download PDF

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CN103411359B
CN103411359B CN201310359089.6A CN201310359089A CN103411359B CN 103411359 B CN103411359 B CN 103411359B CN 201310359089 A CN201310359089 A CN 201310359089A CN 103411359 B CN103411359 B CN 103411359B
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thermoacoustic
double acting
wave thermoacoustic
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胡剑英
罗二仓
张丽敏
王晓涛
戴巍
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Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1426—Pulse tubes with basic schematic including at the pulse tube warm end a so called warm end expander

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Abstract

本发明涉及一种可调式双作用行波热声系统，其由双作用行波热声系统和至少一个调节器件组成，调节器件安装在双作用行波热声系统的压缩机与热声转换部件之间的连接管道上；调节器件为阀门、惯性管、气库或其组合；双作用行波热声系统为单级双作用行波热声系统和多级双作用行波热声系统；本发明可在行波热声系统各单元间出现性能不一致和系统失稳时，调节器件可以调节流经此处的功流损耗、体积流率、相位关系等，从而保持各单元间工作性能的一致性。

Description

一种可调式双作用行波热声系统
技术领域
本发明涉及能源动力以及低温制冷技术中的双作用行波热声系统，特别涉及一种可调式双作用行波热声系统。
背景技术
双作用热声系统是最近提出来的一种新型的能量转换装置，它可以利用热能在其回热器内建立温度梯度，产生自激振荡的压力波，压力波推动发电机向外输出电能，这种结构称为双作用热声发动机；也可以利用电能通过压缩机产生压力波，压力波在回热器内进行热量搬运，获得制冷效果，这种结构称为双作用热声制冷机。相比于传统的热声系统，双作用热声系统效率更高，结构更加紧凑，更加接近于实际应用。
双作用热声制冷系统目前存在一个比较重要的技术障碍：当温度降低到一定的值，回热器内的温度梯度较大时，制冷机系统会产生自激震荡；自激震荡通常会使制冷机系统出现两个工作频率，同时阻止冷头温度的进一步降低，从而使制冷机性能严重恶化，甚至无法获得所需的制冷温度。
在双作用热声发动机系统中，不同的压缩机之间以及不同的热声转换部件之间由于加工和装配上的细微差异，使得压缩机之间的性能存在差异，热声转换器之间的性能也存在差异，并且这种差异在双作用热声发动机系统环路中通过反馈被放大，因此在实际的热声发动机系统中当回热器内的温度梯度较高时，发动机系统也常常会出现不能稳定工作的状况。
发明内容
本发明目的在于提供一种可调式双作用行波热声系统，可以克服现有技术中的双作用制冷机中的自激震荡问题和双作用热声发动机中不一致性问题缺陷，能够使双作用热声系统中的压缩机及热声转换部件一致稳定地运行。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的可调式双作用行波热声系统，其由双作用行波热声系统和至少一个调节器件组成，所述调节器件安装在双作用行波热声系统的压缩机与热声转换部件之间的连接管道上。
所述调节器件为阀门、惯性管、气库或其组合。
所述的双作用行波热声系统为双作用热声发动机系统、双作用热声制冷系统或双作用热泵系统。
所述的双作用热声发动机系统为单级双作用热声发动机系统或多级双作用热声发动机系统。所述双作用热声制冷系统为单级双作用热声制冷系统或多级双作用热声制冷系统。所述的双作用热泵系统为单级双作用热泵系统或多级双作用热泵系统。
本发明提供的双作用行波热声系统的特点在于：在行波热声系统各单元间出现性能不一致和系统失稳时，调节器件可以调节流经此处的功流损耗、体积流率、相位关系等，从而保持各单元间工作性能的一致性。
附图说明
图1为本发明的可调式双作用行波热声系统中的可调式双作用（单级）行波热声制冷机（实施例1）的结构示意图；
图2为本发明的可调式双作用行波热声系统中的可调式双作用（单级）行波热声发动机（实施例2）的结构示意图；
图3为本发明的可调式双作用行波热声系统中的可调式双作用（两级）行波热声制冷机（实施例3）的结构示意图。
其中：直线电机1           热声转换部件2      阀门31
      惯性管32            气库33             膨胀腔11,11’
      压缩腔12            第一常温换热器21   回热器22
      非常温换热器23,23’ 热缓冲管24,24’
      第二常温换热器25,25’
具体实施方式
图1为本发明的可调式双作用行波热声系统中的可调式双作用（单级）行波热声制冷机（实施例1）的结构示意图；
本实施例的双作用单级低温热声制冷机由首尾相连并形成环路的三个基本单元组成；每个基本单元均由直线电机1和热声转换部件2组成；所述的热声转换部件2由依次相连的第一常温换热器21、回热器22和非常温换热器23组成；本实施例的调节器件选用阀门31；本实施例有二个阀门31分别安装在位于左侧和下方的双作用行波热声系统的压缩机12与热声转换部件的第一常温换热器21之间的连接管道上。
阀门也可以由惯性管32替代。
在没有调节器件阀门31时，图1所示系统为传统的双作用单级低温热声制冷机；直线电机在输入电压驱动下进行往复运动产生压力波，压力波在热声转换部件2的回热器22内进行热量搬运，将非常温换热器23内的热量通过回热器22搬运到第一常温换热器21，从而产生制冷效应。在没有调节器件阀门31时，图1所示的制冷机系统因为加工与装配的原因，电机之间工作不一致，非常温换热器23的温度也会出现不同，更严重的问题是当非常温换热器23的温度降低到100K附近时，系统会发生自激震荡，这样系统会出现自激振荡和外界驱动两个频率，冷头温度无法进一步降低，出现波动上升的趋势。
为了抑制不一致和自激振荡的问题，左侧和下方的基本单元中安装了阀门31；阀门安装在常温换热器21和直线电机的压缩腔12之间，阀门具有耗散声功的作用，同时可以调节相位关系。通过调节阀门的开度大小可以调节此处的声功耗散和相位关系，从而使三个基本单元一致工作，同时抑制自激振荡的发生。
需要指出的是，将图1中的膨胀腔11和压缩腔12交换位置，该系统则变成一个可调式双作用热泵系统。直线电机在输入电压驱动下进行往复运动产生压力波，压力波在热声转换部件2的回热器22内进行热量搬运，将常温换热器21内的热量通过回热器22搬运到非常温换热器23，从而产生制热效应。同样地，在没有调节器件阀门31时，系统会出现不一致现象，当非常温换热器温度升高到一定值时系统会产生自激振荡。有了调节器件阀门31时，不一致现象和自激震荡可以得到有效的抑制。
图2为本发明的可调式双作用行波热声系统中的可调式双作用（单级）行波热声发动机（实施例2）的结构示意图；其由四个基本单元组成，每个基本单元包括直线电机1和热声转换部件2；热声转换部件2由第一常温换热器21、回热器22、非常温换热器23、热缓冲管24和第二常温换热器25组成；四个基本单元均装有调节器件，调节器件为相连的惯性管32和气库33；
在没有调节器件惯性管32和气库33时，图1所示为传统的双作用行波热声发动机系统。通过向非常温换热器23输入热量使其温度升高，当回热器内温度梯度达到一定值时，系统会产自激的压力波振荡，压力波推动直线电机进行往复运动将机械能转换为电能，向外界输出电功。如果没有调节器件惯性管32和气库33，发动机的各个基本单元之间因为加工与装配的细微差压，非常温换热器23的温度、电机的输出电压和电流将会出现不一致的现象。有的单元的温度会异常升高，有的电机行程会异常增加，容易导致部件的损坏。
为了解决工作性能不一致的问题，四个基本单元中均安装了调节器件，调节器件由惯性管32和气库33组成；调节器件安装在常温换热器21和直线电机的压缩腔12之间，调节器件具有耗散声功的作用，同时可以调节相位关系。通过调节惯性管的长度、直径、气库的大小等可以调节此处的声功耗散和相位关系，从而使四个基本单元一致工作，同时抑制自激振荡的发生。
本实施例中，如果向直线电机1中输入电功（同时停止向非常温换热器23输入热量），则非常温换热器23的温度将下降，系统转变为一个双作用行波热声制冷系统；进一步将图2中的膨胀腔11和压缩腔12交换位置，该系统则变成一个可调式双作用热泵系统，双作用行波热声制冷系统，在此不再一一赘述。
图3为本发明的可调式双作用行波热声系统中的可调式双作用（两级）行波热声制冷机（实施例3）的结构示意图；其由三个基本单元组成，每个基本单元包括直线电机1和热声转换部件2。热声转换部件2由第一常温换热器21、回热器22、非常温换热器23、热缓冲管24和第二常温换热器25组成；回热器22被分成量两段，两段的连接处另外连接有另一非常温换热器23’，另一热缓冲管24’和第二常温换热器25’；调节器件为阀门（31，31’），分别安装在第二常温换热器25和膨胀腔11之间以及第二常温换热器25’和膨胀腔11’之间；两级结构的双作用低温热声制冷机有利于获得更低的制冷温度。
与实施例1类似，在没有调节器件阀门31和31’时，图3所示的制冷机系统中电机之间工作将不一致，非常温换热器23和23’的温度较低时，系统会发生自激震荡，系统无法稳定工作。有了调节器件阀门31和31’后，通过适当的声功耗散和相位调节，三个基本单元可以一致地工作，同时自激振荡可以有效地被抑制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种可调式双作用行波热声系统，其由双作用行波热声系统和至少一个调节器件组成，所述调节器件安装在双作用行波热声系统的压缩机与热声转换部件之间的连接管道上；所述调节器件为阀门、惯性管、气库或其组合。
2.按权利要求1所述的可调式双作用行波热声系统，其特征在于，所述的双作用行波热声系统为双作用热声发动机系统、双作用热声制冷系统或双作用热泵系统。
3.按权利要求2所述的可调式双作用行波热声系统，其特征在于，所述的双作用热声发动机系统为单级双作用热声发动机系统或多级双作用热声发动机系统。
4.按权利要求2所述的可调式双作用行波热声系统，其特征在于，所述双作用热声制冷系统为单级双作用热声制冷系统或多级双作用热声制冷系统。
5.按权利要求2所述的可调式双作用行波热声系统，其特征在于，所述的双作用热泵系统为单级双作用热泵系统或多级双作用热泵系统。
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