量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到旁路3中，另一部分通过谐振管12传递到下一级热声发动机单元中重复以上过程；传递到每个旁路3的声功均传递到该旁路的脉管制冷机单元的回热器14中发生热声转换，将每一个脉冲管制冷机单元2的冷头15热量泵送至该脉冲管制冷机单元2的制冷机主水冷器13，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一个脉冲管制冷机单元2的冷头15保持低温；
[0030]在每一旁路中，根据制冷机单元尺寸由小到大的顺序，第I?3级冷头15的温度依次降至气体液化温度，第4级冷头15维持在气体液化温度；气体按照冷头温度从高到低的顺序依次通过任意一个旁路中的每一冷头:在第I?3级冷头中，气体显热被吸收，温度降至液化温度；最后，气体通过第4级冷头，释放潜热后，气体由气态转变为液态。每一旁路中，相邻脉管制冷机单元中冷头的温度差相同。以液化天然气为例，假设天然气初始温度为310K，天然气液化温度为110K，则相邻脉管制冷机单元的冷头温度差均为100K，即每一旁路的冷头温度依次为310K、210K、110K，110K。
[0031]每一旁路上脉管制冷机尺寸由小到大的原因为:气体每次下降的温度相同，根据公式Q = cmAT(其中Q为气体释放的热量、等于制冷量，c为气体比热容，m为气体的质量)，每一冷头的制冷量相同。因每一冷头制冷温度不同，制冷温度越低的冷头需要的声功越大。因此，为了合理分配声功，制冷温度越低的脉管制冷机单元的尺寸(长度和横截面积)越大。
[0032]实施例2:
[0033]图3是本发明的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置(实施例2)结构示意图；如图3所示，本实施例2的气体多级液化装置由4个(#1热声发动机单元、#2热声发动机单元、#3热声发动机单元和#4热声发动机单元)完全相同(长度和横截面积)的热声发动机单元和4个旁路3组成；各级热声发动机单元通过尺寸相同的谐振管12首尾相连而成构成环路结构；每一旁路3中均连接5个尺寸由小到大的脉管制冷机单元2 ;每一级旁路处于每一发动机次冷却器11的出口与谐振管12的连接处；；
[0034]每一级热声发动机单元I均由依次相连的直流抑制器4、发动机主冷却器5、发动机回热器6、加热器7、高温端层流化元件8、热缓冲管9、室温端层流化元件10和发动机次冷却器11组成；每一脉冲管制冷机单元2均由依次相连的直制冷机主冷却器13、制冷机回热器14、冷头15、低温端层流化元件16、脉冲管17、室温端层流化元件10、制冷机次冷却器18和调相结构19组成。
[0035]每一加热器7与热源相连以吸收热源热量形成相同的高温端；所述发动机主冷却器5和发动机次冷却器10通过水冷器冷却以维持在室温范围；因此，每一级热声发动机单元I的发动机回热器6上形成温度梯度；在温度梯度下，发动机回热器6内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器7的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到旁路3中，另一部分通过谐振管12传递到下一级热声发动机单元中重复以上过程；其中，传递到旁路3中的声功分别传递到5个制冷机回热器14中发生热声转换，将每一冷头15的热量泵送至制冷机主水冷器13，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一冷头15保持低温；
[0036]所述每一旁路中，根据制冷机单元尺寸由小到大的顺序，第I?4级冷头15的温度依次降至气体液化温度，第5级冷头15维持在气体液化温度；气体按照冷头温度从高到低的顺序依次通过任意一个旁路中的每一冷头:在第I?4级冷头中，气体显热被吸收，温度降至液化温度；最后，气体通过第5级冷头，释放潜热后，气体由气态转变为液态。每一旁路中，相邻脉管制冷机单元中冷头的温度差相同。以液化天然气为例，假设天然气初始温度为290K，天然气液化温度为110K，则相邻脉管制冷机单元的冷头温度差均为60K，即每一旁路的冷头温度依次为290K、230K、170K、110K，110K。
[0037]每一旁路上脉管制冷机尺寸由小到大的原因为:由于气体每次下降的温度相同，根据公式Q = cmA T (其中Q为气体释放的热量、等于制冷量，c为气体比热容，m为气体的质量)，每一冷头的制冷量相同。因每一冷头制冷温度不同，制冷温度越低的冷头需要的声功越大。因此，为了合理分配声功，制冷温度越低的脉管制冷机单元的尺寸(长度和横截面积)越大。
[0038]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
【主权项】
1.一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其包括: N级结构尺寸均相同的热声发动机单元(I)通过谐振管(12)首尾相连构成的环路结构，所述谐振管(12)直径和长度相同； 旁接于每个谐振管(12)的N个旁路(3); 所述N个旁路(3)中的每个旁路中并联地连接M级尺寸由小到大的脉管制冷机单元(2)，所述尺寸是指脉管制冷机单元(2)长度和横截面积；所述由小到大是指脉管制冷机单元(2)由远离谐振管(12)的远端至近端的尺寸由小到大； 其中，N = 3?6正整数；M = 4?10正整数； 所述N级热声发动机单元(I)中的每一级热声发动机单元均由依次相连的直流抑制器(4)、发动机主冷却器(5)、发动机回热器(6)、加热器(7)、高温端层流化元件(8)、热缓冲管(9)、室温端层流化元件(10)和发动机次冷却器(11)组成；所述环路结构中的每个谐振管(12)—端与一级热声发动机单元的发动机主冷却器(5)相连，另一端与下一级热声发动机单元的发动机次冷却器(11)相连；所述每一级热声发动机单元的高温端层流化元件(8)安装在该级热声发动机单元的热缓冲管(9)高温侧，所述每一级热声发动机单元的室温端层流化元件(10)安装在该级热声发动机单元的热缓冲管(9)室温侧； 所述M级脉冲管制冷机单元(2)的每一级脉冲管制冷机单元均由依次相连的制冷机主冷却器(13)、制冷机回热器(14)、冷头(15)、低温端层流化元件(16)、脉冲管(17)、室温端层流化元件(10)、制冷机次冷却器(18)和调相结构(19)组成；所述每一级脉管制冷机单元的低温端层流化元件(16)安装在该级脉管制冷机单元的脉冲管(17)低温侧，所述每一级脉管制冷机单元的室温端层流化元件(10)安装在该级脉管制冷机单元的脉冲管(17)室温侧； 所述N个旁路(3)中每一旁路均处于发动机次冷却器(11)出口与谐振管(12)的连接处； 所述每一级热声发动机单元的加热器(7)均与一热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；所述每一级热声发动机单元的发动机主冷却器(5)和发动机次冷却器(10)通过水冷器冷却以维持在室温范围；由此，每一级热声发动机单元的发动机回热器(6)上形成温度梯度；在该温度梯度下，每一级热声发动机单元的发动机回热器(6)内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到该级热声发动机单元的加热器(7)的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到旁路(3)中，另一部分通过谐振管(12)传递到下一级热声发动机单元中重复以上过程；传递到每个旁路(3)的声功均传递到该旁路的脉管制冷机单元的回热器(14)中发生热声转换，将每一个脉冲管制冷机单元(2)的冷头(15)热量泵送至该脉冲管制冷机单元(2)的制冷机主水冷器(13)，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一个脉冲管制冷机单元(2)的冷头(15)保持低温; 根据M级脉冲管制冷机单元尺寸由小到大的顺序，从第I?M-1级脉管制冷机单元中的冷头(15)的温度依次等量降至气体液化温度，第M级脉管制冷机单元中的冷头(15)维持在气体液化温度；待液化气体按照冷头温度从高到低的顺序依次通过各旁路中的每一冷头:在第I?M-1级脉管制冷机单元中的冷头中，气体显热被吸收，温度降至液化温度?’最后，待液化气体通过第M级脉管制冷机单元中的冷头，释放潜热后，待液化气体由气态转变为液态。2.按权利要求1所述的一种声学共振型热声发动机驱动的气体多级液化装置，其特征在于，所述每一级热声发动机单元的直流抑制器(4)为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。3.按权利要求1所述的一种声学共振型热声发动机驱动的气体多级液化装置，其特征在于，所述的声学共振型热声发动机驱动的气体多级液化装置使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。4.按权利要求1所述的一种声学共振型热声发动机驱动的气体多级液化装置，其特征在于，所述的待液化气体为天然气、氮气或氢气。
【专利摘要】一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置：由谐振管首尾相连构成环路的N级热声发动机单元及旁路，各旁路连接M级由小到大脉管制冷机单元，N＝3～6，M＝4～10；工作时，发动机加热器被加热至高温，回热器形成温度梯度，系统产生往复振荡压力在回热器中进行热声转换，冷头热量泵至主冷却器输出冷头保持低温；1～M-1级制冷机的冷头温度等量减小至气体液化温度，第M级的冷头维持在液化温度；待液化气体由冷头温度从高至低顺序通过所有冷头完成液化，实现气体从常温到液化温度的液化流程，旁路的多级脉管制冷机可梯级降低气体温度有效减少传热损失；脉管制冷机由小到大排列有利声功合理分配；各发动机单元结构尺寸相同有利批量生产，可降低制作成本。
【IPC分类】F25B9/14
【公开号】CN104913537
【申请号】CN201510358609
【发明人】罗二仓, 徐静远, 张丽敏, 胡剑英, 吴张华, 戴巍, 余国瑶, 王晓涛
【申请人】中国科学院理化技术研究所
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月25日