热声制冷机

l
y0
结构参数 参数 孔隙率 B 板叠间隙 y0 板叠厚度 l 理论依据 0.3<B<0.95 2—5倍热渗透深度δk B=y0/(y0+l) 计算数值 取0.5 0.1mm 0.1mm
无因次化参数
其中：
分别计算中心位置为2mm、 3mm、4mm、5mm、6mm、7mm时 制冷量Q，消耗声功W和性能系数 COP随板叠长度的变化规律。 综合考虑取： 板叠中心位置3.5mm 板叠长度4.5mm
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，Lord Rayleigh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 荡，这就是Rayleigh准则
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 的热驱动的热声制冷机。太阳 能聚集器向热声原动机提供100 W的热能，其结果产生2.5 W的 制冷量及18℃的制冷温差。
谐振管声腔模态与振型
阶次 1 2 3 4 5 频率 f/Hz 5012.6 7308.6 7335 8896 8912.7 振型 轴向 径向对称 径向对称 径向对称 径向对称
6
13 14
10078.8
15265.3 15463.2
轴向
轴向 极轴对称
17
16325.5
极轴对称
第一阶 f=5012.6 Hz
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。
压电陶瓷-金属复合薄圆板振字
压电扬声器
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。丝网型介于两者之间，较为常
1999年，美国国防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。
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。
长度 内径（直径） 长度
0.2源自文库mm 28 mm
0.85 mm 28 mm 28.75 mm
板叠型热声制冷机的三维建模
驱动器安装套 密封圈
衬套
密封圈
冷端谐振管
热端谐振管 热端换热器 回热器
冷端换热器
4.谐振管声模态有限元计算
谐振管简图
提取工质气体模型
单元类型：Ansys Fluid—3D Acoustic 30 材料属性: Sonic Velocity—347220mm/s Density—1.161e-09kg/mm3
5.样机试制
① 压电蜂鸣器
Rated voltage Operating voltage Max. Current Consumption Min. Sound Output at 10cm Resonant Frequency 9V 1-25 V 3 mA 85 dB 4000 Hz
压电蜂鸣器实物
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35 mm，工作频率 为5000 Hz，制冷温差为25 ℃，制冷功率为 0.3 W的微型高频的热声制冷机
数据采集 分析系统
温度测量仪
热电偶
热电偶
功率 放大器
扬声器
信号 发生器
声压 传感器
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
ppt.glzy8.com海量PPT模板免费下载
谢谢
1997年，美国Los Alamos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115 K下液化 燃气，设计产量为1900 L/d， 冷量约7 kW。
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。
微型热声制冷机的研究现状 ：
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
2. 热声制冷机的研究现状：
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3 W的冷量。
第六阶 f=10078.8 Hz
第十三阶 f=15265.3Hz
第二阶 f=7308.6 Hz
第三阶 f=7335 Hz
第四阶 f=8896 Hz
第五阶 f=8912.7 Hz
第十四阶 f=15463.2 Hz
第十七阶 f=16325.5 Hz
基频：5012.6 Hz
激励频率高于7308.6Hz时，声腔出现沿非轴向方向传播的声波。
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～ 0.8 cm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。
NASA Glenn Research Center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，确保其优异的 工作性能。
板叠型热声制冷机的结构参数总结
部件 参数 长度 中心位置 回热器 内径（直径） 间隙 厚度 热端换热器 冷端换热器 热端谐振管 冷端谐振管 内径（直径） 长度 内径（直径） 数值 4.5 mm 3.5 mm 28 mm 0.1 mm 0.1 mm 28 mm 0.4mm 28 mm
长度 内径（直径）
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。
结构参数设计
运行工况
工作频率 f 环境温度 Tm 环境压力 Pm 工作介质 5000 Hz 300 K 1.013e5 Pa 空气 结构参数 结构参数 谐振管长度 L 理论依据 L=C/2f 计算数值 34.7mm 0—8.675mm 0—8.675mm 气团位移振幅4倍 气团位移振幅2倍 0.2mm 0.1mm
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
四、技术手段和实现方法
1、线性热声学等基础理论。
2、Matlab等软件进行数学模拟和仿真。
3、CAD软件进行建模。
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