CN113701383B - 一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制冷技术领域，公开了一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，包括：热声压缩机、超音速旋流分离器和蒸发器，热声压缩机的出口依次串联连接有至少一个超音速旋流分离器，超音速旋流分离器的气体出口通过回流管路连接于热声压缩机的入口，蒸发器的入口连接于超音速旋流分离器的液体出口，蒸发器的出口连接于回流管路。本发明提供的一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，设置超音速旋流分离器作为膨胀降温元件，与传统气体透平膨胀低温技术相比，超音速旋流分离器无运动部件，加工难度低，运行可靠性和稳定性大幅提高；采用热声压缩机代替传统压缩机，不存在机械运动部件，具有低振动、高可靠性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***。
背景技术
传统的机械压缩式制冷***由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等四个主要部件组成，各部分由管道依次连接，形成一个完全封闭的循环***。虽然机械压缩式制冷技术已较为成熟，但依然存在制冷剂对环境有危害，压缩机中存在机械运动部件容易磨损损坏等缺点。
且传统制冷***中利用实际气体节流特性进行制冷。由于采用气体节流制冷方式，***简单可靠，所以无论是在普冷领域还是在低温领域至今都被广泛采用。现有技术中可采用透平膨胀机来实现气体节流制冷。透平膨胀机利用工质在流道中流动时速度的变化来进行能量转换，也称速度型膨胀机。工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。采用透平膨胀机可获得低温，透平膨胀低温技术也得到快速发展。但传统气体透平膨胀低温技术存在机械运动部件、加工要求高、运行存在不可靠和不稳定的隐患等。
发明内容
本发明实施例提供一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，用以解决或部分解决传统的制冷***中存在机械运动部件，运行存在不可靠和不稳定隐患的问题。
本发明实施例提供一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，包括：热声压缩机、超音速旋流分离器和蒸发器，所述热声压缩机的出口依次串联连接有至少一个所述超音速旋流分离器，所述超音速旋流分离器的气体出口通过回流管路连接于所述热声压缩机的入口，所述蒸发器的入口连接于所述超音速旋流分离器的液体出口，所述蒸发器的出口连接于所述回流管路。
在上述方案的基础上，所述热声压缩机的出口连接有多个所述超音速旋流分离器时，多个所述超音速旋流分离器一一对应连接有多个所述蒸发器。
在上述方案的基础上，所述热声压缩机的出口连接有多个所述超音速旋流分离器时，多个所述超音速旋流分离器共同连接于一个所述蒸发器。
在上述方案的基础上，所述热声压缩机的出口管路上设有高压单向阀；所述回流管路上设有低压单向阀。
在上述方案的基础上，还包括逆流换热器，所述热声压缩机和所述超音速旋流分离器之间以及相邻的两个超音速旋流分流器之间的至少一处设有所述逆流换热器，其中所述热声压缩机和所述超音速旋流分离器之间以及相邻的两个超音速旋流分离器之间至少一处的管路流经所述逆流换热器的高温侧，所述回流管路流经所述逆流换热器的低温侧。
在上述方案的基础上，所述制冷***的制冷工质包括CO2或H2O、N2或Ar、Ne或H2以及He中的至少两种。
在上述方案的基础上，所述制冷***的制冷工质的种类数大于所述超音速旋流分离器的数量。
在上述方案的基础上，所述超音速旋流分离器的末端连接有扩压器，所述扩压器的出口形成所述超音速旋流分离器的气体出口。
在上述方案的基础上，所述超音速旋流分离器还包括依次相连的旋流装置、Laval喷管膨胀器和旋流气液分离器，所述旋流气液分离器上设有液体收集装置，所述液体收集装置上设有所述液体出口，所述旋流气液分离器的气体出口连接于所述扩压器的入口，所述扩压器的出口连接有导向叶片。
在上述方案的基础上，所述热声压缩机包括驻波型热声压缩机或行波型热声压缩机。
本发明实施例提供的一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，设置基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器作为膨胀降温元件，与传统气体透平膨胀低温技术相比，超音速旋流分离器无运动部件，加工难度低，运行可靠性和稳定性大幅提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中驻波型热声压缩机的第一连接示意图；
图2是本发明实施例中驻波型热声压缩机的第二连接示意图；
图3是本发明实施例中行波型热声压缩机的连接示意图；
图4是本发明实施例中超音速旋流分离器的结构示意图。
附图标记：
11、驻波型热声压缩机；111、热腔；112、加热器；113、回热器；114、室温换热器；115、谐振管；12、行波型热声压缩机；121、反馈管；122、室温换热器；123、回热器；124、加热器；125、热缓冲管；126、次级换热器；127、弹性膜；128、谐振管；2、逆流换热器；21、一级逆流换热器；22、二级逆流换热器；23、三级逆流换热器；3、超音速旋流分离器；31、一级超音速旋流分离器；32、二级超音速旋流分离器；33、三级超音速旋流分离器；301、旋流装置；302、Laval喷管膨胀器；303、旋流气液分离器；304、扩压器；305、导向叶片；306、液体收集装置；3021、稳定段；3022、亚音速收缩段；3023、喉部；3024、超音速扩张段；4、蒸发器；41、一级蒸发器；42、二级蒸发器；43、三级蒸发器；5、高压单向阀；6、低压单向阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，本发明实施例提供一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，该多级超音速制冷***包括：热声压缩机、超音速旋流分离器3和蒸发器4，热声压缩机的出口依次串联连接有至少一个超音速旋流分离器3，超音速旋流分离器3的气体出口通过回流管路连接于热声压缩机的入口，蒸发器4的入口连接于超音速旋流分离器3的液体出口，蒸发器4的出口连接于回流管路。
基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器3最早应用在1989年，用于气液的分离过程。后被引入到天然气处理加工领域，主要用于天然气的脱水、脱重烃。超音速旋流分离器3既具有制冷效应，气液分离功能，且末端设有扩压器304。本实施例提供的制冷***提出设置超音速旋流分离器3代替传统制冷***中气体透平膨胀装置。既利用超音速旋流分离器3的制冷效应，达到传统节流装置降温的效果；又利用超音速旋流分离器3的扩压功能，可实现对未冷凝工质的增压升温作用。从而可弥补传统透平膨胀装置对制冷工质的压降。
本实施例提供的一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，设置基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器3作为膨胀降温元件，与传统气体透平膨胀低温技术相比，超音速旋流分离器3无运动部件，加工难度低，运行可靠性和稳定性大幅提高。较蒸汽压缩式制冷***中传统的节流装置如节流阀、膨胀机等，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器3自身无转动部件)、长期可靠的优点。
研究表明在相同压降的情况下，超音速旋流分离器3内温降较传统节流装置如节流阀、膨胀机、涡流管更大，具有更好的制冷效果。此外，超音速旋流分离器3具有节流阀、膨胀机、涡流管等所不具有的优点，即可通过扩压器304进行升压，大大减少气体的压力损失。
进一步地，本实施例设置至少一个超音速旋流分离器3，可通过设置多个超音速旋流分离器3形成多级制冷循环。多个超音速旋流分离器3的入口和气体出口依次首尾相连，最末端的超音速旋流分离器3的气体出口通过回流管路连接于热声压缩机的入口。制冷工质在回路中循环流动形成复叠式制冷循环，复叠制冷循环具有很多优点：首先，仅采用单台压缩机，结构紧凑，控制简单；其次，低温端没有运动部件，稳定性好可靠性高；再次，由于高沸点组元在较高温度形成液体经节流回到低压通道即回流管路，从而避免了在低温下有固相析出，堵塞节流元件，进一步提高了***的可靠性；另外，高沸点组元在较高温度节流返回低压通道即回流管路，减少下一级换热器负荷，减少循环中高沸点组元在低温段带来的流动损失和回热损失；最后，高沸点组元在较高温度节流返回低压通道即回流管路，有效改变了高低压气流的水当量配比，从而提高回热效率。
进一步地，热声效应是指可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的时均能量效应，按照能量转换方向的不同可分为两类：一是用热能来产生声波，即热致声效应(热声正效应)；二是用声能来产生制冷效应，即声致冷效应(热声逆效应)。热声热机是利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能的热功转换装置。热声热机主要分为热声发动机(热声压缩机)和热声制冷机，分别基于热致声和声致冷这两类热声效应工作。
热声压缩机是一种利用管件和换热器构建合适声场，并通过工作介质和回热器之间的相互作用将外部热能转化为声能的装置。对于热声压缩机而言，如果外界高温热源输入的热量使得热端温度超过一定临界值(通常在100-600℃之间)，***将自发地产生周期性压力波动，即利用热量来产生高强度声波而无需借助于任何机械运动部件。热声技术因其独特优势成为一种环保、可靠且极具应用前景的新型能源转换技术。
本实施例提供的一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***采用热声压缩机代替传统压缩机，首先热声压缩机作为外燃式热机，可以利用低品位能源或太阳能等驱动，有利于提高能源利用率(节能)；其次，可采用氦气、氮气等对环境友好的气体工质(环保)；此外，热声压缩机一般由空管段、多孔介质及换热器组成，不存在机械运动部件，具有低振动、高可靠性、长寿命等优点(可靠)，解决了现有压缩机存在机械运动部件容易磨损损坏的问题。
在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，热声压缩机的出口连接有多个超音速旋流分离器3时，多个超音速旋流分离器3一一对应连接有多个蒸发器4。即每个超音速旋流分离器3均连接有一个蒸发器4。多个蒸发器4分别连接于回流管路。
或者，参考图2，热声压缩机的出口连接有多个超音速旋流分离器3时，多个超音速旋流分离器3共同连接于一个蒸发器4。即多个超音速旋流分离器3均连接于一个蒸发器4，可获得更高的制冷量。
进一步地，如图2所示，在多个超音速旋流分离器3共同连接于一个蒸发器4时，该蒸发器4可设置多个入口与多个超音速旋流分离器3一一对应相连，可设置一个出口用于汇总流出制冷工质。另外，该蒸发器4内还可设置多个独立的换热管道，即具有多个入口和多个出口，多个换热管道与多个超音速旋流分离器3一一对应相连，多个出口可分别连接于回流管路。蒸发器4的具体形式和数量不做限定。
设置多个超音速旋流分离器3时制冷***采用混合工质。制冷***采用混合工质，不同工质的液化温度不同。使得不同超音速旋流分离器3处对不同的工质进行液化，从而获得不同的制冷温度。可用两种或两种以上不同的制冷剂，由两个或两个以上单级制冷***组合而成自复叠制冷循环。自复叠制冷循环可以实现从低于80K的液氮温区到230K的传统蒸气压缩制冷循环制冷温区，无论是在普冷领域还是在半导体工业、低温医学中的血液、药品保存、食品的冷冻储存、气体液化等深冷领域都具有比较大的实用价值。
在上述实施例的基础上，进一步地，热声压缩机的出口管路上设有高压单向阀5；回流管路上设有低压单向阀6。可控制制冷工质在回路中的顺利流动。高压单向阀5和低压单向阀6是相对来说，流经高压单向阀5的工质压力高于流经低压单向阀6的工质压力。
在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***还包括逆流换热器2。热声压缩机和超音速旋流分离器3之间以及相邻的两个超音速旋流分流器之间的至少一处设有逆流换热器2。其中热声压缩机和超音速旋流分离器3之间以及相邻的两个超音速旋流分离器3之间至少一处的管路流经逆流换热器2的高温侧，回流管路流经逆流换热器2的低温侧。
逆流换热器2的高温侧即温度较高的一侧，为换热器中的热源。逆流换热器2的低温侧即温度较低的一侧，为换热器中的冷源。具体的，可在热声压缩机和超音速旋流分离器3之间设置逆流换热器2；也可在相邻两个超音速旋流分离器3之间设置逆流换热器2；还可在热声压缩机和超音速旋流分离器3之间以及相邻两个超音速旋流分离器3之间均设置逆流换热器2。设置逆流换热器2有利于提高能量利用率，提高制冷效率。
在上述实施例的基础上，进一步地，制冷***的制冷工质包括CO2或H2O、N2或Ar、Ne或H2以及He中的至少两种。该制冷工质对环境友好，能够通过相变获得较好的制冷效果。即不同种类的制冷工质相互间的液化温度的差值大于等于预设差值。
不同种类的制冷工质的液化温度呈阶梯变化，彼此差异较大；CO2、N2、Ne以及He四种工质的液化温度彼此差异较大，呈阶梯式依次降低，可作为四种阶层的制冷工质来选用，实现多级制冷；而CO2和H2O液化温度相差不大，作为同一阶层制冷工质替换选用；N2和Ar液化温度相差不大，作为同一阶层制冷工质替换选用；Ne和H2液化温度相差不大，作为同一阶层制冷工质替换选用。在高温第一级制冷中，CO2为冷凝工质，其余Ar或N2，Ne或H2，He等均为等熵膨胀气体，以混合物形式存在；接着，第二级制冷，Ar或N2为冷凝工质，Ne或H2和He为等熵膨胀工质；第三级制冷，Ne或H2为冷凝工质，He为等熵膨胀工质。
进一步地，上述各实施例所述的制冷***中的制冷工质也可为其他气体，以能够实现液化通过相变获得较好的制冷效果为目的，具体不做限定。优选的，制冷***中的制冷工质为至少两种液化温度不同的气体混合物。在多级制冷时，混合气体的各组分会根据液化温度的不同依次产生液化，从而获得多级制冷效果。
进一步地，可采用不同的制冷工质组合实现不同的制冷温区。可采用不同的制冷工质组合以实现从制冷温区到低温温区的宽范围制冷。
在上述实施例的基础上，进一步地，制冷***的制冷工质的种类数大于超音速旋流分离器3的数量，且制冷工质中不同种类的工质具有不同的液化温度。从而在每个超音速旋流分离器3处液化一种工质，通过在不同超音速旋流分离器3中液化不同的工质，获得不同的制冷温度梯度。
在上述实施例的基础上，进一步地，超音速旋流分离器3的末端连接有扩压器304，扩压器304的出口形成超音速旋流分离器3的气体出口。超音速旋流分离器3具有液体出口，液体出口与蒸发器4的入口相连，超音速旋流分离器3中未冷凝的气态工质则直接进入扩压器304中然后排出。超音速旋流分离器3具有气液分离的作用。液体出口设在扩压器304之前，用于流出液体。通入超音速旋流分离器3的制冷工质温度会进一步降低，温度降低液化后产生的制冷工质液体会从液体出口汇集流出；而未液化的制冷工质气体则直接流入扩压器304中，与蒸发器4回流的制冷工质汇合，进行扩压。
在上述实施例的基础上，进一步地，参考图4，超音速旋流分离器3还包括依次相连的旋流装置301、Laval喷管膨胀器302和旋流气液分离器303，旋流气液分离器303上设有液体收集装置306，液体收集装置306上设有液体出口，旋流气液分离器303的气体出口连接于扩压器304的入口，扩压器304的出口连接有导向叶片305。
在上述实施例的基础上，进一步地，Laval喷管膨胀器302包括依次相连的稳定段3021、亚音速收缩段3022、喉部3023和超音速扩张段3024，其中稳定段3021连接于旋流装置301的出口。
参考图4，超音速旋流分离器3一般由旋流装置301、Laval喷管膨胀器302、旋流气液分离器303及扩压器304等4部分构成。气体膨胀制冷及液化过程均主要发生在Laval喷管膨胀器302内。Laval喷管膨胀器302可分为稳定段3021、亚音速收缩段3022、喉部3023及超音速扩张段3024等4部分。工作原理具体为：气体进入旋流装置301旋转，具有一定的加速度；在Laval喷管膨胀器302内急剧膨胀至超音速，形成低温低压环境(温度的降低是由于部分气体的热量转化为动能)，部分气体发生凝结液化形成气液两相流动；在旋转产生的切向速度和强烈旋流场离心力作用下液滴被甩到管壁，在旋流气液分离器303内由专门的液体出口排出，而气体经扩压器304排出，实现气液分离；经扩压器304减速、增压、升温后，使气体经超音速旋流分离器3损失的压力能大部分得以恢复，大大减少气体的压力损失。
在上述实施例的基础上，进一步地，热声压缩机包括驻波型热声压缩机11或行波型热声压缩机12。
具体的，参考图1，热声压缩机包括依次相连的热腔111、加热器112、回热器113、室温换热器114和谐振管115；本实施例中热声压缩机为驻波型热声压缩机11。驻波型热声压缩机11的出口和入口均设于谐振管115上。出口和入口应布置在压力波动大的位置，且可靠近。热声压缩机与超音速旋流分离器3之间设有高压单向阀5；热声压缩机的入口管路上设有低压单向阀6。高、低压单向阀尽量靠近热声发动机；阀门布置在热声***压力波动大的位置，可以获得大的压比。
进一步地，参考图3，本实施例提供一种行波型热声压缩机12。该行波型热声压缩机12包括依次相连的室温换热器122、回热器123、加热器124、热缓冲管125、次级换热器126和谐振管128。另外，谐振管128还可连接反馈管121的一端，反馈管121的另一端连接于室温换热器122。参考图3，行波型热声压缩机12的出口和进口设于谐振管128上。出口和入口应布置在压力波动大的位置，且可靠近。热声压缩机与超音速旋流分离器3之间设有高压单向阀5；热声压缩机的入口管路上设有低压单向阀6。高、低压单向阀尽量靠近热声发动机；阀门布置在热声***压力波动大的位置，可以获得大的压比。行波型热声压缩机12内部还可设有弹性膜127。
在上述实施例的基础上，具体的，图1提供一种热驱动驻波热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷实现方法及***。***主要由驻波型热声压缩机11，逆流换热器2，超音速旋流分离器3，蒸发器4，高压单向阀5，低压单向阀6组成。驻波型热声压缩机11由热腔111，加热器112，回热器113，室温换热器114，谐振管115组成。逆流换热器2由完全相同的一级逆流换热器21，二级逆流换热器22，三级逆流换热器23组成。超音速旋流分离器3由完全相同的一级超音速旋流分离器31，二级超音速旋流分离器32，三级超音速旋流分离器33组成。每一级超音速旋流分离器3均由旋流装置301，Laval喷管膨胀器302，旋流气液分离器303，扩压器304，导向叶片305，液体收集装置306组成。Laval喷管膨胀器302由稳定段3021，亚音速收缩段3022，喉部3023，超音速扩张段3024组成。蒸发器4由完全相同的一级蒸发器41，二级蒸发器42，三级蒸发器43组成。
与机械压缩式制冷***中传统的制冷剂不同的是，***采用CO2、N2(或Ar，N2与Ar液化温度接近)、Ne(或H2，Ne和H2液化温度接近)、He等混合气体作为循环工质可实现从120K-20K范围内的闭式低温制冷循环，对环境较为友好。
当***工作时，由加热器112向***输入热量，此热量来源可以为太阳能或低品位能源如工业余热、废热等，室温换热器114将多余的热量传递到外界。当回热器113(该回热器为常规多孔结构的回热器，可以为丝网结构、丝绵结构或不锈钢小球等)两侧温差形成的轴向温度梯度达到一定值，该***便可自激振荡，由室温换热器114，回热器113，加热器112组成的驻波型热声压缩机11子部件便可将热量在回热器113中转换成声功形式的机械能，从而实现热功转换过程。热声压缩机11产生的声功经由谐振管115通过高压单向阀5传递到一级逆流换热器21中，经充分换热后进入一级超音速旋流分离器31中。谐振管115起到调相的作用。
CO2、N2(Ar)、Ne(H2)、He混合气体进入一级超音速旋流分离器31中，首先经过旋流装置301后形成旋流流动状态，然后进入Laval喷管膨胀器302，依次流经稳定段3021、亚音速收缩段3022、喉部3023和超音速扩张段3024，气体混合物在Laval喷管膨胀器302内急剧膨胀至超音速，产生制冷效应，形成低温低压环境(温度的降低是由于部分气体的热量转化为动能)，首先高沸点的CO2气体发生凝结液化，在旋转产生的切向速度和强烈旋流场离心力作用下CO2液滴被甩到管壁，在旋流气液分离器303内由专门的液体收集装置306排出，并进入一级蒸发器41，在一级蒸发器41内蒸发(沸腾)变为CO2蒸气，吸收环境或需要被冷却物质的热量，使环境或需要被冷却物质的温度下降，CO2蒸气从一级蒸发器41排出进入低压通道。剩下的N2(Ar)、Ne(H2)、He混合气体通过扩压器304，经过导向叶片305稳定地流出一级超音速旋流分离器31，进入二级逆流换热器22。经扩压器减速、增压、升温后，使气体经超音速旋流分离器损失的压力能大部分得以恢复，大大减少气体的压力损失。此后过程与上述过程一致，不再赘述。
需要说明的是，经过二级制冷后N2(Ar)凝结，在二级蒸发器42内蒸发(沸腾)变为N2(Ar)蒸气，吸收环境或需要被冷却物质的热量，从二级蒸发器42排出进入低压通道。经过三级制冷后Ne(H2)凝结，在三级蒸发器43内蒸发(沸腾)变为Ne(H2)蒸气，吸收环境或需要被冷却物质的热量，从三级蒸发器43排出进入低压通道，经过低压单向阀6进入热声压缩机的低压口，进而形成一个封闭的低温制冷循环。
***采用CO2、N2(Ar)、Ne(H2)、He等混合气体作为循环工质可实现从120K-20K范围内的闭式低温制冷循环，对环境较为友好；采用基于热声效应的热声压缩机驱动制冷工质在封闭***中循环，具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长、可充分利用太阳能或低品位能源的优点；采用混合工质自复叠节流制冷循环，具有降低运行压力、结构简单紧凑、建设成本低、***效率高等优点；采用基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器作为膨胀降温元件，同时起到传统自复叠制冷循环中气液分离器和节流阀的作用，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器自身无转动部件)、长期可靠等优点。需要强调的是，本***中布置的逆流换热器、超音速旋流分离器和蒸发器的数量及位置均可以根据具体的制冷需求进行调整；热声压缩机的数量应根据***制冷需求进行确定；采用的混合工质亦可根据具体的制冷需求进行选择和配比。
在上述实施例的基础上，进一步地，图3提供一种热驱动行波热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷实现方法及***。与图1所示实施例不同的是，该实施例采用行波型热声压缩机驱动循环工质在封闭***中制冷，行波型热声压缩机12所产生声功效率更高。当***工作时，由加热器124向***输入热量，室温换热器122将多余的热量传递到外界。当回热器123(该回热器为常规多孔结构的回热器，可以为丝网结构、丝绵结构或不锈钢小球等)两侧温差形成的轴向温度梯度达到一定值，该***便可自激振荡，由室温换热器122，回热器123，加热器124组成的行波型热声压缩机12子部件便可将热量在回热器123中转换成声功形式的机械能，从而实现热功转换过程。行波型热声压缩机12产生的声功一部分经由热缓冲管125、次级换热器126、谐振管128、高压单向阀5传递到一级逆流换热器21中，接下来的过程与图1所示实施例一致，不再进行赘述；另一部分沿着反馈管121回到室温换热器122重新被放大，周而复始。反馈管121中的弹性膜127起到消除环路直流的作用。
***采用CO2、N2(Ar)、Ne(H2)、He等混合气体作为循环工质可实现从120K-20K范围内的闭式低温制冷循环，对环境较为友好；采用基于热声效应的热声压缩机驱动制冷工质在封闭***中循环，具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长、可充分利用太阳能或低品位能源的优点；采用混合工质自复叠节流制冷循环，具有降低运行压力、结构简单紧凑、建设成本低、***效率高等优点；采用基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器作为膨胀降温元件，同时起到传统自复叠制冷循环中气液分离器和节流阀的作用，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器自身无转动部件)、长期可靠等优点。需要强调的是，本***中布置的逆流换热器、超音速旋流分离器和蒸发器的数量及位置均可根据具体的制冷需求进行调整；热声压缩机的数量应由***制冷需求进行确定，可根据具体的工作环境和制冷需求采用环路多级结构等形式；采用的混合工质亦可根据具体的制冷需求进行选择和配比。
上述各实施例针对现有低温制冷技术存在的以下问题：传统机械压缩式制冷***中制冷剂对环境有危害、压缩机中存在机械运动部件容易磨损损坏的问题；经典复叠制冷***结构复杂、制造维护成本高的问题；自复叠制冷***中传统的节流装置效率不高、压降大、能耗高的问题。提供一种热驱动热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷实现方法及***，***采用CO2、N2(或Ar)、Ne(也可为H2)、He等混合气体作为循环工质可实现从120K-20K范围内的闭式低温制冷循环，对环境较为友好；采用基于热声效应的热声压缩机驱动制冷工质在封闭***中循环，具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长、可充分利用太阳能或低品位能源的优点；采用混合工质自复叠节流制冷循环，具有降低运行压力、结构简单紧凑、建设成本低、***效率高等优点；采用基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器作为膨胀降温元件，同时起到传统自复叠制冷循环中气液分离器和节流阀的作用，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器自身无转动部件)、长期可靠等优点。
进一步地，现有的超音速旋流分离器主要用于天然气中水蒸气及重烃等杂质的脱除，并没有选择合适工质以构建适合于低温温区的闭式超音速制冷循环。而本发明可以实现120K-20K范围内的闭式超音速低温制冷循环。
本发明中热声压缩机由驻波型、行波型或环路多级等形式的热声发动机在合适的热声位置(大压比处)安装高低压单向阀组成，能够产生稳定的高压流动和低压流动。采用基于热声效应的热声压缩机驱动制冷工质在封闭***中循环，具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长、可充分利用太阳能或低品位能源的优点；采用驻波型、行波型热声压缩机，起到了传统机械压缩式制冷***中压缩机的作用，能充分利用太阳能或低品位能源如工业余热、废热等进行热驱动制冷。
该热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***克服了传统机械压缩式制冷***中制冷剂对环境有危害，压缩机中存在机械运动部件容易磨损损坏等缺点，解决了经典复叠制冷***结构复杂、制造维护成本高，自复叠制冷***中传统的节流装置效率不高、压降大、能耗高等问题。
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 (8)
1.一种热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，其特征在于，包括：热声压缩机、超音速旋流分离器和蒸发器，所述热声压缩机的出口依次串联连接有至少一个所述超音速旋流分离器，所述超音速旋流分离器的气体出口通过回流管路连接于所述热声压缩机的入口，所述蒸发器的入口连接于所述超音速旋流分离器的液体出口，所述蒸发器的出口连接于所述回流管路；
所述热声压缩机的出口管路上设有高压单向阀；所述回流管路上设有低压单向阀；
还包括逆流换热器，所述热声压缩机和所述超音速旋流分离器之间以及相邻的两个超音速旋流分流器之间的至少一处设有所述逆流换热器，其中所述热声压缩机和所述超音速旋流分离器之间以及相邻的两个超音速旋流分离器之间至少一处的管路流经所述逆流换热器的高温侧，所述回流管路流经所述逆流换热器的低温侧。
2.根据权利要求1所述的热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，其特征在于，所述热声压缩机的出口连接有多个所述超音速旋流分离器时，多个所述超音速旋流分离器一一对应连接有多个所述蒸发器。
3.根据权利要求1所述的热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，其特征在于，所述热声压缩机的出口连接有多个所述超音速旋流分离器时，多个所述超音速旋流分离器共同连接于一个所述蒸发器。
4.根据权利要求1至3任一所述的热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，其特征在于，所述制冷***的制冷工质包括CO2或H2O、N2或Ar、Ne或H2以及He中的至少两种。
5.根据权利要求4所述的热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，其特征在于，所述制冷***的制冷工质的种类数大于所述超音速旋流分离器的数量。
6.根据权利要求1至3任一所述的热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，其特征在于，所述超音速旋流分离器的末端连接有扩压器，所述扩压器的出口形成所述超音速旋流分离器的气体出口。
7.根据权利要求6所述的热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，其特征在于，所述超音速旋流分离器还包括依次相连的旋流装置、Laval喷管膨胀器和旋流气液分离器，所述旋流气液分离器上设有液体收集装置，所述液体收集装置上设有所述液体出口，所述旋流气液分离器的气体出口连接于所述扩压器的入口，所述扩压器的出口连接有导向叶片。
8.根据权利要求1至3任一所述的热声压缩机驱动的多级超音速低温制冷***，其特征在于，所述热声压缩机包括驻波型热声压缩机或行波型热声压缩机。
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