[发明专利]一种直线压缩机驱动的环路型行波热声制冷系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种制冷系统，特别是一种直线压缩机驱动的环路型行波热声制冷系统。

背景技术

近年来高温超导技术和气体液化、分离工业对长寿命、大冷量制冷机的需求日益增长，但常规制冷机在热效率、振动、噪音和低维护运行、寿命等方面均存在问题。直线压缩机驱动的脉冲管制冷机（热声制冷机的一种），由于结构简单、冷头无运动部件、寿命长，并可实现20%以上的相对卡诺效率，在80K温区可提供百瓦乃至千瓦以上的制冷量，因而越来越受到广泛的关注与应用。如图1所示，主要由直线压缩机与脉冲管制冷机组成。其中脉冲管制冷机由主室温换热器9，回热器10，冷端换热器11，脉冲管（热缓冲管）12，次室温端换热器9’以及连接在次室温换热器后的调相机构组成。调相机构通过其声学阻抗使得脉冲管制冷机的回热器工作在高效声场相位，但以消耗次室温换热器出口的所有声功为代价。一般来说，脉冲管制冷机的冷端制冷量与调相机构消耗的声功有着相当的数值，这就意味着脉冲管制冷机功率越大，调相机构需要消耗的声功越大，这部分声功若能回收利用，系统的效率将会显著提升。因此，发展起来一种直线压缩机驱动的双作用行波热声制冷系统结构，如图2所示，通过将直线压缩机的活塞串联入环路系统，活塞一侧作为压缩腔将声功输入本单元的制冷机核心单元，活塞另一侧则回收上一级单元制冷机未消耗的声功。N（N≥3）个完全相同的直线压缩机与制冷机核心单元组合串联，通过将直线压缩机之间的电压相位差主动控制在360/N，使得制冷机的回热器22工作在行波相位，从而同时实现了制冷机的主动调相与声功回收。但该系统由于将直线压缩机与制冷机串联，两个子系统之间的耦合性非常强，对设计要求较高。同时实际系统中单元之间的不一致性在该串联系统中会被放大，一个电机不能正常工作将导致整个系统无法正常工作，因而对加工与制造工艺带来较大挑战。

为解决以上两种系统中遇到的问题，借鉴荷兰学者DEBLOCK提出的声学共振型热声发动机系统，本发明提出一种直线压缩机驱动的环路型行波热声制冷系统。

如图3所示，为荷兰学者DEBLOCK在专利WO2010107308A1中公布的一种声学共振型行波热声发动机系统，该系统通过在一个波长的环路上布置多个热声发动机核心单元来构建一个发动机，其具有功率密度高的特点，适合于大功率场合。核心单元包括主室温端换热器101、回热器102、热端换热器103，核心单元间通过变径管与谐振管细管段109相连。该系统在具备双作用系统回收利用声功以及主动调相等优点的基础上，其主要特性还包括：通过增加热声核心单元与谐振管的面积比，减少热声核心单元中的流速，减少回热器中的流阻损失，同时减小谐振管直径，增加系统压比；通过多个系统串联，回收利用声功并分担谐振管损失；负载（如直线发电机）旁通接入系统，减少负载与热声核心单元间耦合特性，便于优化设计以及实际系统的制造、运行。但WO201007308存在的问题是系统中没有直径与回热器直径相当的热缓冲管，会由于存在大的湍流而产生冷热混合损失；其次，该专利中也没有抑制环路直流的措施，也会导致热量或者冷量的损失。

综合，本发明提出一种新型的流程结构，可解决上述3种传统流程中存在的问题，即一种直线压缩机驱动的环路型行波热声制冷系统，可满足高效、可靠、长寿命的大冷量需求场合。

发明内容

本发明目的在于提供一种电驱动制冷机流程结构，即一种直线压缩机驱动的环路型行波热声制冷系统，可获得一种具有高效、可靠、长寿命特点的大冷量制冷系统，可用于液氮温区及以上的各种冷端温度及不同冷量需求的场合；本发明通过采用环路型结构来回收、利用声功，并通过抑制热缓冲管损失、环路声直流损失等关键措施提高系统效率；通过直线压缩机旁接方式，减弱直线压缩机与制冷机核心单元间的耦合强度，便于系统的优化设计与实际运行调节；通过热缓冲管的引入，实现冷端换热器无运动部件，增强系统可靠性；通过多单元联合来提高系统的能量密度，满足大冷量场合的需要。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的直线压缩机驱动的环路型行波热声制冷系统，其由环路型行波热声制冷机及直线压缩机组成；所述环路型行波热声制冷机包含N个热声制冷机核心单元1，每个热声制冷机核心单元1间通过谐振管110首尾连接构成环路；所述直线压缩机通过旁接于环路中的谐振管110上，所述N为3-10的正整数；