热声制冷机课件.ppt

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1、微型高频热声制冷机东南大学机械工程学院张建润2015.10.16目录什么是热声制冷国内外研究现状微型高频热声制冷机的设计方案研究的技术手段和研究方法1、什么是热声制冷热声装置利用热声原理实现热与声两种能量之间相互转换。将热转化为声波称为热机，通过声波来泵热，称为制冷机1850年，Sondhauss发现热—声关系声振荡的频率与玻璃管长度与封闭端容积有关1878年，LordRayleigh第一次对热声现象做了定性的分析与描述：流体运动与传热之间存在合适的相位时，将产生声振荡。产生声振荡的介质密度变大时提供热量，介质密度变小时吸收热量进行周期性的供热吸热，将热量转化为声振

2、荡，这就是Rayleigh准则热声制冷机特点：结构简单、可靠性高，采用惰性气体作为工质无污染，工作频率范围宽，使其易于微型化，具有可携带型，采用低品位的热能驱动1986年，Hofler研制出了第一台1/4波长的热声制冷机样机。在驱动压比为3%、环境温度20℃的条件下，达到了-80℃的最低制冷温度，产生约3W的冷量。2.热声制冷机的研究现状：1992年，Garrett等研究出用于太空“发现号”航天飞机的空间用热声制冷机，标志着热声热机开始在太空领域进入实用阶段。美国海军研究院的Adeff和Holler研制出以太阳能为热源的热声制冷机。它是以太阳能为热源的热驱动的热声制

3、冷机。太阳能聚集器向热声原动机提供100W的热能，其结果产生2.5W的制冷量及18℃的制冷温差。1997年，美国LosAlamos实验室为Cryencoy研制的燃气驱动的液化天然气装置，这可以说是热声热机工程化的一次飞跃。它在115K下液化燃气，设计产量为1900L/d，冷量约7kW。热声制冷机在民用方面，也得到了一定的发展。家用的热声冰箱样机已经开发出来。诺克维尔科学中心的研究人员开发了微型热声制冷机。研制的目标为：设计出微结构热声回热器，以便具有更紧凑的结构和优化的热声效应参数；设计出可用于电子芯片的微型热声制冷机。微型热声制冷机的研究现状：1999年，美国国防

4、部高级计划研究局主持的HERETIC计划开始对与电子芯片一体化封装的微型制冷器进行研究，目的是发展用于高性能的电子和光电子器件的制冷技术或设备。美国的犹他州立大学声冷中心承担了HERETIC计划中的子项目，其目的是把热声冷却设备与微电路集成化，制出了系统尺寸从4.0～0.8cm的各种规格的样机。该项目论证了这种微结构尺寸下的热声设备与集成电路结合在计算机和电子设备中热管理的有效性。NASAGlennResearchCenter研究中心采用微机电技术开发的基于微型斯特林热动力学循环的制冷设备可以直接应用在需要冷却的微电子等器件表面，有效地去除电子设备的热负荷，确保其优

5、异的工作性能。东南大学机械工程学院也在进行微型化热声制冷机的研究。设计出一台整机长度约为35mm，工作频率为5000Hz，制冷温差为25℃，制冷功率为0.3W的微型高频的热声制冷机三、微型高频热声制冷机的设计方案热声制冷机声场性质可以分为驻波型热声制冷机和行波型热声制冷机，驻波型更适合微型特性热声制冷机。声驱动器：为了达到高频体积小的特点的使用压电扬声器。压电扬声器压电陶瓷-金属复合薄圆板振字回热器：不锈钢丝网、平行板叠和纤维毡。其中平行板叠由于流道规整，流动阻力最小，但是成本较高。纤维毡的丝径能做到一个较小的值，但是由于其无序的结构，流动阻力较大。丝网型介于两者之

6、间，较为常见且规格与种类非常多。谐振管长度：可以分为1/2波长和1/4波长型。由于所有损失能量与谐振管管壁表面积成比例，一个1/4波长的共振管损失的能量只有1/2波长的谐振管的一半。所以四分之一波长的谐振管性能比较优越。而且1/4波长谐振管能够使整机的尺寸更加缩减。谐振管形状：谐振管的形状对热声系统的工作压比有影响。谐振管起着影响热声热机共振频率、维持平面声场和储存部分声能的作用，一直以来都是热声研究的热点与难点。等截面圆柱管渐缩锥管渐扩锥管谐振管形状：有声容腔的等截面圆柱管有声容腔的渐扩锥管有声容腔的渐缩锥管1、线性热声学等基础理论。2、Matlab等软件进行数学

7、模拟和仿真。3、CAD软件进行建模。4、有限元软件进行声模态分析。5、信号发生器、声压传感器、功率放大器，信号分析仪、温度测试仪等硬件实验设备。四、技术手段和实现方法结构参数设计运行工况工作频率f5000Hz环境温度Tm300K环境压力Pm1.013e5Pa工作介质空气结构参数结构参数理论依据计算数值谐振管长度LL=C/2f34.7mm0—8.675mm0—8.675mm气团位移振幅4倍0.2mm气团位移振幅2倍0.1mm结构参数参数理论依据计算数值孔隙率B0.3