热声制冷机研究现状及发展

热声制冷机研究现状及发展学号：011020118姓名：欧阳维波2013年12月7日南京航空航天大学当前的制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。可以说，现代技术进步离开了制冷技术发展是不可想象的。除了在制冷剂方面的进展，在新的制冷理论及实践方面也有许多进展，如热声制冷技术的研究和运用。热声现象早在200多年前就已经被发现,然而热声学研究的繁荣却只是最近50年的事。N.Rott首次对热声现象进行的定量分析是现代热声学研究中一大里程碑式的成就大大激起了人们从事热声研究的兴趣。尤其在最近20年热声现象在制冷领域的应用成了一大热点这是由于热声制冷机和热声机驱动的脉管制冷机具有结构简单、振动部件少和运行寿命长等优点此外它们使用的无公害工质如惰性气体等也是同制冷技术中禁用CFCs和HCFCs的趋势相一致的；同时，热声机械采用热能（燃气、太阳能等）驱动。它的应用将为合理利用低品位能源、提高系统的热力效率开辟新的途径，因而在空间技术、电子器件冷却，乃至家用领域存在巨大的应用潜力。热声制冷作为21世纪以来发展的一种新的制冷技术，与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比，热声热机具有无可比拟的优势：无需使用污染环境的制冷剂，而是使用惰性气体或其混合物作为工质，因此不会导致使用的CFCS或HFCS臭氧层的破坏和温室效应而危害环境；其基本机构是非常简单和可靠，无需贵重材料，成本上具有很大的优势；它们无需振荡的活塞和油密封或润滑，无运动部件的特点使得其寿命大大延长。热声制冷技术几乎克服了传统制冷系统的缺点，可成为下一代制冷新技术的发展方向。所有的热声产品的工作原理都基于所谓的热声效应，热声效应机理可以简单的描述为在声波稠密时加入热量，在声波稀疏时排出热量，则声波得到加强；反之声波稠密时排出热量，在声波稀疏时吸入热量，则声波得到削弱。当然，实际的热声理论远比这复杂的多。当然，热声制冷的设计水平及制造工艺也在不断的提高。目前，美国在热声领域内的投入最大，研究机构最多，取得了许多突破性的进展。如上世纪90年代早期，美国海军研究生院（NPS）的Garrett教授开发的热声制冷机；2000年左右，开发了太阳能驱动的热声制冷机；还有在美国LOSAlamos国家实验室（LANL），SWIFT教授领导着世界著名的热声研究组，他们主要研发的热声驱动的脉管制冷（低温制冷）；另外还有开式热声制冷和空调、高频微型热声机制冷以及还在研发中的种种技术。热声技术的应用是相当丰富的，热声能量转换技术将会给包括制冷工业在内的整个能源工业带来很大的影响，它的简单、环保、节能高效的特性符合当今时代的需要，当然就目前的现状而言，由于设计水平远没有达到最优化的程度，材料的选择及制造技术都还在完善之中，而普通的制冷系统经过上百年的发展和改进，热声制冷的单件成本会高于普通传统制冷装置，但随着材料的选择和制造工业艺的日趋成熟，可以肯定热声制冷机会具有极大的成本优势。热声热机(制冷机)用热声谐振取代机械压缩，使得热机(制冷机)有可能变成无运动部件的换能器，热功转换过程的频率大大提高，能源技术将有一个质的飞跃．热声装置的工程研究分别沿着两个方向发展．一是高频率小型化，其重量和尺寸将主要取决于微机械加工工艺(MEMS)的水平;二是大振幅行波热声与热气机相结合，构建大型能量转换平台．为深入探寻热声机理，促进学科发展，以及为热声装置的设计、调相、运行参数等:热声理论的研究进展5择等提供指导，未来几年可能会在如下几个方面形成理论研究的热点．a．热声自激振荡来源于系统的非线性特征．随着各种结构的高频大振幅热声装置的不断推出，非线性热声理论必将成为研究重点之一，构建一个描述热声系统的非线性动力学理论并形成与之相应的计算方法势在必行．b．以时变率相似分析方法为基础，把特征时间作为评价热声系统性能的重要指标来深入研究．在热声装置的启振或运行过程中，系统的特征时间起着何种作用?是否存在最优的特征时间?这些都需要在理论和实验两个方面来尝试或探寻．c．采用“相空间重构”、“时序分析”、“网络分析”、“有限时间热力学”等综合分析方法，利用Delta－EC、CFD、格子气等计算程序，对各种热声系统进行动态分析和模拟．d．把热声系统作为大自然复杂系统的自组织历程的一部分，利用复杂系统的形态(Pattern)动力学观点，来揭示热声自激振荡的本质，从而促进工程热物理学科的发展;结合道家哲学来探究热声耦合的自然本源，例如，道家的“刚”对应热声中的“流感”，道家的“柔”对应热声中的“流容”，而“刚柔相济”显然就是“谐振”．热声学是一门跨学科的科学，无论是理论研究还是工程化研究都极具挑战性．它像一个极具生命潜质，又带有众多疑问的魔夹，以它特有的魅力吸引着人们不断地探索和研究．由美国国防部高级计划研究局主持的HERETIC(HeatRemovalbyThermo-integratedCircuits)计划，从1999年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。HERETIC计划中的热声子项目主要研究机构有美国诺克维尔科学中心(RockwellScienceCenter)、犹他州立大学(UniversityofUtah)、NASAGlennResearchCenter研究中心等部门。美国犹他州立大学声学中心承担了HERETIC计划中的“IntegrationofThermoacousticColingDeviceswithMicro—electronicCircuitsforHeatRemoval”子项目，其目的是把热声冷却设备与微电路集成化。研制出了系统尺寸从4.0～0.8cm各种规格样机，如图1.18所示该项目论证了这种微结构尺寸下的热声设备与电路结合在计算机和电子设备中热管理有效性。其目标是：(1)微型热声设备用于集成电路热管理的理论论证；(2)建立芯片尺寸意义上的微型热声制冷机；(3)把样机应用于微电路。犹他州立大学的研究目前已经将运行范围提升到了20Khz以上，但是尚未有产生了可观的制冷量和制冷温差的报道，从已有的文献看出其声驱动器能产生的动压幅值在常压下最多和Rockwell的样机相当，他们的样机同样也是设计工作在常压下因此系统内的能流密度较低。诺克维尔科学中心的研究人员开发了微型热声制冷机样机，该热声制冷机项目的关键技术包括；(1)小尺寸下的热声效应的理论模型；(2)微结构的热声板叠(3)高性能的压电声驱动器和传感器。已经完成的项目包括：(1)对较大尺寸的热声制冷机的数学模拟及仿真．以提供有效的微型化设计指导；(2)选择了合适的压电材料作为微型热声制冷机的声驱动元件-并对其进行了有效的论证；(3)微结构的热声制冷机板叠设计和实验评估。研制的目标为：设计出微结构热声板叠，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杌。尽管Rockwell公司对于微型热声制冷机进行了充分的数值模拟，板叠的加工也可谓非常的精细，但是最终试验样机并没有取得很好的结果，制冷温差只有8K，究其原因在于声驱动器无法提供预期的声压振幅，而且在制冷机运行中压电晶片本身的发热也是的制冷效果收到严重影响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机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。这种冷却器件可以严格地控制需要冷却设备的表面温度。这种冷却器件的制作工艺采用成熟的半导体集成工艺制作，具有很高的可靠性。相关样机的数据尚未完全公开。海军研究生院（NPS）在2001～2003年间也开展了一段时间的微型化热声制冷机的研究工作，并在试验样机的研制上取得了一定的进展，他们首次设计了一套充压的谐振腔系统，提高了制冷机内的能流密度，并且研制了一种较为有效的压电声驱动器，取得了比较明显的制冷效果。冷热端能维持12.4℃的温差，冷端温降达到7℃。国内也有如中科院理化所，南京大学声学所，清华大学物理系等单位开展了热声制冷机微型化的理论和试验研究工作，如下表所示目前在2000～5000hz的频率范围内，试验样机的进展如下表所列：目前制约热声制冷机微型化的首要问题还是缺乏足够强力且性能稳定的微型声驱动器，从上表中可以看出，实际的声驱动器在谐振腔中均不同程度的存在驱动力不足的情况，即驱动声压比达不到设计的要求。应该首先在两个方面开展研究以推动热声制冷机的微型化进程：1.包含压电元件的复合结构声驱动器与谐振腔的频率匹配；2.热声谐振腔几何结构/管型优化。在中科院理化技术研究所的李青研究员的指导下，研制了一台试验样机，建立了一套能产生高声压振幅的同时具有合理声场分布的谐振系统，在此基础上对热声制冷系统进行初步实验测试，取得了较好的实验结果。如前所述，当前热声技术的研究工作前沿已经推进到了实用化的研究阶段，而小型化和微型化的热声发动机和热声制冷机系统同样是一个研究的热点。但是，在热声系统微型化的过程中，依然面临着许多的技术和理论难点：由于频率升高、尺寸减小而引发粘性损耗增大、声场不匹配等众多问题，尤其是缺乏合适的大压力幅值的振荡系统无法实现制冷机的工程化应用。高频微型热声制冷机的理论基础，即线性热声理论，并在此基础上对各个热声方程的物理意义进行解释；使用本组开发的数值模拟软件对热声制冷机的结构参数以及运行参数进行分析，并结合无因次工程化方法设计了一台运行频率在4000hz左右的样机。由于仿真计算中给声驱动器设定的初始条件带有很大的经验成分，而且之前的同频率范围运行的一些试验样机常因为驱动器达不到设计要求而无法得到预计的制冷量和温降，因此在完成了上述样机的设计后并没有立即展开制冷机的试验，而是为确定声驱动器的性能加工了一套带“聚能”作用的空管谐振系统。对于该空管谐振系统首次提出了通过改变管型来优化声场分布的设计思想，同等截面的常规谐振管相比，采用了锥管结构后，理论计算表明能够在声驱动器输出等量的体积流率的时候有效提高管内最大驱动压比1.5倍以上。这对于突破目前微型热声制冷机面临的驱动压比不足这一瓶颈具有十分重要的意义。