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微型热声制冷机及关键元件的特性研究

冯玲  
【摘要】:微型热声制冷机具有结构简单、可靠性高、无污染、便于与电子芯片封装等优点,在微电子热量管理中倍受关注。但是由于频率升高、物理尺寸减小使得粘性耗散增大,且缺乏合适的声驱动器导致无法实现微型热声制冷机的工程化应用。本文开展关于微型热声制冷机的理论和实验研究,基于热声线性理论和热动力学网络方法,研制了适于微型热声制冷机的设计计算和优化分析仿真软件。在模拟计算的基础上设计并建立了一台微型热声制冷机,主要开展了以下几个方面的工作: 首先,权衡计算速度和精度,采用Fortran语言开发了适于微型热声制冷机的设计计算软件miniTA和优化分析软件OPTA,并利用自行开发的软件对微型热声制冷机实验样机特别是板叠部分进行了详细的计算,得到了整机的运行参数和结构参数。 其次,建立了压电扬声器的振动模型,采用有限元分析软件Ansys对压电片模态进行分析,得到压电片位移振幅和谐振频率。通过数字电桥和测试电路,测得压电片和压电声驱动器的阻抗和谐振频率,建立容积可调的声驱动器结构。同时对微型热声制冷机的冷头部分进行了详细设计,完成实验样机的整机设计工作。 然后,采用Fluent对空谐振腔结构进行声场模拟,验证Fluent分析热声问题的可行性。通过对不同结构谐振管内声场的对比研究,得到优化的谐振管结构。与分析空谐振管进行相同的参数设置,对实验样机进行了数值分析,包括系统中的压力与温度分布特性、回热器中的压力和温度振荡、回热器与换热器之间间隙对流场的影响,进一步指导和优化实验样机的设计。 最后,在设计的基础上建立实验样机的测试系统,并提出了基本的实验方案。


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