[发明专利]一种串级回热式制冷机

说明书

本发明涉及制冷领域，尤其涉及一种串级回热式制冷机。该制冷机包括直线压缩机和热声转换部件，在直线压缩机和热声转换部件之间设置有制冷组件和谐振子，从直线压缩机至少经制冷组件至热声转换部件形成声波传播通道，制冷组件和谐振子用于使声波在制冷组件中产生制冷效应。直线压缩机通过活塞产生的声波先在制冷组件中产生制冷效应，消耗一部分声功，剩余的声功进入热声转换部件，在热声转换部件中部分声功被消耗进一步产生制冷效应，剩余部分在调相部件内被耗散。因声波在制冷组件中产生了制冷效应，制冷量提高，进而效率也得到了提高。

技术领域

本发明涉及制冷领域，尤其涉及一种串级回热式制冷机。

背景技术

回热式制冷机在航空、航天、军事、弱电超导等领域有着重要的应用。脉管制冷机是回热式制冷机的一种典型结构，脉管制冷机主要由连通的直线压缩机和热声转换部件组成。热声转换部件主要包括主散热器、回热器、低温换热器、热缓冲管、次散热器和调相部件，其中调相部件可以是小孔气库结构，也可以是惯性管结构。直线压缩机利用交流电在线圈内感应出交变磁场，推动其中的活塞做往复直线运动，产生压力波，将电能转化为声波形式的机械能。声波进入热声转换部件后，使工作气体在低温换热器内膨胀吸热，气体吸收热量后经过回热器至主散热器并从主散热器散入到环境当中，产生制冷效果。

随着对脉管制冷机研究的深入，人们发现这种制冷机的调相部件需要消耗一定的声功才能使制冷机获得理想的声场(即在回热器中部获得行波相位)，理论上调相部件消耗的声功与制冷量相等。以制冷温度为80K、环境温度为300K为例，当输入声功为1000W时，如果制冷机相对为卡诺效率为30％，那么调相部件消耗的声功为109W。如果制冷机的制冷温度提高到150K，调相部件消耗的声功则为300W。如果制冷温度提高到200K，则消耗声功为600W。可见，随着制冷温度的升高，调相部件消耗的声功越来越多，因此与别的制冷机相比较，效率的劣势越来越明显。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的串级回热式制冷机。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种串级回热式制冷机，包括直线压缩机和热声转换部件，在直线压缩机和热声转换部件之间设置有制冷组件和谐振子，从直线压缩机至少经制冷组件至热声转换部件形成声波传播通道，制冷组件和谐振子用于使声波在制冷组件中产生制冷效应。

根据本发明，谐振子串联在制冷组件的下游侧，从直线压缩机经制冷组件和谐振子至热声转换部件形成声波传播通道。

根据本发明，谐振子以旁通的方式连接在制冷组件的下游侧，从直线压缩机经制冷组件至热声转换部件形成声波传播通道。

根据本发明，制冷组件包括：沿从直线压缩机指向热声转换部件的方向依次以串联方式连通的主散热器、回热器、低温换热器、热缓冲管和层流化元件；其中，主散热器与直线压缩机的气缸连通，层流化元件与谐振子连通，谐振子用于保证回热器中部获得行波声场。

根据本发明，制冷组件包括：沿从直线压缩机指向热声转换部件的方向依次以串联方式连通的主散热器、回热器和低温换热器；谐振子包括沿远离所述制冷组件的方向依次连接的绝热段、活塞和弹簧；其中，主散热器与直线压缩机的气缸连通，谐振子用于保证回热器中部获得行波声场。。

根据本发明，绝热段的第一端与活塞连接且第一端的直径与活塞的直径相等，绝热段的与第一端相反的第二端间隔于低温换热器，并且第二端的直径小于活塞的直径。

根据本发明，谐振子包括活塞和弹簧。

根据本发明，以一个制冷组件和与其连通的一个谐振子为一组制冷组件和谐振子，在直线压缩机和热声转换部件之间设置两组以上的制冷组件和谐振子。

根据本发明，在直线压缩机和热声转换部件之间设置两组或三组的制冷组件和谐振子。