（制冷及低温工程专业论文）热声斯特林系统微型化的研究——微型声压机研究.pdf

i 摘 要 摘 要 随着电子技术和光电子技术的高速发展，发热量日益升高，散热成了提高元件性 能与稳定性工作的重要课题。随着工业技术不断的发展，对新一代的电子设备而言， 传统冷却器的设计极限与制作技术已无法满足要求，因此，必须寻找新的制冷方式及 采取新的可靠的制冷途径。电子、机械与其他相关工业所发展出来的微加工技术，使 得微型制冷机的实现成为可能。 对于微型化的制冷技术，就目前来说，主要有热电制冷、热声制冷和相变制冷等 几种方式，由于热声制冷机具有结构紧凑，无运动部件等优点，本文将研究热声制冷 机的微型化。对于声驱动的热声制冷机而言，声发生装置对系统性能的影响是非常关 键的，因此本文将重点放在了热声制冷机用微型电动声压机的研究上，因为它比较适 合微型化的要求。 国内还没有关于微型热声制冷机用电磁驱动声压机的研究， 这里仅仅是初步的探 索。本文主要讨论了给定工况下、过渡尺寸（90mm 级）的小型热声制冷机用声压机 的设计计算方法，并给出了设计结果。其次，也为微型声压机的设计计算提供了一些 方法，做了定性和定量的分析。同时在此基础上进行了部分实验，主要是对声压机电 磁驱动部分的计算方法的验证。 因为本文只是初步探索，因此还有许多方面需要进行进一步的讨论。本文主要是 对过渡尺寸的小型制冷机用声压机进行设计，与芯片级的微型制冷机还有很大的差 距，因此还有很多问题亟待解决。另外，由于实验条件的限制，只是对过渡形声压机 做了定量研究，因此要实现热声制冷机的微型化，还需要做大量的、更精确的实验研 究。 关键词：关键词：微型化 热声斯特林制冷机 电磁驱动 声压机 ii abstract with the developing of electronics and photoelectronics, the heat emission is becoming bulk, so the refrigeration is granted a significant subject to improve the function of the element and keep it working steadily. for new electron devices, with the constantly developing of the industrial technology, the limit on the design and manufacture technique of the traditional cooler can satisfaction of wants not any longer. hence, we must look for the new refrigeration mode and adopt the more dependable refrigeration fashion. the microfabrication makes the realization of miniature refrigeration being possible, which evolutes from the electron, mechanics and other corelational industries. for the present, miniature refrigeration technology includes three major methods: thermoelectric refrigeration, thermoacoustic refrigeration and phase transition refrigeration. because thermoacoustic refrigerators are inherently simple and have not any moving parts, so we will study the miniature of the thermoacoustic refrigerator. and focus on the refrigerator driven by electromagnetic sound source, considering the request of size. there have no investigation about the electromagnetic driver using in thermoacoustic refrigerator at home, the exploration here just be preliminarily. in this paper we discussed the design method of the small-scale acoustic compressor used to drive thermoacoustic refrigerators with transitional size (90mm) under stationary working condition. and find several means for devisal of the miniature acoustic compressor. at last, we did experiment and gave the qualitative analysis of electromagnetic pressure in the system. the paper just be preliminary investigation, so it needs further study in many ways. the device here is in transitional size, it is very different from the chip size miniature refrigerators, therefore there are many problems need to be resolved. in additional, we just analyzed the electromagnetic pressure in experiment due to the limitation of experimental condition. to realize the miniature of thermoacoustic refrigerators, we needs flood of iii experimental analysis. keywords：miniature, thermoacoustic-stirling cooler, electromagnetic driving, acoustic compressor i 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪 论 1 绪 论 随着电子技术和光电子技术的高速发展，发热量日益升高，散热成了提高元件性 能与稳定性工作的重要课题。以 it 领域为例，随着电脑技术的高速发展，cpu 的功 率消耗大幅提高,在现有的与 pentium 同等级的个人电脑上， 使用一组热沉 （heat sink） 和小型风扇强制空气冷却的方式，最多只能处理约 60w 的废热。因此，现有以强制 空气冷却为主的散热技术已经是微处理器进一步发展的瓶颈， 需仰赖新一代的效率极 高的新型冷却技术来解决。另外，电子技术和光电子技术在性能提高的同时，其体积 均日益减小，故相应的散热制冷元件的尺寸也必须缩小，而电子、机械与其他相关工 业结合所发展起来的微加工（mems）技术，已经可以制造出微米，甚至次微米级的 零件和结构，它的发展正好为微型制冷技术的进一步发展和实现提供了必要条件。 对于微型化的制冷技术，就目前来说，主要有热电制冷、热声制冷和相变制冷等 几种方式。这几种微型制冷方式各有优缺点，各适用于不同的应用目的。热声制冷机 具有结构紧凑，无运动部件等优点，它的适用范围最广，在微型制冷机中，它的发展 最引人注目。微型热声制冷机也可发展成集成化的太阳能制冷板1,2,3，这将在能源技 术中替代高耗能的传统空调技术，具有重要的节能和环保意义。本文将研究微型化的 热声斯特林制冷机。热声制冷机的驱动方式主要有两大类：一种是热驱动的热声制冷 机，另外一种是声驱动的热声制冷机。在本文中我们主要讨论声驱动的热声制冷机， 而且集中讨论以电动膜片为驱动方式的微型热声斯特林制冷机。 国内还没有关于电动 膜片驱动的热声斯特林制冷机的公开研究报告，这里仅仅是初步的探索。 1. .1 微型热声热机的国外研究现状微型热声热机的国外研究现状 热声热机（含热声发动机和热声制冷机）于廿世纪 80 年代中在美国首先开始研 制 4,5，其中的斯特林制冷机由于具有尺寸紧凑且能工作于低温的特点，自廿世纪中 叶以来，首先在其国防工业中获得了发展。美国国防部高级计划研究局主持的 heretic（heat removal by thermo-integrated circuits）计划6,7，从 99 年开始对能与 2 电子芯片一体化封装的微型制冷器进行研究。该计划的目的是发展与高密度、高性能 的电子和光电子器件或芯片集成化的固态和液态的制冷技术或设备。 其核心技术是寻 求新颖的散热或制冷技术以便于电子和光电子器件和芯片能够正常且高效地工作， 并 为芯片的更高集成化留下发展的空间。 这样的器件和设备必须能够与电子和光电子等 器件集成化或封装在一起。 尤其是具有异型结构的集成电子芯片以及可控的散热器件 更是该计划的重点发展对象，其它的一些相关设备也是其发展方向之一，所有这些器 件的发展目标都是要求达到芯片集成化的水平7。只有当芯片冷却功能集成化后，芯 片本身的工作性能才可能在现有的基础上得到更大的提高。例如：现在的手机芯片的 耗电量大概是 300 毫瓦，以后若发展到耗电量为 30 毫瓦级，那么手机的待机时间就 会更长，就更加方便用户的使用。而要降低耗电量的有效措施之一就是采用性能更高 的芯片和芯片散热设备。它包括的几种主要方式是： 液态相变制冷方面主要有 1）液滴喷淋（droplet） ；2)微型泵射流驱动 （microjet） ；3)电场驱动（channel） 。用微型循环产生制冷剂液滴，控制液滴的尺 寸和喷洒位置以及频率来直接冷却电子芯片的温度。其中的微热管相变散热，近年来 已普遍应用于“轻薄短小”的笔记型计算机上。由于笔记型计算机的可用空间有限， 而且微热管相变所提供的散热效果又非常良好， 因此已成为笔记型计算机的最佳散热 方式。液态相变方法的冷却功率体积比最高，但其缺点是系统压力较高（高于 5 公斤 /厘米 2）,对管路阀门及液泵的技术要求严格，使可靠性大大降低。因此，这种冷却 方式的批量产品还很少。 固态方面主要有 1） 热电 （包括热离子 thermionic） ； 2)热声 （thermoacoustic） 。 热电制冷方法简单，很有吸引力，但它的基本缺点是功耗大，要求热沉有很高的散热 能力，因此实际上整机结构并不简单，在美国的 heretic 计划中，所占份量较轻， 而且其中主要工作方向是热电材料研究。在它的一个工程结构研究中，为了配合热电 制冷器的散热而不得不使用液态相变制冷。 热声制冷器以美国的阿拉莫斯国家实验室 （los alamos national laboratory）的 swift 教授、美国海军研究院（american navy institute）的 hofter 教授、诺克维尔研究中心（rockwell science center） 、犹他州 立大学（university of utah）等为首的研究机构已取得有实用价值的微型声制冷器研 3 究成果。其中诺克维尔研究中心和犹他州立大学的模型样机尺寸直径为 32mm，长度 为 55mm。 目前，国际上开展了热声热机微型化研究工作的研究机构主要有： 1.美国诺克维尔科学中心（rockwell science center） 1.美国诺克维尔科学中心（rockwell science center） 以 jeffrey denatale 等科学家为主的研究人员开发了芯片尺寸水平的热声制冷机 （chip-level thermal management using mem thermoacoustic refrigerators） 。该热声 制冷机项目的关键技术包括： 1) 小尺寸情况下的热声效应的理论模型； 2) 微机械结构的热声回热器； 3) 高性能的压电声激励器和传感器。 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 及仿真可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（tar）回热器设计和实验评估； 4) 根据以上思想设计和试制了一台样机，样机简图见图 1-1 和图 1-2。 近期的目标为： 1) 集成化设计硅结构热声回热器，以便其具有更紧凑的结构和优化的热声效应 图 1-2 诺克维尔科学中心热声样机的热声叠内部结构和实验曲线 图 1-1 诺克维尔科学中心热声样机 4 参数； 2) 设法提高谐振频率和振幅； 3) 新型回热器结构和材料的实验； 4) 集成化热交换器实验。 2.美国的犹他州立大学（university of utah） 2.美国的犹他州立大学（university of utah） 犹他州立大学承担了 heretic 计划中的“integration of thermoacoustic cooling devices with microelectronic circuits for heat removal”子项目。 目的： 实现热声冷却设备与微电路集成化。该热声设备用于冷却电子部件和泵热（从微 电路中） 。为使这些热声设备工作于谐振模式下，其运行频率需要从 5khz 提高到 20khz，该项目可以论证这种结构尺寸下的热声设备与集成电路结合在计算机和电子 设备中进行热管理的有效性。 方法： 微型压电驱动器、谐振腔、回热器和热交换器结合在一起形成热声设备，尺寸的 减小导致其运行频率需达到 20khz。在高的运行压力下其能量密度将得以提高。 已经完成的部分： 1) 集成电路水平上的热声冷却设备的设计； 2) 热声设备与集成电路之间的热传递问题的改进； 3) 改进了集成电路与外围环境之间的声 特性。 近期的目标： 1) 5khz 热声设备与集成电路集成的实 现； 2) 设备的热传递功率、效率特性研究； 3) 利用上述结果设计更微型化的设备。 长远的目标： 1) 微型热声设备用于集成电路热管理的理论论证； 图 1-3 犹他州立大学热声制冷机 5 2) 建立芯片尺寸意义上的微型热声设备； 3）把试验样机应用于具体的微电路。 3.格伦研究中心（glenn research center） 3.格伦研究中心（glenn research center） 许多微小尺寸的设备为了正常高效地工作都必须要采用高性能、 微小尺寸的冷却 设备。这些微小尺寸的设备主要包括：微电子学部件、微小型传感器和微系统。由 the nasa glenn research center 采用微机电技术（mems）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。这种冷却设备的制作工艺采用成熟的半 导体生产和集成工艺制作，具有很高的可靠性。mems 型冷却器的优点主要包括：1） 制作尺寸可以到达毫米级；2）模块化的应用大大地提高了整体的冷却容量；3）可以 使用多级结构，便于达到低温；4）与需要冷却设备的接口界面简单，便于集成化；5） 可靠性高；6）振动微小，或者说几乎没有振动8。 图 1-4 是采用 mems 工艺制作的 100m 级回热器的微型放大照片。 mems 型制冷器的性能研究是在约翰.霍普金斯大学应用物理实验室进行的，最开 始的使用主要集中在回热器的性能试验上，见图 1-5。为 nasa 制作的 11cm 尺寸的 回热器采用了极化技术（polar technologies），首先采用非 mems 技术制作的商用压 电激励器（piezoelectric actuators）作为斯特林循环系统的压缩腔和膨胀腔驱动膜片， 这也是系统中唯一的可动部件。 压电膜在正弦信号的驱动下产生往复相向的微小振动 在回热器中建立其斯特林循环。 在膨胀膜驱动下的工作气体在每一次膨胀过程中创造 出膨胀制冷效应并把冷端的热能泵送出去， 同时压缩腔压缩气体工质并把热能排放到 图 1-4 100m 级的微型回热器照片 regenerator microphotograph showing 100m openings. 6 外界。热量传递在压缩膜和膨胀膜的驱动下在回热器的两端交替变化，并维持这种振 荡和热的平衡。 回热器的性能试验以后， 将采用梳状静电驱动的膜代替压电膜进行微型制冷器件 的实验，已有的实验表明使用 mems 技术制作的微型斯特林循环的冷却器件比传统 已经较成熟的技术的性能在微小尺寸的应用上有显著的提高。 除了美国的研究人员以外，俄罗斯的生物芯片中心，日本的富士通公司开发的笔 记本电脑微冷却器、 欧洲的菲利浦实验室都对微型流道热沉和微热管的制作工艺和流 动特性进行了深入的研究，取得了阶段性的成果9,10,11。 1.2 热声热机的国内研究现状 1.2 热声热机的国内研究现状 国内的热声研究开始于 80 年代末，起步较晚。不论在理论方面还是在实验方面， 与国外相比都有较大的差距。由于缺少巨大的财力支持，目前的研究尚处于初期的探 索阶段，研究的机构也比较分散，难以形成全面系统的研究。 华中科技大学的郭方中教授和他的学生们运用网络理论和系统动力学的方法对 回热器作了深入细致的研究工作，首次揭示了回热器的波动本质，提出了斯特林制冷 机回热器的网络模型，他的理论成果得到了普遍的承认。其中肖家华在国外继续了这 个工作，邓晓辉在郭方中教授的网络理论的指导下，讨论了热声转换的本质过程，建 立了回热器的有源网络模型，向宇和匡波将网络方法推广应用到汽液两相流的研究 中，指导了欠热沸腾两相系统的研究；并且实现了国内第一台热声谐振管，现在已开 始了热声空调的研制工作1219。 回热器 压电激励器（压电膜） 图 1-5 采用压电膜驱动的 mems 回热式制冷器 7 对热声发动机进行了重新设计和改进，建成了一台 1/2 波长的驻波热声热机，并 对热声热机的基本特性进行了研究。并在热声发动机研究的基础上，将热声发动机与 热声制冷机结合起来，实现无运动部件热声制冷。并对热声制冷进行了初步的实验研 究，在室温为 16.5的情况下，回热器冷端获得的最低温度为-4，获得较好的制 冷效果。模拟的结果表明，在此工况下，回热器的冷端仍然能够得到 15w 的冷量。 中科院的李青教授带领的研究人员对热声斯特林行波圈进行了很全面的研究， 找 出其不同的起振模态以及多种特性参数。建成了国内首台行波斯特林热机。设计并调 试了国内首台小型、高频行波热声斯特林实验样机，建立了全套实验系统，在国内外 首先报告了行波热声热机系统中出现的三种不同的振荡模态之间稳定、 过渡和转换等 现象，其行波圈实验装置如图 1-6 所示。 中科院声学研究所戴根华和南京大学声学所王本仁、 缪国庆对热声制冷的理论和 机理进行了介绍和分析。 中科院的罗二仓等研究了双行波模式下的热声发动机驱动的 制冷机。 同济大学寿卫东和韩鸿兴等对热声制冷进行了实验探索，并于 1995 年研制了一 套热声能量转换的能量装置，在不稳定的情况下获得了近 10的温差。 浙江大学制冷与低温工程研究所也对热声热机进行了实验研究，并于 1996 年研 制成一台采用丝网板叠的半波长热声压缩机。他们还于 1998 年研制了一台声驱动的 热声制冷机，以氮气作为工作介质，获得了 12的温降。并对微型热声发动机驱动 图 1-6 中国科学院行波斯特林实验装置以及华中科技大学的针束式回热器以及微尺 度填料示意图 8 的脉管制冷机进行了深入的研究，获得了 120k 的低温。 香港科技大学的热声课题组也正在进行微型化的声驱动的热声制冷机的研究，其 结构简图见图 1-7。 由高频声波发 生器、前端谐振腔、热端换热器、 回热器、冷端换热器、后端谐振 腔等组成。 1.3 热声斯特林制冷机热声斯特林制冷机 随着热声理论研究的深入，人们对回热器的热声实质逐渐取得了共识：回热器和 热声板叠已不再有原则上的区别，它们都是通过流体受热膨胀与固体热容的耦合，构 成组合的热力学工质的，所 以都可以说是热声部件。本 课题组，通过热动力学网络 分析方法15，把斯特林制冷 机和热声制冷机建立在了先 后一致的热声理论的认识基 础上，所以本文中常以热声 制冷机泛指以热声理论为基 础的制冷机。 热声制冷机是利用声波 来实现制冷的。它是由驱动 声源与热声谐振管组合构成 的一套密闭系统，其中充满 了气体工质。谐振管中还装 置有一个热声板叠和两个换热器，这是热声效应发生的主要场所。声源持续地发出谐 振管基频下的声波并在谐振管中形成一个驻波声场；在声波的驱动下，气体工质在热 声板叠通道内来回运动，并通过与热声板叠间的热接触产生热声泵热效果，在板叠两 图 1-7 香港理工大学的微型热声热机样机简图 (a) 1/4 波长谐振管 v 线圈 0 r z l2 l1 zs ls 回热器 热端换热器 冷端换热器 声波 v 图 1-8 电动膜片驱动热声斯特林制冷机 线圈 回热器 声波 振动膜片 热端换热器 冷端换热器 0 r z l2l1 zs ls v (b) 1/2 波长谐振管 v 9 端产生温差； 再通过与板叠两端紧密结合的冷、 热端换热器， 将热量传递到外部环境。 这里的热声板叠是在驻波声场中产生热声效应的。 而传统斯特林制冷机则是在外加周 期激振力的作用下使压缩活塞运动，引起气体的压缩和膨胀从而实现制冷的。此时， 回热器是在行波声场中产生热声效应的。 从概念上说，热声热机应当按照其工作声场分为两类：一类是驻波热机，另一类 是行波热机。但是，在实际的热声热机中不可能存在单纯的驻波， 因为文献12中 的4-5 已指出，声能传播与波的方向一致，只有行波分量才能造成声功流。单纯驻 波是不能传播能量的，热声热机的声功流仍然须由行波分量来传递，所以实际热声热 机在谐振腔中总要维持有一定的行波分量。 热声热机自廿世纪九十年代起逐渐步入应用阶段以来， 通过实际热声热机系统的 研究，把驻波热声效应和行波热声效应的长处综合起来，让回热器在谐振管中工作， 这个研究方向上突出的成就是廿世纪末出现的所谓热声斯特林原动机。 相应的热声斯 特林制冷机的研制工作也正在进行之中。 图 1-8 是一个电动膜片驱动的热声斯特林制 冷机的原理简图。 1.4 本文的目的及主要工作本文的目的及主要工作 热声斯特林制冷机是一套复杂的系统，其微型化研究所涵盖的内容是非常广泛 的。声压机作为系统中唯一的能量来源，其微型化效果从很大程度上影响着整机的微 型化进程。因此，本文将研究的重点放在了声压机的设计计算上面，并通过计算和局 部结构设计论证了正压缩的微型热声斯特林制冷机的技术合理性和可行性。 主要的工作包括： 绪 论 论述了当今发展微型制冷机的迫切要求，以及国内外研究机构对微型 热声制冷机的研究现状。并且概括了发展热声斯特林制冷机的必要性。 第二章 设计了一台过渡型热声斯特林制冷机，对整机系统各结构方案的确定 方法进行了简要的介绍。 第三章 对微型热声斯特林制冷机中的声压机结构方案进行较全面的分析，并 讨论它与谐振管的匹配问题，从而提出了电动声压机中平面驱动线圈的设计条件。 10 第四章 分析声压机中线圈的磁场分布和薄膜的受力情况，并且通过实验验证 在该分析方法基础上建立起的磁场计算模型的正确性。最后，证明了第二章中所选用 声压机的结构及参数方案的正确性。 第五章 对压机方案整体性能进行了计算验证。 第六章 全文工作总结及今后工作展望。 11 2 声驱动热声斯特林制冷机系统研究声驱动热声斯特林制冷机系统研究 许多研究人员都进行过通过提高斯特林制冷机运行频率来提高其性能并减小其 体积和重量的研究工作。因为运行频率的提高就意味着在单位时间内，工质循环的次 数增多， 泵送的热量就会更多。 但是在以往的研究过程中发现， 随着运行频率的提高， 工质的粘性耗散损失、辐射损失、流阻损失、穿梭损失、泵气损失都会增大，结果在 高频下，更多的有用功被消耗在工质的振荡过程中了，反而使得效率有所降低。另一 方面， 随着频率的提高， 工质的热传导增大， 引起工质从冷端到热端泵热能力的下降， 也即是轴向导热损失增加，最终也降低了效率。故在保持驱动方式、基本结构及工作 原理不变的前提下，对于运行频率的研究表明了其最佳运行频率为 50hz20，最高也 不过 120hz。因此，为了充分利用斯特林循环的高效率，必须发展新型的基于斯特林 循环的微型热声斯特林制冷机。 2.1 热声斯特林制冷机研究方案介绍 2.1 热声斯特林制冷机研究方案介绍 为了研究微型热声斯特林制冷机系统的设计方法， 先以一台过渡尺寸的斯特林制 冷机冷头为对象，组成实验台，进行其配套热声谐振管的设计和实验研究。研究主要 包括三个方面的内容：热声管（谐振管和回热器）部分的设计，驱动部分的设计及其 与斯特林冷头之间的匹配和实验分析。其中，谐振管及回热器部分的分析已由涂虬、 刘益才等人做过详细研究2124，本文以声压机的驱动问题为中心研究整机系统各部 件的选型与设计计算方法。 给定热声制冷机优化设计要求：要求在回热器两端产生 10温差（平均温度 ktm300=） ，得到 50mw 的制冷量。对系统设计还必须给出的条件按下面分析分别给 定。 2.1.1 设计条件2.1.1 设计条件 1气体工质的选择 12 按照气体工质的物性参数来选定气体工质。 根据系统长度与气体工质的关系式/4lcf=可以知道，为减小系统长度，可以 选择速度小的气体。在实验室现有的氦气、空气、氮气中，可以考虑选择氮气。另 外在选择气体时还得考虑热渗透深度 k 和粘性渗透深度 v 的关系，前者是热声效应 的驱动因素，后者是能量损失的成因。增大热渗透深度、减小粘性渗透深度可以增 大有效热声效应区。热渗透深度与粘性渗透深度表达式分别为 22 k p k c = (2-1) 22 v = (2-2) 其中，工质密度； p c工质等压比热容； 声波角频率； 工质导温系数； 工质运动粘性系数 两者的关系式是 / k = (2-3) 式中，普朗特数。 对于以上三种气体，在室温下，普朗特数分别是0.66，0.72，0.72。 综合考虑各因素后选择氮气作为气体工质。 2气体平均压力的选择 根据热动力学理论可以知道，热流密度与气体平均压力有关，增大气体平均压 力，可以提高热流密度，这样选择高的气体平均压力有利于提高热声制冷机的性能。 但是提高压力使得普朗特数增大，根据热渗透深度 和粘性渗透深度 的关系 式(2-3)可以知道，普朗特数增大，热声效应区随之减小，这对热声制冷机是不利的。 13 另一方面，还得考虑系统的耐压性。 综合以上因素，气体平均压力定为0.3mpa。 3工质频率的选定 根据热动力学理论15可以知道，提高频率可以增大热流密度。但是，热渗透深 度的定义式(2-2)说明：增大工质频率，热渗透深度会减小，回热器填料的间距随之 减小，使得加工难度增大。而且作者在文献25中也分析了频率提高的局限性。 因此，工质频率选定为1000hz。 4压力驱动比的选定 压力驱动比的定义是，振荡压力幅值与平均压力的比值。提高压力驱动比，可 以大幅度地提高热流密度，从而提高单位面积的制冷量。但是压力驱动比的选取， 还得考虑两方面的因素： (1)电动声源的驱动能力； (2)声波在热机系统中振荡的非线性。 压力驱动比选定为0.01dr =，可以使振荡气流在线性范围内。 2.1.2 谐振管方案选择 2.1.2 谐振管方案选择 1 电动声源 2 热端换热器 3 回热器 4 冷端换热器 5 谐振管 图2-1 电声制冷机原理图 h t c t h q c q h t c t 温度 压力 速度 x x 0 p h t c t 温度 压力 速度 x x x 0 p h t c t h q c q x 14 根据谐振管中声波的模式可将热声制冷机分为半波长和 1/4 波长两类，如图 2-1 所示。如果所选的驱动频率使得其为半波长的谐振管，则声源被布置在高声阻抗处， 并且回热器在其附近。如果是 1/4 波长的谐振管，则声源在低声阻抗处。一般来说， 半波长系统比 1/4 波长系统更为实用（后者通常用于理论证明） ，大多数的热声制冷 机均是采用半波长的形式。但是在这里我们考虑的是微型制冷机，目前我们设计所要 求的频率为 1000hz，工质为氮气时，1/4 波长大约为 80mm，比较符合我们的尺寸要 求。显然在同样尺寸下，如果采用半波长模式，则必须在更高的频率下运行。因此， 在这里我们选用 1/4 波长模式的谐振管。 2.1.3 热声器件方案选择2.1.3 热声器件方案选择 目前回热器的填料主要是平行板叠（parallel plate） 、圆孔（circle） 、丝网（mesh） 等。swift26提出针束型回热器（pin-array） ，并采用deltae软件计算表明：对热声原 动机、热驱动的制冷机、电声制冷机，采用针束型回热器的热功效率比采用平行板叠 的分别提高10%、9%、12%。 实验27 也表明这种回热器性能优于其它类 型的回热器。 但是圆形针的校直和针 间定位都较难解决。 本实验室涂虬提 出了矩形钢针的针束型回热器， 并进 行了该回热器的参数优化21。因此 在这里我们根据微型制冷机的要求 选择合适的针束型回热器。 针束型回 热器的钢针排列如图2-2所示。 考虑 到冷量因子和损耗因子的综合作用， 将针束型回热器的钢针半径和间距 确定为：mmr25. 0 0 =，mmy24. 0 0 =。由于回热器的长度和位置对热声制冷机的制冷 效率有很大影响，因此根据制冷效率最大，同时还要兼顾制造的可行性，将回热器的 长度和位置定为mml8=，mmxc40=。 图2-2针束形回热器钢针分布图 2y 2 2 15 2.1.4 实验台方案简图2.1.4 实验台方案简图 对于驻波的热声制冷机，在谐振管的末端一般会有一个谐振腔，用来调节热声管 的长度。显然，对于微型热声制冷机，如果也采用谐振管，会使整个设备的体积增大 很多，不符合微型化的要求。因此，在这里采用了两片电动膜片分别布置在谐振管的 两端来驱动热声制冷机，从而调节系统的频率和相位。当这两个电动膜片的振动具有 一定的相位差（最好为 90）时，可以保证有较好的制冷效果。 综上所述， 在以下给定的设计条件下， 我们所设计的微型制冷机实验台的结构简 图见图2-3所示。运行工况：平均压力：mpap3 . 0 0 =；平均温度：ktm300=；回热 器两端温差：kt10=；相对压力振幅：0.01dr=；运行频率：1000fhz=；工质 为氮气。 图2-3 微型制冷机实验台简图 1、回热器套筒 2、冷端换热器 3、低温端端盖 4、真空罩 5、抽真空接头 6、冷端电动膜 7、回热器 8、热端换热器 9、热端电动膜 10、高温端端盖 16 2.2 声压机结构方案 2.2 声压机结构方案 热声制冷机是利用回热器的热声效应进行能量转换的， 而产生热声效应的条件则 由热声热机系统提供。 回热器内的流体振荡与温度波动的耦合是通过声场的相位调节 实现的，各种整机系统的结构都是为了给回热器提供合理的相位。因此，声振荡的产 生方法与传播方法是热声热机系统的一个基本特征。 对于微型声驱动的热声制冷机而言， 声的产生方式主要是采用微型薄膜作为声发 生器。而膜的驱动方式主要有以下几种18： （1）磁驱动型，比如传统斯特林制冷机用的线性电机。但其结构较复杂，而采 用新型的平面线圈和微型电磁体结合的方式后，则可使整个驱动结构的尺 寸大幅度的减小； （2）压电驱动型，也即是压电信号发生器； （3）磁致伸缩型，也属于一种压电型的； （4）电容变换型； 研究表明23，压电膜驱动时振动位移很小，故本方案中不再考虑采用压电膜；而 由于对静电膜和电容膜振动特性的认识不是很深刻，其振动模态可能很复杂，所以我 们在此也不做讨论；文献28明确指出，单元导磁膜片加平面驱动线圈的方案较好。因 为采用电动膜可以消除压电膜固有的一些缺陷，比如：振荡位移偏小以及压电膜本身 的驰豫现象等；同时，电动膜容易实现相位控制，可以根据实际需要调节振动幅值。 因此，我们在过渡方案中采用了电动膜作为声压机，也即是利用微型平面线圈去驱动 导磁圆形薄膜振动的方式来提供声场。 有关于电动声压机的详细计算将在后续章节做 较全面的研究，在此只提出其可能采用的驱动线圈结构方案。 2.2.1 采用 mems 工艺的平面线圈矩形平面线圈 2.2.1 采用 mems 工艺的平面线圈矩形平面线圈 目前 mems 技术已经在微电子技术的基础上得到了很大的发展，该工艺目前一般 有三条技术路线：一是以硅表面加工和体加工为主的硅微细加工；二是利用 x 射线光 刻、电铸的 liga 工艺;三是精密机械加工。 当平面线圈的线径厚度小于 15m，线圈的线宽小于 40m，线间隔小于 40m 时，用普通的蒸镀工艺已经不能加工出这种规格的平面线圈了，就必须采用半导体的 17 掩膜电镀工艺来完成，又因为其线径太细， 不能承受太大的电流，所以一般就采用双层 平面线圈，其加工工艺流程如图 2-4 所示。 首先在双面氧化的(100)硅片上溅射一层 80nm厚的/作为电镀种子层，然后 在/种子层上甩一层 3m厚的光刻 胶(4620)，经曝光和显影后形成电镀铜 线圈的掩模；接着以此光刻胶为掩模电镀 2m厚的铜作为底层线圈，而后再甩一层 4m厚的光刻胶，经曝光和显影后开出连接 上下层线圈的通孔；电镀 3m厚的铜作为连 接上下层线圈的导线；去掉光刻胶，并用溅射方法除去/电镀种子层，接着 溅射 8m厚的al2o3作为上下层线圈间的绝缘层； 用化学-机械方法把al2o3层抛光， 并露出连接上下层的导线；重复以上步骤可制作出上层线圈2933。图 2-5 为线圈俯 视图。 但是，由于线径的减少必然造成线电流的 减小，由此产生的电磁驱动力也是很小的。因 此，在过渡机的研究过程中，我们考虑了一个 mems微型线圈的替代模型编织线圈方 案。 2.2.2 编织线圈圆形平面螺旋线圈 2.2.2 编织线圈圆形平面螺旋线圈 直接使用漆包铜导线紧密环绕成平面螺旋线圈， 并利用高弹性尼龙线编织成的弹 性骨架将线圈扎紧， 保证各匝线圈位于同一平面内， 我们暂且称之为编织线圈。 这里， 线径的加大使得所能通过的线电流大大提高， 由于线圈对导磁材料产生的电磁作用力 与线电流的平方是成正比关系的，故由此所产生的电磁力必定大大提高，详细计算见 第四章。电磁力的提高会使得膜片的变形加大，谐振腔中的声波幅值也会提高，从而 图2-5 mems方形线圈俯视图 图2-4 平面线圈的制作工艺流程 18 增大了声功输出。 本方案中采用的线圈是直接由直径为mm5 . 0的漆包铜导线密绕而成的。 两个绝缘 层厚度为 0.04mm，匝数为 7，线圈外半径为4.28rmm = ，线圈最内层起点到圆心 距离 0 0.5mm=。关于线圈方案的具体确定方法将在第四章做详细的介绍。 2.3 声压机控制电路设计 2.3.1 控制要求 2.3 声压机控制电路设计 2.3.1 控制要求 对于微型电动膜驱动的热声斯特林制冷机来说， 控制系统的关键是要对其压缩腔 膜片和膨胀腔膜片的相位和振幅能够分别进行控制。图2-6显示了其控制系统框图。 图 2-7 是其两个腔膜片控制信号的基本相位关系图： a、b分别表示膨胀腔容 积ve（mm3）和压缩腔容积vc(mm3)的变化规律； c、d分别表示 ve、vc 的变化值 与时间的关系曲线。由图可知，控制系统必须给膜以合适的控制信号以便使 ve 的变 化能够超前于 vc 的相位大概为 90 0。对于实际的控制系统来说，其相位差在 801000 范围内制冷机均会有较好的优化效率， 这与普通的斯特林制冷机的压机和冷头的位移 波形相位差基本是一致的。 图2-6 激励控制系统示意图 (q1q4 桥式整流管，sea、seb膨胀膜控制信号，sc 压缩膜的控制信号，8a、8b 输出信号线，4、5 加法器，q 端口，vc 输入电压信号、n f0输入频率信号，veg膨胀腔声波发生器) 19 c u r u 0 u u in u 图2-9 变压器桥式移相电路 2.3.2 移相器的设计 2.3.2 移相器的设计 热声斯特林制冷机内，膨胀腔容积变化超前于压缩腔容积变化，这是保证制冷机 按斯特林逆循环工作的先决条件。 采用电路控制相角对于电磁双驱动的热声斯特林制 冷机来说是很适用的。 移相器在制冷机驱动系 统中的核心地位如图 2-8 所示。 本文中考虑采 用变压器桥式移相电路 来替代常用的运算放大 器移相电路，以解决移相后有效值的稳定性问题。 变压器桥式移相电路34结构简单（如 图2-9） ， 包含一个带有中心抽头的变压器， 变压器初级与次级线圈的匝数比为1：2。 在它的输出端由可变电阻和不可变电容组 成了一个电桥，输出信号在变压器中心抽 头和电阻电容之间获得，输入在变压器的 原边。 当改变电阻r时， 可改变输出电压 o u,2, 1( = jj nj。 在某一特定z平面上：当0=x时，()nj j , 2 , 1 =取最小值，故磁场的轴向分量 hz最大， 径向分量最小。 对任意() n axx0值， 其内各匝线圈所产生磁场() 2 j 的轴向分量与其外各匝线圈所产生磁场() 2 j 的轴向分量的方向相反。因此，hz 随x的增大而单调递减，当x增大到某一数值时，内、外各匝线圈在该处产生磁场的 轴向分量的数值相等，结果使hz数值为零。显然，当 2x等于最外层线圈的长度 2an 时()nj j , 2 , 1 2 = ，hz出现负值。 图 4-5(b)、(c)给出了线圈结构参数改变时磁场的分布特性。由图 4-5 可知，线 径增大，hz增大，且当线径增大到一定值时分布曲线开始波动；线径及线间距不变 而匝数增加时，磁场轴向分量的最大值增大。 同样的分析方法用于圆形线圈的磁场，可得出相同的结论。 4.3 磁场中导磁薄膜所受的微小电磁力计算 4.3 磁场中导磁薄膜所受的微小电磁力计算 坡莫合金薄片在通电平面线圈产生的磁场 h 中所受到的磁场力可归结为分子电 流所受到的力。由于分子电流在宏观上表现为磁化电流，因而可以从磁场对坡莫合金 薄片所产生的磁化电流的作用，来求出其所受到的磁场作用力33。 坡莫合金在磁场 h 中发生磁化，在其内部产生的磁化电流的体密度 m 为41 m m = (4-14) 41 在其表面所产生的表面磁化电流的面密度为 mn s = (4-15) 其中，m为坡莫合金的磁化强度，n为表面法向矢量。 根据单位体积载流导体受到的作用力公式42 fb= (4-16) 其中，为磁化电流密度，b为磁感应强度。 由式(4-14)至(4-