АКУСТИЧЕСКИЙ ХЛАДОАГРЕГАТ, УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
SONIC COLD DEVICE, ACOUSTIC RADIATION ELEMENT

Изобретение относится к холодильной или морозильной технике, в частности к машинам, в которых хладагентом является воздух, и может быть использовано в бытовых холодильниках.
Введение в действие на территории Российской Федерации регулирующих мер Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, и Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН о сохранении климата поставило задачу в ближайшей перспективе сокращения производства и потребления гидрохлорфтор-углеродов и развития альтернативных технологий получения искусственного холода.
Проведенные в этом направлении исследования показали, что одним из перспективных методов получения искусственного холода является акустический метод, основанный на переносе тепла звуком и использующий в качестве рабочего вещества воздух или смесь газов.
Известен акустический хладоагрегат, содержащий корпус, помещенный в корпус акустический излучатель, выполненную в корпусе полость, заполненную рабочей средой, под резонатор и встроенный в нее регенератор, на торцах которого установлены теплообменники, акустический излучатель встроен в устройство возбуждения (см. патент US 6804967, F25B 9/00, 2004 г.).
Известное устройство обеспечивает перепад температур до 12°С, что не позволяет применить его в бытовом холодильнике.
Из уровня техники не известно устройство (объединенное одним изобретательским замыслом с акустическим хладоагрегатом) возбуждения излучателя акустического хладоагрегата генератором синусоидальных сигналов с автоподстройкой частоты.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка акустического хладоагрегата с тепловым потоком более 30 Вт и перепадом температуры 30°С, что даст возможность применить такой хладоагрегат в бытовом холодильнике.
Указанная задача решена тем, что в акустическом хладоагрегате, содержащем корпус, помещенный в корпус акустический излучатель, выполненную в корпусе полость, заполненную рабочей средой, под резонатор и встроенный в нее регенератор, на торцах которого установлены теплообменники, акустический излучатель встроен в устройство возбуждения, согласно изобретению полость под резонатор выполнена ступенчатой формы с уменьшением размера в направлении от излучателя, с опорой каждой ступени на свою заходную часть, выполненную в форме усеченного конуса, теплообменник выполнен в виде алюминиевого перфорированного диска, а в качестве рабочей среды использована гелий-криптоновая смесь под давлением 2…3 атм.
Указанная задача решена еще тем, что устройство возбуждения акустического излучателя характеризуется соединенными в кольцо генератором, управляемым напряжением, третий вход которого соединен с подстроечным резистором управления частотой; формирователем коммутирующих импульсов; фазовращателем, дополнительно соединенным вторым входом с генератором, управляемым напряжением, усилителем мощности, вход которого соединен с потенциометром управления током; фильтром; акустическим излучателем; датчиком тока; вторым быстродействующим операционным усилителем блока операционных усилителей; фазовым дискриминатором и соединенным с кольцом первым быстродействующим операционным усилителем своим первым входом от второго выхода генератора, управляемого напряжением, а выходом со вторым входом фазового дискриминатора при подключении ко второму входу первого быстродействующего операционного усилителя подстроечного резистора управления сдвигом фазы, при этом устройство характеризуется запитанным от сети силовым преобразователем напряжения, первый выход которого соединен со вторым входом усилителя мощности, а второй выход с первым входом блока быстродействующих операционных усилителей и запитанным от сети маломощным источником питания, первый выход которого (с выпрямленным напряжением +30 В) соединен силовым преобразователем напряжения, а второй выход (с выпрямленным напряжением +15 В) соединен через стабилизатор напряжения, выход которого, в свою очередь, соединен со вторым входом блока быстродействующих операционных усилителей, с третьим входом фазового дискриминатора, со вторым входом генератора, управляемого напряжением, и вторым входом формирователя коммутирующих импульсов.
Эффективно, если силовой преобразователь напряжения выполнен в виде соединенных последовательно сетевого выпрямителя, регулируемого инвертора, трансформаторно-выпрямительного блока, высокочастотного фильтра и устройства управления и защиты, включенного между выходом высокочастотного фильтра и вторым входом регулируемого инвертора.
Достаточно, если маломощный источник питания выполнен в виде включенных последовательно понижающего трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра.
Совокупность отличительных признаков заявленных технических решений заявителю не известна, что является доказательством новизны предложения, а каждый из признаков заявленной совокупности со всей очевидностью не следует из уровня техники, что является доказательством наличия изобретательского уровня в предложении. При этом авторы подчеркивают наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков изобретения и достигнутым результатом, имеющим технический характер.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен акустический хладоагрегат, на фиг.2 представлена структурная электрическая схема устройства возбуждения акустического излучателя, на фиг.3 - структурная электрическая схема силового преобразователя напряжения, на фиг.4 - структурная электрическая схема маломощного источника питания.
Акустический хладоагрегат содержит корпус 1, выполненный оребренным со стороны горячего теплообменника.
В корпус помещен акустический излучатель 2 (динамик). Корпус выполнен разъемным для удобства изготовления и сборки. В корпусе выполнена полость под резонатор 3 ступенчатой формы с уменьшением размера в направлении от излучателя, с опорой каждой ступени на свою заходную часть в форме усеченного конуса. В полости размещен регенератор 4, по концам которого установлены теплообменник 5 (холодный) и теплообменник 6 (горячий). Теплообменники выполнены в виде алюминиевого перфорированного диска. На поз.7 условно показано устройство возбуждения акустического излучателя 2. Рабочим телом является гелий-криптоновая смесь под давлением 2…3 атм. Основное преимущество такой смеси перед воздухом или чистым гелием состоит в значении числа Прандтля - отношении коэффициента климатической вязкости к коэффициенту теплопроводности. Число Прандтля для гелий-криптоновой смеси составляет около 0,3 при концентрации криптона 0,2…0,5. Эта смесь имеет еще одно преимущество перед чистым гелием - малая скорость звука. Чем ниже скорость звука, тем меньшая длина резонатора необходима. Это позволяет уменьшить длину всей конструкции. Оптимальное рабочее давление смеси равно 2,5 атм. и выбирается с учетом значения температуропроводности.
Принципом работы заявленного устройства является принцип теплового насоса, переносящего тепло от холодного тела к горячему в зазоре между двумя пластинами в условиях звукового поля. Элементарный объем рабочей среды (воздуха) колеблется в звуковом поле, являющемся стоячей волной около одной из пластин регенератора. При максимальном смещении элементарного объема давление в нем максимально. Газ сжат, и температура в нем отличается от температуры пластины. Вследствие разницы температур возникает тепловой поток от элементарного объема к пластине. Далее элементарный объем движется в обратном направлении и при максимальном смещении давление в нем минимально. Газ в нем разрежен, следовательно, его температура понижена по сравнению со средним значением и температурой пластины. Вследствие разности температур возникает тепловой поток к элементарному объему от пластины. При каждом повторении этого циклического движения элементарный объем воздуха забирает некоторое количество тепла на одном конце пластины и передает это же количество тепла другому концу пластины. Таким образом, в стоячей звуковой волне возникает однонаправленный перенос тепла. Для поддержания этого процесса переноса необходимы одновременные перемещения элементарного объема и изменение давления в нем.
Исследованиями установлено, что поток тепла пропорционален квадрату амплитуды давления, то есть является квадратичной по полю (звуковому) величиной. Теряемая в звуковом поле мощность - тоже квадратичная величина. Это позволяет делать ориентировочные оценки звуковых полей, необходимых для создания больших потоков тепла. Например, если увеличить звуковое давление до 6,5×103 Па (167 дБ), то поток тепла увеличится в 10 раз и составит 13,6 Вт.
Реализация этого принципа происходит при помощи резонатора 3, в котором создается стоячая волна акустических колебаний рабочей среды регенератора 4. Стоячая волна образуется в результате наложения двух волн, распространяющихся в резонаторе во взаимно противоположных направлениях: одна - от акустического излучателя, а другая, прошедшая регенератор и отраженная от торца резонатора, - противоположно акустическому излучателю. При этом должны быть выполнены условия: - частоты волн одинаковы; - амплитуды колебаний являются одинаковыми функциями координат; - у торца резонатора располагаются реверсивные узлы скоростей смещения газа и образуются максимальные пучности давления. Таким образом, основной проблемой обеспечения максимального эффекта преобразования энергии акустических колебаний в тепловую и холодную является проблема акустического согласования частотных и амплитудных режимов акустического излучателя и резонатора. Проблема обостряется тем, что при изменении температуры окружающей среды и элементов конструкции в процессе работы изменяются все акустические параметры. Для того чтобы удержать акустические параметры в стабильном состоянии, акустический излучатель хладоагрегата встроен в устройство возбуждения 7 {фиг.1). Устройство возбуждения акустического излучателя {фиг.2) содержит соединенные в кольцо генератор 8, управляемый напряжением, третий вход которого соединен с подстроечным резистором управления частотой, формирователь коммутирующих импульсов 9, фазовращатель 10, дополнительно соединенный с генератором, управляемым напряжением, усилитель мощности 11, второй вход которого соединен с потенциометром управления током, фильтр 12, акустический излучатель 2, датчик тока 13, второй быстродействующий операционный усилитель 14 блока операционных усилителей 15, фазовый дискриминатор 17 и соединенный с кольцом первый быстродействующий операционный усилитель 16, своим первым входом соединенный со вторым выходом генератора, управляемого напряжением, а выходом - со вторым входом фазового дискриминатора с подключением ко второму входу первого быстродействующего операционного усилителя подстроечного резистора управления сдвигом фазы, при этом устройство содержит запитанный от сети силовой преобразователь напряжения 18, первый выход которого соединен со вторым входом усилителя мощности, а второй выход - с первым входом блока быстродействующих операционных усилителей, и запитанный от сети маломощный источник питания 19, первый выход которого (с выпрямленным напряжением +30 В) соединен с силовым преобразователем напряжения, а второй выход (с выпрямленным напряжением +15 В) соединен через стабилизатор напряжения 20, выход которого, в свою очередь, соединен со вторым входом блока быстродействующих операционных усилителей, с третьим входом фазового дискриминатора, со вторым входом генератора, управляемого напряжением, и вторым входом формирователя коммутирующих импульсов. Силовой преобразователь напряжения 18 (фиг.3) содержит сетевой выпрямитель 21, регулируемый инвертор 22, трансформаторно-выпрямительный блок 23, высокочастотный фильтр 24 и устройство управления и защиты 25, выход которого соединен со вторым входом регулируемого инвертора.
Силовой преобразователь напряжения предназначен для электропитания акустического излучателя и обеспечивает преобразование напряжения переменного тока сети 220 В (50 Гц) в стабилизированное напряжение постоянного тока, регулируемое в диапазоне 10…100 В. Силовой преобразователь обеспечивает при минимальных габаритах выходную мощность устройства возбуждения до 100 Вт с КПД до 95% и высокую стабильность выходного напряжения при пульсациях не более 1%. Сетевой выпрямитель 21 выполнен по безтрансформаторной схеме. Он обеспечивает выпрямление напряжения сети 220 В (50 Гц), сглаживание пульсаций, постоянную подачу выпрямленного напряжения в нагрузку при кратковременных провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшение уровня помех за счет применения помехоподавляющего фильтра.
Напряжение постоянного тока с выхода сетевого выпрямителя поступает на вход регулируемого инвертора 22, который преобразует постоянное напряжение в импульсное напряжение прямоугольной формы частотой 20 кГц, и далее на трансформаторно-выпрямительный блок 23, который преобразует переменное напряжение постоянного тока, поступающего на вход высокочастотного фильтра 24 для сглаживания пульсаций. Устройство управления и защиты 25 обеспечивает:
- плавное нарастание выходного напряжения при включении силового преобразователя;
- стабилизацию выходного напряжения, которая осуществляется с помощью широкоимпульсного метода регулирования напряжения путем изменения коэффициента заполнения импульсов управления работой мощных транзисторов регулируемого инвертора;
- защиту мощных транзисторов инвертора от протекания в них сквозных токов путем формирования периодической последовательности импульсов с фиксированной паузой, управляющих работой транзисторов;
- уменьшения потерь за счет формирования напряжения необходимой формы, управляющего работой транзисторов VT;
- защиту силового преобразователя напряжения от коротких замыканий в нагрузке. Схема сетевого выпрямителя (не показана) состоит из фильтра сетевого (конденсаторы, дроссель), мостового выпрямителя V06M с токоограничивающим резистором, сглаживающего низкочастотного фильтра (конденсаторы, дроссели).
В качестве силовой части высокочастотного преобразователя постоянного напряжения выбрана схема двухтактного конвертора, выполненного по полумостовой схеме на транзисторах КП948А и конденсаторах.
Маломощный источник питания выполнен в виде включенных последовательно: понижающего трансформатора 26, выпрямителя 27 и сглаживающего фильтра 28.
Генератор импульсов управления построен на микросхеме 1114ЕЖ с нелинейной обратной связью для обеспечения плавного изменения коэффициента заполнения напряжения выходных управляющих импульсов. Цепь обратной связи для стабилизации уровня мощности, отдаваемой в нагрузку, представляет собой высокочастотный выпрямитель на частоте преобразования (вторичная обмотка высокочастотного трансформатора, диоды, резистор, конденсатор), напряжение с которого подается на управляющий вход генератора и меняет коэффициент заполнения импульсов управления в сторону уменьшения сигнала рассогласования.
Высокочастотный выпрямитель (на диодах КД226) и высокочастотный фильтр (дроссель и конденсаторы) преобразуют импульсное напряжение на вторичной обмотке третьего высокочастотного трансформатора в стабилизированное напряжение постоянного тока регулируемого уровня. Резистор обеспечивает минимальный ток в цепи нагрузки для работы кольца регулирования.
Маломощный источник питания 19 (фиг.3, 4) предназначен для электропитания блоков акустического излучателя выпрямленным напряжением +15 В и питания устройства управления и защиты 25 силового преобразователя напряжения 18 выпрямленным напряжением +30 В. Маломощный источник питания собран по классической блок-схеме и содержит включенные последовательно понижающий трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр.
Анализ современных схемотехнических решений, применяемых при разработке генераторов периодических электрических сигналов с автоматической подстройкой частоты, показал, что наиболее универсальным решением задачи создания устройства возбуждения акустического излучателя хладоагрегата является генератор, управляемый напряжением с фазовой автоподстройкой частоты.
В соответствии с техническими требованиями к устройству возбуждения акустического излучателя хладоагрегата разработаны его структурная и принципиальная электрическая (не приведена) схемы с фазовой автоматической подстройкой генерируемой частоты. Функцию генератора, управляемого напряжением в этих схемах, выполняет задающий многофункциональный регулируемый генератор, выполненный на микросхеме 1CL8038. В устройствах фазовой автоматической подстройки частоты выходной сигнал изменяется в направлении уменьшения сигнала ошибки. В данном случае сигналом ошибки является частота и, следовательно, контур регулирования должен изменять частоту ошибки в направлении достижения нулевой частоты. Для выполнения этого условия частота обратной связи должна быть равна входной частоте. Как только эти две частоты равны, сигнал ошибки становится функцией разности фаз между этими двумя сигналами. Таким образом, разность фаз также является регулируемой величиной.
Периодическая последовательность прямоугольных импульсов заданной частоты (третий вход генератора, управляемого напряжением, соединен с подстроечным резистором управления частотой) с первого выхода упомянутого генератора 8 подается на формирователь коммутирующих импульсов 9. В зависимости от скважности поступающих импульсов вырабатывается управляющее напряжение изменяющегося уровня, что приводит к формированию на противофазных выходах формирователя коммутирующих импульсов последовательности импульсов прямоугольной формы с меняющейся длительностью. Эти импульсы поступают на вход фазовращателя 10, работа которого синхронизируется выходным сигналом с генератора 8, управляемого напряжением. При этом на выходе с фазовращателя получаем две последовательности противофазных импульсов прямоугольной формы, которые управляют работой ключей усилителя мощности 11. Уровень мощности сигнала, поступающего на акустический излучатель 2, устанавливается с помощью потенциометра тока, выведенного на лицевую панель. На выходе усилителя мощности имеем импульсный сигнал прямоугольной формы постоянной амплитуды и с меняющейся длительностью импульсов. Сигнал поступает на фильтр 12, который преобразует периодическую последовательность прямоугольных импульсов в сигнал по форме, близкой синусоидальной форме заданной частоты с доводкой фазового сдвига тока и напряжения в нагрузке - излучателе 2 на ноль фазы. Сигнал с части нагрузки - датчик тока 13, формирующего синусоидальный сигнал обратной связи для осуществления работы кольца фазовой автоподстройки частоты, поступает на инвертирующий вход второго операционного усилителя 14 блока, выполняющего роль ноль-органа в блоке операционных усилителей 15, и преобразует синусоидальный сигнал в импульсный, который подается на первый вход фазового дискриминатора 17. Сигнал пилообразной формы со второго выхода генератора, управляемого напряжением, поступает на инвертирующий вход первого операционного усилителя 16, реализующего функцию компаратора, блока операционных усилителей 15. Ко второму входу первого операционного усилителя подключен подстроечный резистор фазы, дающий возможность в пределах 10% подстроить сдвиг фаз между током и напряжением. На выходе первого операционного усилителя получаем сигнал прямоугольной формы с меняющейся длительностью. Этот сигнал поступает на второй вход фазового дискриминатора 17. Сравнивая фазы поступивших импульсных сигналов, фазовый дискриминатор вырабатывает управляющее напряжение для генератора 8, управляемого напряжением, которое определяет частоту сигнала меняющейся скважности на выходе генератора.
Схема фазовой автоподстройки работает следующим образом. На управляющий вход генератора, управляемого напряжением, через буферный каскад подается напряжение управления, сформированное фазовым дискриминатором 17. Для формирования напряжения управления на входы фазового дискриминатора подаются выходные напряжения с быстродействующих операционных усилителей 14 и 16 блока операционных усилителей 15. Сигналы, поступающие на вход первого операционного усилителя 16 с выхода генератора, управляемого напряжением, имеют пилообразную форму, а сигналы, поступающие с выхода операционных усилителей, представляют последовательность прямоугольных импульсов. При точном соответствии частоты сигналов, поступающих на акустический излучатель 2, частоте, генерируемой генератором, управляемым напряжением, коэффициент заполнения сигналов управления с выхода фазового дискриминатора равен 50%, а пилообразные сигналы на входе первого операционного усилителя имеют симметричную форму. В случае отклонения частоты от заданного значения коэффициент заполнения импульсов управления изменяется с соответствующим изменением формы пилы. При увеличении коэффициента заполнения длительность нарастающего полупериода пилы увеличивается, а длительность спадающего уменьшается. В случае уменьшения коэффициента заполнения длительность нарастающего полупериода пилы уменьшается, а спадающего увеличивается.
Сигналы с выхода фазового дискриминатора 17, определяемые разностью частот импульсных напряжений на входах фазового дискриминатора, изменяют частоту и фазу генерируемых сигналов в сторону уменьшения сигнала ошибки.
Конструкция устройства возбуждения акустического излучателя выполнена в виде малогабаритного автономного блока, внутри которого размещены печатные платы генератора, управляемого напряжением, силового преобразователя напряжения и маломощного источника питания. На лицевую панель корпуса прибора выведены ручки регулировки тока для установки уровня выходной мощности и ручки управления подстроечными резисторами частоты и фазы.
Предложенные устройства в совокупности обеспечивают получение наибольшего КПД изотермического эффекта и максимально возможный коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую, достигающий 96% при высокой стабильности и долговечности. Устройства прошли необходимый цикл испытаний, требования по мощности теплового потока и перепаду температур на теплообменниках выполнены.
Для заявленных технических решений, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы, подтверждена возможность их осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов.
В свою очередь заявленное изобретение способно обеспечить достижение усматриваемого заявителями технического результата, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость» действующего патентного закона.