机械谐振式热声制冷机的研究

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1、摘要与传统热机相比，热声热机(包括制冷机)具有环保，无或极少的运动部件，高可靠性，并且可以利用低品位热源等优点，因而具有极大的应用前景。但是热声热机的频率和体积问题却一直制约着热声热机的实用化。为寻找问题的解决方案，本论文以热声冰箱为应用对象，研究具有质量-弹簧系统的机械谐振式热声制冷机，重点研究谐振系统的模态频率及工作特性。本文首先讨论了几种具有不同谐振腔结构的制冷机，利用等效网络理论对制冷机的工作特性进行了分析，并从尺寸大小、能量耗散和频率调节特性等方面，讨论各种结构方案的优缺点，最后确定本文所采用的最优制冷机结构方案。对所

2、研究的制冷机装置谐振系统，建立了集总的二维弹簧-质量等效模型，通过模型分析，获得了机械谐振系统的模态频率关系，并通过数值模拟研究了系统谐振参数对模态频率和幅频特性的影响，讨论了系统调频调谐的方法。利用对热声制冷机谐振系统的分析和模拟结果，提出了冰箱用热声制冷机的设计参数，并利用网络模型对热声制冷机进行了优化设计，确定了制冷机实验样机的主要结构参数，为实验研究对制冷机进行了性能预测。本文的最后在建立系统的分布参数模型、利用DeltaE计算制冷机的声场分布和能量损耗的分析等方面，为后续的研究工作提供了一些可供参考的建议。关键词：热声

3、制冷机；机械谐振；模态频率；谐振参数；网络模型IAbstractComparedwiththeconventionalheatengines,thermoacousticheatengines（includingrefrigerators）havesomeadvantage,suchassimplestructure，noorleastmovingparts，highreliability,potentialpossibilityofoperatingonlowenergylevelheatsource,usingenviron

4、mentallyfriendlyworkingsubstance,andetc.Forthese,thermoacousticheatenginesarebecomingsignificantlypromisinginapplications.However,thepracticalapplicationsofthermoacousticheatengineshavebeenrestrictedbysomeissuesonpowerdensityandfrequencymatching.Inordertofindthesolut

5、ionsfortheseissues,inthisthesis,amechanicalresonantthermoacousticrefrigeratorwithmass-springsystemismainlyinvestigatedfortheapplicationaimasfreezer.Thekeypointsinvestigatedareplacedonmodefrequenciesandoperatingbehaviorofresonantsystemstudied.Severalthermoacousticrefr

6、igeratorswithdifferentconfigurationsofresonatorsarefirstlydiscussedinthisthesis.Operatingbehaviorsofrefrigeratorsareanalyzedusingequivalentnetworkmethod,andthenmeritsanddrawbacksintheseaspectsofsizes,energydispersion,andcharacteristicoffrequencymodulationarecompareda

7、nddiscussedamongvariousconfigurationsofthermoacousticrefrigerators.Theoptimalconfigurationschemeisfinallydeterminedandadoptedinthisthesis.Alumpedtwo-dimensionalspring-massequivalentmodelisestablishedfortheresonantsystemofthethermoacousticrefrigeratorstudied.Thefreque

8、ncyrelationsofmodesforthemechanicalresonantsystemareobtainedanalytically.Theeffectsoftheresonantparametersforthesystemonmodefrequen