МИКРОКРИОГЕННАЯ МАШИНА С ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ

Полезная модель относится к холодильной и микрокриогенной технике для криостатирования объектов, а именно к микрокриогенным машинам на базе пульсационной трубы раздельного типа с термоакустическим приводом и может использоваться в ракетно-космической технике, медицине и других областях техники, где требуется поддержание температуры криостатируемого объекта в течение длительного времени.
Известна микрокриогенная машина на базе пульсационной трубы с линейным электрическим приводом (US 2007/0095074 Al, F25B 9/00, опубл. 03.05.2007), включающим в себя два линейных электрических генератора колебаний давления, которые работают в оппозитном режиме. Каждый из них содержит статор и ферромагнитный электрический якорь с поршнем, который подвешивается на упругих пружинах мембранного типа и может совершать возвратно-поступательное движение, при этом четыре обмотки статора располагаются на магнитных опорах в ортогональных плоскостях.
Недостатки такой конструкции заключаются в наличии подвижных частей и сложности корректировки радиального положения поршня, что снижает надежность и ресурс микрокриогенной машины. Кроме того, машина имеет увеличенные массогабаритные характеристики.
Прототипом полезной модели является микрокриогенная машина на базе пульсационной трубы (US 4953366, F25B 1/00, опубл. 04.09.1990), включающая в себя микроохладитель на базе пульсационной трубы, термоакустический привод в виде термоакустического двигателя на стоячей волне, представляющего собой полуволновой акустический резонатор цилиндрической формы с размещенным внутри него теплообменным узлом в виде регенератора с горячим и холодным теплообменниками на торцах, а также передающий элемент в виде соединительного трубопровода.
Недостатки прототипа заключаются в сложности конструкции и невысокой эффективности из-за того, что подвод тепла к теплообменному узлу термоакустического двигателя на стоячей волне осуществляется в центральной части резонатора, требуется создание принудительной системы запуска термоакустического двигателя, а сам термоакустический двигатель на стоячей волне имеет низкую эффективность преобразования подводимой тепловой энергии в акустическую.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности и эффективности микрокриогенной машины.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что микрокриогенная машина с термоакустическим приводом, содержащая микроохладитель на базе пульсационной трубы, передающий элемент в виде соединительного трубопровода и термоакустический привод, согласно полезной модели, термоакустический привод представляет собой термоакустический двигатель на бегущей волне, состоящий из четвертьволнового акустического резонатора цилиндрической формы, внутри которого расположен теплообменный узел, состоящий из регенератора и прилегающих к его торцам холодного и горячего теплообменников цилиндрического профиля, насаженных на гильзу длиной, равной общей длине регенератора с теплообменниками.
Кроме того, горячий и холодный теплообменники в термоакустическом двигателе на бегущей волне разделены зазором с регенератором для предотвращения уменьшения градиента температур на регенераторе вследствие перетечек тепла за счет теплопроводности.
Гильза выполнена из тонкостенного металла для того, чтобы уменьшить перетечки тепла вследствие теплопроводности.
Благодаря тому, что горячий теплообменник в резонаторе термоакустического двигателя располагается вблизи торца, обеспечивается локальный подвод тепла к микрокриогенной машине, что позволяет использовать остальную внешнюю поверхность резонатора и соединительного трубопровода в качестве радиатора, рассеивающего тепло от рабочего газа в окружающее пространство.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг.1 приведена общая компоновка микрокриогенной машины с термоакустическим приводом,
на фиг.2 приведена схема микрокриогенной машины.
Микрокриогенная машина с термоакустическим приводом включает в себя термоакустический двигатель на бегущей волне 1, который соединен трубопроводом 2 с микроохладителем 3. Термоакустический двигатель на бегущей волне 1 представляет собой четвертьволновой акустический резонатор 4 цилиндрической формы, внутри которого располагается теплообменный узел, состоящий из регенератора 5 и прилегающих к его торцам холодного теплообменника 6 и горячего теплообменника 7 цилиндрического профиля, насаженных на гильзу 8 из тонкостенного металла. Горячий теплообменник 7 и холодный теплообменник 6 разделены зазором с регенератором 5. Микрооохладитель 3 включает в себя следующие последовательно расположенные элементы: горячий теплообменник 9, регенератор 10, переходник 11, холодный теплообменник 12, пульсационную трубу 13, горячий телообменник 14, жиклер 15, инерционную трубку 16 и акустическую податливость 17.
Микрокриогенная машина с термоакустическим приводом работает следующим образом. Тепло к термоакустическому двигателю на бегущей волне 1 подводится через горячий теплообменник 7, а отработанное тепло отводится с холодного теплообменника 6. Под действием градиента температур, инициируемого двумя теплообменниками, в регенераторе 5 возникают флуктуации рабочего газа, которые сопровождаются переносом тепла от горячего теплообменника 7 к холодному теплообменнику 6. Флуктуации газа в регенераторе 5 начинают возрастать и возникает акустическая волна, которая распространяется по резонатору 4. Одна часть акустической мощности, переносимой волной, уходит от термоакустического двигателя на бегущей волне 1 по трубопроводу 2 на микроохладитель 3, а другая возвращается через холодный теплообменник 6 к регенератору 5, где вследствие выполнения принципа Рэлея она усиливается и процесс повторяется. В результате этого, в микроохладителе 3 устанавливаются циклические пульсации давления рабочего газа. При этом в регенераторе микроохладителя 10 также начинает выполняться принцип Рэлея, из-за чего инициируется процесс переноса тепла от холодного теплообменника 12 через переходник 11 с регенератором 10 и пульсационную трубу 13 к горячим теплообменникам 9 и 14. Таким образом, на холодном теплообменнике 12 происходит холодопроизводящий процесс. Настройка оптимального режима работы микрокриогенной машины с термоакустическим приводом осуществляется подбором проходного сечения жиклера 15, длины и проходного сечения инерционной трубки 16, а также подбором объема акустической податливости 17.
Таким образом, полезная модель позволяет повысить надежность и эффективность микрокриогенной машины на базе пульсационной трубы с термоакустическим приводом.