目錄什么是熱聲制冷國內外研究現狀微型高頻熱聲制冷機的設計方案研究的技術手段和研究方法1、什么是熱聲制冷熱聲裝置利用熱聲原理實現熱與聲兩種能量之間相互轉換。將熱轉化為聲波稱為熱機，通過聲波來泵熱，稱為制冷機1850年，Sondhauss發現熱—聲關系聲振蕩的頻率與玻璃管長度與封閉端容積有關1878年，LordRayleigh第一次對熱聲現象做了定性的分析與描述：流體運動與傳熱之間存在合適的相位時，將產生聲振蕩。產生聲振蕩的介質密度變大時提供熱量，介質密度變小時吸收熱量進行周期性的供熱吸熱，將熱量轉化為聲振蕩，這就是Rayleigh準則熱聲制冷機特點：結構簡單、可靠性高，采用惰性氣體作為工質無污染，工作頻率范圍寬，使其易于微型化，具有可攜帶型，采用低品位的熱能驅動

1986年，Hofler研制出了第一臺1/4波長的熱聲制冷機樣機。在驅動壓比為3%、環境溫度20℃的條件下，達到了-80℃的最低制冷溫度，產生約3W的冷量。2.熱聲制冷機的研究現狀：

1992年，Garrett等研究出用于太空“發現號”航天飛機的空間用熱聲制冷機，標志著熱聲熱機開始在太空領域進入實用階段。美國海軍研究院的Adeff和Holler研制出以太陽能為熱源的熱聲制冷機。它是以太陽能為熱源的熱驅動的熱聲制冷機。太陽能聚集器向熱聲原動機提供100W的熱能，其結果產生2.5W的制冷量及18℃的制冷溫差。1997年，美國LosAlamos實驗室為Cryencoy研制的燃氣驅動的液化天然氣裝置，這可以說是熱聲熱機工程化的一次飛躍。它在115K下液化燃氣，設計產量為1900L/d，冷量約7kW。熱聲制冷機在民用方面，也得到了一定的發展。家用的熱聲冰箱樣機已經開發出來。諾克維爾科學中心的研究人員開發了微型熱聲制冷機。研制的目標為：設計出微結構熱聲回熱器，以便具有更緊湊的結構和優化的熱聲效應參數；設計出可用于電子芯片的微型熱聲制冷機。微型熱聲制冷機的研究現狀：

1999年，美國國防部高級計劃研究局主持的HERETIC計劃開始對與電子芯片一體化封裝的微型制冷器進行研究，目的是發展用于高性能的電子和光電子器件的制冷技術或設備。

美國的猶他州立大學聲冷中心承擔了HERETIC計劃中的子項目，其目的是把熱聲冷卻設備與微電路集成化，制出了系統尺寸從4.0～0.8cm的各種規格的樣機。該項目論證了這種微結構尺寸下的熱聲設備與集成電路結合在計算機和電子設備中熱管理的有效性。NASAGlennResearchCenter研究中心采用微機電技術開發的基于微型斯特林熱動力學循環的制冷設備可以直接應用在需要冷卻的微電子等器件表面，有效地去除電子設備的熱負荷，確保其優異的工作性能。東南大學機械工程學院也在進行微型化熱聲制冷機的研究。設計出一臺整機長度約為35mm，工作頻率為5000Hz，制冷溫差為25℃，制冷功率為0.3W的微型高頻的熱聲制冷機三、微型高頻熱聲制冷機的設計方案熱聲制冷機聲場性質可以分為駐波型熱聲制冷機和行波型熱聲制冷機，駐波型更適合微型特性熱聲制冷機。

聲驅動器：為了達到高頻體積小的特點的使用壓

電揚聲器。壓電揚聲器壓電陶瓷-金屬復合薄圓板振字

回熱器：不銹鋼絲網、平行板疊和纖維氈。其中平行板疊由于流道規整，流動阻力最小，但是成本較高。纖維氈的絲徑能做到一個較小的值，但是由于其無序的結構，流動阻力較大。絲網型介于兩者之間，較為常見且規格與種類非常多。諧振管長度：可以分為1/2波長和1/4波長型。由于所有損失能量與諧振管管壁表面積成比例，一個1/4波長的共振管損失的能量只有1/2波長的諧振管的一半。所以四分之一波長的諧振管性能比較優越。而且1/4波長諧振管能夠使整機的尺寸更加縮減。諧振管形狀：諧振管的形狀對熱聲系統的工作壓比有影響。諧振管起著影響熱聲熱機共振頻率、維持平面聲場和儲存部分聲能的作用，一直以來都是熱聲研究的熱點與難點。等截面圓柱管漸縮錐管漸擴錐管諧振管形狀：有聲容腔的等截面圓柱管有聲容腔的漸擴錐管有聲容腔的漸縮錐管1、線性熱聲學等基礎理論。2、Matlab等軟件進行數學模擬和仿真。3、CAD軟件進行建模。4、有限元軟件進行聲模態分析。5、信號發生器、聲壓傳感器、功率放大器，信號分析儀、溫

度測試儀等硬件實驗設備。四、技術手段和實現方法結構參數設計運行工況工作頻率f5000Hz環境溫度Tm300K環境壓力Pm1.013e5

Pa工作介質空氣結構參數結構參數理論依據計算數值諧振管長度LL=C/2f34.7mm0—8.675mm0—8.675mm氣團位移振幅4倍0.2mm氣團位移振幅2倍0.1mm結構參數參數理論依據計算數值孔隙率B0.3<B<0.95取0.5板疊間隙y02—5倍熱滲透深度δk0.1mm板疊厚度

lB=y0/(y0+l)0.1mmy0l無因次化參數其中：

分別計算中心位置為2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm時制冷量Q，消耗聲功W和性能系數COP隨板疊長度的變化規律。綜合考慮取：

板疊中心位置3.5mm板疊長度4.5mm板疊型熱聲制冷機的結構參數總結部件參數數值回熱器長度4.5mm中心位置3.5mm內徑（直徑）28mm間隙0.1mm厚度0.1mm熱端換熱器內徑（直徑）28

mm長度0.4mm冷端換熱器內徑（直徑）28

mm長度0.2mm熱端諧振管內徑（直徑）28

mm長度0.85mm冷端諧振管內徑（直徑）28

mm長度28.75mm板疊型熱聲制冷機的三維建模驅動器安裝套襯套密封圈冷端諧振管密封圈熱端換熱器冷端換熱器熱端諧振管回熱器4.諧振管聲模態有限元計算諧振管簡圖提取工質氣體模型單元類型：AnsysFluid—3DAcoustic30材料屬性:SonicVelocity—347220mm/sDensity—1.161e-09kg/mm3階次頻率f/Hz振型15012.6軸向27308.6徑向對稱37335徑向對稱48896徑向對稱58912.7徑向對稱610078.8軸向1315265.3軸向1415463.2極軸對稱1716325.5極軸對稱諧振管聲腔模態與振型第一階f=5012.6Hz第六階f=10078.8Hz第十三階f=15265.3Hz第二階f=7308.6Hz第三階f=7335Hz第四階f=8896Hz第五階f=8912.7Hz第十四階f=15463.2Hz第十七階f=16325.5Hz基頻：5012.6Hz激勵頻率高于7308.6Hz時，聲腔出現沿非軸向方向傳播的聲波。5.樣機試