带质量流量抑制的行波装置制造方法及图纸

这项发明专利技术提供一种取消传统的活塞的行波装置。声功率按通过流体的方向在环形室（３０）内循环。侧枝可以接到环形室上，以便把声功率转移到环形室中或者转移出环形室。再生器（３２）坐落于环形室中，相对声功率循环方向第一热交换器（３２）位于再生器下游在再生器的第一侧；第二热交换器位于再生器的上游侧。改进是坐落在环形室中的质量流量抑制器把流体的时间平均质量流量减少到最低限度。在一个实施方案中，该装置进一步包括在环形室中的热缓冲柱，以使处在装置的工作温度下的热交换器绝热。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及行波引擎和制冷器，更具体地说涉及作为斯特林引擎和制冷器实现的行波引擎和制冷器。本专利技术的现有技术就这项专利技术而言存在着大量的重要的先例。最重要的先例是历史悠久的斯特林引擎和制冷器。从斯特林引擎和制冷器中取消活动部件的重大步骤发生在1969年，当时William Beale专利技术了“无活塞”型斯特林装置，在该装置中曲轴和连杆被气体弹簧代替，以致可以通过选择气体弹簧常数和活塞质量使活塞的谐振运动具有预期的频率、振幅和相位。Ceperley在“Gain and efficiency of a short traveling-wave heatengine(短行波热引擎的增益和效率)”(77，J.Acoust.Soc.Am.，pp.1239-1294，1985)中提出斯特林引擎和制冷器的本质是再生器(和毗邻的热交换器)，其中压力和速度的振荡在相位方面本质上是声学行波的痕迹，所以本质上带包含斯特林热交换组件的超环面拓扑学的声学网络能提供这样的相位调整。Ceperley主张采用这样的配置在卡诺效率的80％附近的效率原则上是可能的。Ceperley的贡献可以看作是对Beale的工作的拓展，Ceperley不仅利用Beale的气体弹簧作用而且利用气体惯性作用，因此取消了Beale的专利技术中整体活塞。Ceperley的其它相关的教导是在1978年9月19日授权的美国专利第4,113,380号和1982年10月26日授权的美国专利第4,355,517号中阐述的。但是，Ceperley没有提出关于怎样实现实用装置的教导。传统的孔板脉冲管制冷器(OPTR)(Radebaugh，“A reviewof pulse tube refrigeration(脉冲管制冷评论)”，35，Adv.CryogennicEng.，pp.843-844(1992))在热力学方面象斯特林制冷器那样操作，但是冷的移动部分被无源的元器件(被称为脉冲管的热缓冲柱)和耗能的声学阻抗网络代替。OPTR的效率 基本上受温度比TC/T0的限制，这个温度比低于卡诺值TC/(T0-TC)，这是因为在耗能的声学阻抗网络中存在的固有的不可逆性。T是温度， 是热量， 是功，而下标0和C分别表示环境温度和低温。OPTR可以被看成是另一种从斯特林装置中取消了移动部件的装置。但是，OPTR的效率本质上低于斯特林装置的效率，而且OPTR仅仅适用于制冷器。传统的OPTR已经长期使用被称为脉冲管的热缓冲柱，而且直到最近这个元器件还带有严重的热泄漏。但是，如同在1997年11月21日归档的美国专利申请第S.N 08/975,766号中介绍的那样采用锥形管可以沿着这样的热缓冲柱把热泄漏降低到OPTR的冷却能力的5％。热缓冲柱已经被用在双活塞斯特林制冷器和OPTR中，但是尚未被用在斯特林引擎中。就双入口的各种OPTR而言，Gedeon在“DC gas flows inStirling and pulse-tube cryocoolers(在斯特林低温冷却器和脉冲管低温冷却器中的DC气流)”(Ross编辑的Cryocoolers 9，pp385-392(Plenum，NY 1997))中讨论了每逢存在适合稳定的质量流量的闭环路径时非零的时间平均质量流量 怎样才会出现在斯特林低温冷却器和脉冲管低温冷却器中。通过斯特林引擎或制冷器的 接近零对于防止稳定的大能通量 把不必要的热载荷添加给制冷器的低温热交换器或者防止稳定的大能通量 使引擎的高温热交换器损失大量的热量是必不可少的，因此不论在哪种情况下都将降低效率。在此Cp是单位质量气体的等压比热。另一方面，与这项专利技术不大直接相关的先例是近20年来在洛斯阿拉莫斯国家实验室和其它地方研制的一套现有技术的热声学引擎和制冷器。这些装置利用气压振荡和速度振荡之间近乎驻波的相位调整和利用堆中蓄意制造的不良热接触(这在其它情况下对再生器来说或许是错误的)在本质上不可逆的循环中操作。至今固有的不可逆性和其它的实际问题仍然把最好的驻波热声引擎和制冷器的效率限制在卡诺效率的25％以下。本专利技术的各种目的、优点和新颖特征将在后面的介绍中予以部分地陈述，并且对于熟悉这项技术的人通过考核或通过学习本专利技术的实践将变得明显。本专利技术的目的和优点可以借助在权利要求书中特别指出的手段和制品予以实现。图7图解说明作为图6所示制冷器的低温热交换器温度Tc的函数的能通量；图8是本专利技术带流体动力质量流量抑制器的引擎型的截面图；图9图解说明图8所示引擎的再生器内的温度分布；附图说明图10A和10B示意地图解说明通过流体动力质量流量抑制器的不对称的质量流量；图11A图解说明在TH＝525℃时图8所示引擎的效率；图11B图解说明在|pl|/pm＝0.05时图8所示引擎的效率；图12A和12B分别是在本专利技术中使用的狭缝可变的质量流量抑制器的侧视截面图；图13A示意地描绘图3所示的制冷器的热泵适应性；图13B示意地描绘受图4所示的引擎驱动的图3所示的制冷器；图13C示意地描绘坐落在单一的环形室中的热的制冷器；图13D示意地描绘由单一的源驱动的并联的众多图3所示的制冷器。本专利技术的详细说明按照本专利技术，一类新引擎和制冷器在热力学方面象斯特林引擎和制冷器那样操作，但是，所有的活动部件都由于用声学现象代替以前在斯特林装置中使用的活塞而被取消。因此，在这些装置中获得了斯特林循环(其固有的限制是卡诺效率)的效率优势和本质上不可逆的热声学的无活动部件的简单性/可靠性优势。图1A和图2A所示的斯特林制冷器10和斯特林引擎20的基本元器件是再生器12，每个再生器都有两个毗邻的热交换器16、18。使遍布这些元器件的气体(或者其它有热力学活性的流体)经历压力振荡和位移振荡，其中相位调整致使声功率在环境温度端TO进入这些元器件并且在处于低温TC或高温TH的另一端离开，如同在图1A和图2A中用又长又宽的箭头表示的那样。再生器12有热容量，而再生器12内的气体通道有比气体中的热渗透深度小的水力半径。为了定量地考虑热力学循环，假设基本的物理现象在空间上是一维的，其中指定x是沿着振荡气体运动方向的坐标。这样使用传统的逆时针的相位矢量表示法，以致依赖于时间的变量可以用与时间t无关的实数平均值ξm和考虑到振荡的幅度和相位的复数ξ1(x)表示成ξ(x，t)＝ξm(x)＋Re (1)其中振荡的角频率为ω＝2πf，f是普通频率。为了讨论与引擎和制冷器的元器件相关联的集总和分布式的阻抗，声学观点是用声阻、声惯量、声顺和传输线之类的词汇表达的。这种表达在再生器范围内也是成功的(例如，参阅Swift等人的“Simpleharmonic analysis of regenerators(制冷器的简化谐波分析)”，10，Journal of Thermophysics and Heat Transfer，pp.652-662(1996))。该方法主要着眼于传统的声学变量压力高度p1和体积速度U1。x和U1的正方向取作声功率流动的正方向。高效率的斯特林引擎和制冷器的相位矢量图的特点是用图1B和2B表示的。在图1A和2A以及后面的附图中，p1和U1之类变量上大写字母的下标对应于用具有同样的下标的T标注的位置。可以采用任意的约定，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无活塞的行波装置，该装置具有：ａ．使声功率按通过流体的方向循环的环形室；ｂ．位于环形室中的再生器；ｃ．相对声功率的循环方向位于再生器下游的第一热交换器；以及ｄ．位于再生器上游的第二热交换器；其中改进包括：ｅ．位于环形室中的质量流量抑制器把流体的时间平均质量流量减少到最低限度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈里W斯威夫特，斯科特N贝克霍斯，戴维L加德纳，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]