中高频热声驱动脉冲管制冷的工作机制研究

【摘要】： 热声驱动脉冲管制冷机是一种完全没有机械运动部件的低温制冷机,具有结构简单、可靠性高、运行稳定、环保等优点,在冷却电子器件、液化天然气等方面具有广阔的应用前景。但是由于大振幅大压比热声理论不完善以及已有热声系统尺寸较大和整机效率较低等不足之处,热声驱动脉冲管制冷机的大规模应用仍需热声研究者的进一步努力。针对上述问题,本文在以下几个方面开展了研究实验工作: 1.惯性管调相工作机制的研究 1.1针对大压比下线性热声理论误差较大的缺点,提出了新修正参数的简化湍流模型,该模型在进行惯性管调相能力计算时与实验结果符合较好,特别是对入口相角计算的准确度有显著提高。 1.2提出了新的无量纲参数用于表征惯性管的调相能力,较好地反映了惯性管的内在工作机理,且特别适合指导惯性管的工程设计和选型。在此基础上,对纯惯性管、惯性管加无限大气库两种典型常用调相机构绘制了不同工作压比下的通用选型图表,可用于指导脉冲管惯性管的优化设计。? 1.3理论和实验研究表明:为满足高效脉冲管制冷机入口相角的要求,对于纯惯性管调相机构,其长度一般为0.25~0.5波长;对惯性管加无限大气库调相结构,其长度一般在0.25波长以内。此外,对大冷量脉冲管制冷机,纯惯性管、惯性管加无限大气库均能满足其调相要求;对小冷量脉冲管制冷机,单一直径惯性管一般难于满足要求,组合惯性管是解决该问题的途径之一。? 2. 300Hz热声驱动脉冲管制冷机的工作机制及热力性能研究 2.1重点研究了热声板叠、调相结构以及声压放大器等部件对300Hz的驻波热声发动机驱动脉冲管制冷机的影响规律。研究结果表明:与常规线切割加工手段相比,光化学蚀刻工艺的热声板叠因可以很好保证尺寸精度而极大地提高了热声发动机的转换效率;声压放大器在300Hz也具有显著声压放大作用,可有效地提高整机系统的效率;组合惯性管调相机构具有较大阻抗变化范围,利于通过调节管长、管径获得最佳调相效果,与前述理论分析结果相吻合。 2.2研究了平均压力和重力场对系统性能的影响规律,结果表明:增加平均压力能在一定程度上改善整机性能,但不能增加系统的输出功率;对300Hz中高频率脉冲管制冷机系统,重力场的影响不大。 2.3对该系统的结构参数、运行参数等进行了优化研究,在加热功率为750W时,该系统获得了69.3K的最低温度;在加热功率为500W、冷头温度为80K时获得了0.2W的制冷量。此外,将一种纳米绝热材料应用于热声系统,降低了系统的漏热,可进一步提高热声驱动脉冲管制冷机的整机热力性能。 3. 500Hz高频热声驱动脉冲管制冷机的工作机理及热力学性能研究 3.1对工作频率为500Hz驻波热声驱动脉冲管制冷机的工作机理进行了研究。实验中,发现当声压放大器末端的阻抗不匹配时,将出现压力波动幅值缩小而不是放大的现象。在加热功率为2200W时,该制冷系统获得了119K的最低制冷温度;当负载与热声发动机之间不匹配时,该系统的频率跳转至918Hz,在加热功率为1985W时获得了179.9K的最低制冷温度。 3.2对适合于极高频脉冲管制冷机回热器填料纤维毡进行了研究,推导并建立了其热声学方程。以300Hz热声发动机为驱动源进行了纤维填料回热器制冷性能的初步研究,实验系统获得了122K的最低制冷温度,表明采用纤维填料回热器具有可行性,但需进一步深入研究。