40K温区的热驱动低温热声制冷机

热声驱动脉管制冷机主要由热声发动机和脉管制冷机组成,是一种完全无运动部件的新型低温制冷机。本文在实验室现有行波热声发动机的基础上,运用线性热声理论对两级脉管制冷机进行了设计,并用声学放大器对热声发动机和脉管制冷机进行耦合,提高脉管制冷机的驱动压比,从而获得了41 K的低温,这是目前热声驱动脉管制冷机所获得的最低制冷温度。正因为本热声驱动脉管制冷机系统的热驱动特性及其主要部件都是按照热声理论进行设计,所以我们将其称为热驱动低温热声制冷机。     

80 K温区的小型行波低温热声制冷机

热声制冷机由于结构简单、无运动部件,具有广阔的应用前景。本文在已有的小型行波热声发动机的基础上,开展了热声制冷的工作。利用线性热声理论对制冷机进行数值模拟,并对制冷机的各热声元件优化。优化后,系统整体装配横向尺寸仅0.5 m,在充气压力3 MPa,发动机输入功率384 W的条件下,达到了80 K的无负载温度。由于本制冷机由行波型热声发动机驱动,并且是通过线性热声理论优化,因此称之为小型行波低温热声制冷机。     

高效室温行波热声制冷的研究 第一部分 方案及热力分析

文中对简化的热声网络法、T型传输线网络法以及传输矩阵法进行了比较讨论。采用简化的热声网络法对几种可能的制冷流程进行了分析 ,并确定出了可能高效工作的制冷方案。最后基于传输矩阵法对一种行波热声制冷机进行了分析和热力设计 ,得到该制冷机较优的结构参数。当制冷温度为 - 2 3℃时 ,其 COP可达 2 .86 ,相对卡诺热效率为 5 7%。     

热驱动室温行波热声制冷机的实验研究

本文报道了热声驱动的室温行波热声制冷机的实验研究。以氦气为工质研究了平均充气压力、工作频率等参数对制冷性能的影响。实验达到的最好结果为:最低温度为-47℃,在-20℃的制冷量为80W,按输入制冷机的P-V功计算,相应的制冷系数COP达到1.6左右。     

新型液氦温区热声驱动制冷系统研究

提出一种采用气液耦合谐振子的新型热声驱动制冷系统,理论上首次实现液氦温区制冷。模拟结果显示,系统最低无负荷制冷温度达到5.9 K,为目前热声制冷系统的最低记录。本文首先基于数值模拟优化了新型热声制冷系统结构参数;然后,分别揭示了系统内部关键参数的沿程分布以及热力学性能的影响规律。本研究填补了热声制冷技术应用于液氦温区的空白,有望为航天、低温电子器件及氢能源利用等领域中的新型热驱动制冷机奠定理论基础。     

高效室温行波热声制冷机的研究(第二部分:电声压缩机驱动的行波热声制冷机的实验研究)

热声制冷机是利用热声效应将声能转化为热能的新型制冷装置 ,以其环保性及高可靠性等优点吸引着起来越多的科研者。该文研究对象为电声压缩机驱动的室温行波热声制冷机。首先介绍了制冷机的工作原理、设计及加工 ;实验系统建立后 ,改装曲柄 -连杆活塞压缩机 ,使之提供变频的波动压力作为该制冷机的驱动源。初步实验在充气压力 2 .0 MPa、氦气为工质的工况下 ,获得 2 6 4 K的制冷温度     

应用于热声系统的声学倒相变压器

给出了一种声学调相变压结构,并理论上讨论了该结构的调相变压机理。结果表明:在一定的几何条件下,该结构能够实现不受负载影响的声压放大功能,并输出声压倒相;将该结构应用于热声热机驱动热声制冷机或脉冲管制冷机的耦合,可以取得更好的效果。     

液氮温区热声驱动脉管制冷机的研究

热声发动机驱动的脉管制冷机是一种完全无运动部件的低温制冷机,具有非常好的应用前景,本文介绍了本实验室在这方面取得的最新进展。首先我们对驻波热声发动机进行了改进设计,提高了其驱动压比,用氦气作为工质最大压比达到了1.15。在此基础上我们用其驱动同轴双向进气小孔型脉管制冷机,通过调整热声发动机的振荡频率,使之与脉管达到匹配,最终达到了84.3K的最低制冷温度,这也是目前用驻波热声发动机驱动脉管所达到的最低制冷温度。同时,在此实验过程中,一些抑制跳频的方法也得到了实验验证。     

扬声器驱动热声制冷机设计研究

热声制冷机主要由声驱动器、共振管、板叠、高低温端换热器、声容等部件组成。它具有运动部件少、运行可靠、振动小和寿命长等优点 ,在军事、航天、微电子、低温物理等领域有着十分诱人的应用前景。文中运用经典线性热声理论对热声制冷机各个组成部件设计进行了介绍 ,在此基础上设计了一台扬声器驱动热声制冷机 ,并用专业计算软件进行了数值模拟验证 ,为热声制冷机进一步优化与发展提供了一个解决方案。     

直线压缩机驱动热声型低温热声制冷机研究

直线压缩机驱动的热声型低温热声制冷机是获得低温的一种重要制冷技术,它利用直线压缩机往复运动产生的声波驱动脉管产生热声制冷效应而工作。文中报道了由中国科学院理化所和深圳市中科力函热声技术工程研究中心联合研制的系列液氮温区低温热声制冷机,其效率达到22%,为目前国际上所有公开报道的各类热声制冷机中的最高效率。该系列低温热声制冷机在低温下无运动部件、可靠性高,在红外探测器、高温超导滤波器等低温电子器件冷却方面具有重要应用前景。此外,还将对下一步的研究进行简单的介绍。     

热声斯特林发电系统的实验研究

本文介绍了一台由热声斯特林发动机及其驱动的直线发电机组成的热声斯特林发电系统原理样机.一方面为满足发电机与发动机间体积流率和相位的匹配要求,另一方面为了能在直线发电机活塞处获得较好的压力波与体积流率间相位关系、提高直线发电机的电功输出能力,装置保留了发动机原有的锥形谐振管.初步实验以氦气为工质,在2.5MPa平均压力、64Hz工作频率下,获得了97W的电功.本文还分析了该热声发电系统的效率,得出直线发电机声电转换效率超过了0.8.然而由于谐振管耗散了大量的声功,目前整机的热电转换效率还较低.     

液体工质对气液热声发动机性能影响的实验研究

采用气液耦合振动是降低热声发动机谐振频率和提升其压力振幅的一种有效途径。为了研究液体工质对于气液热声发动机性能的影响,本文针对水、室温离子液体[EMIM][BF₄]、20%氯化钾溶液、40%和50%甲酸钾溶液五种液体工质进行了实验研究和分析。实验数据显示,在相同加热功率下,采用50%甲酸钾溶液时系统谐振频率最低,而水工质对应的谐振频率最高;40%甲酸钾溶液的压力振幅最大,而采用离子液体[EMIM][BF4]时系统压力振幅最小。研究结果表明:采用密度较大的液体工质可获得较低的谐振频率,而密度大、黏度小的液体工质则有利于获得更大的压力振幅。     

热声致冷效应演示实验

基于热声致冷原理,利用自制的热声堆,采用常见的材料和仪器,设计了扬声器驱动热声致冷实验演示装置.以空气作工质,在无冷却措施的情况下,系统运行200 s后,实现了13℃的降温及25℃的温跨.     

负载对热声发动机性能的影响

热声发动机作为一种完全没有运动部件的能量转化和传输机械具有广阔的应用前景.为了提高热声发动机的驱动性能,本文采用变负载法对热声发动机性能的影响因素进行了实验研究.实验结果表明,负载的阻力和容抗对热声发动机的加热温度、压比和声功引出有重要影响.同时,实验中还发现了能够使热声发动机瞬时消振和起振的实验方法,将极大方便对热声发动机的开关控制.     

驻波热声系统的自激振荡机理

热声发动机的起振过程是一个产生并维持自激振荡的过程, 研究热声自激振荡机理有助于进一步了解热声效应的实质. 根据热声网络理论, 建立了驻波热声发动机的整机网络. 将热声网络比拟成电网络, 利用厄米特式计算了输入热声网络的视在功流, 功流平衡对应自激, 在角频率虚部为零的情况下计算了热声发动机的阈值温度和运行频率. 结果表明, 计算值与实验值符合得较好, 充气压力与阈值温度和运行频率的耦合关系大致相同. 所得结论有助于进一步探究热声效应机理以及热声发动机系统的优化设计.     

气-液双作用行波热声发动机性能研究

本文提出了环形三部分对称结构的气液双作用行波热声发动机,该发动机采用U形谐振管并引入液体活塞。本文针对平均工作压力、加热器加热量以及液体活塞质量等不同运行参数对系统性能的影响进行了数值模拟。模拟结果表明,提高平均工作压力、增大加热器加热量有利于提升系统压力振幅;引入液体活塞1.13 kg时,系统谐振频率达到最小值17.48 Hz。     

行波热声发动机容腔管和反馈管的调相作用研究

带环形圈的热声发动机是一种新型的行波型热声发动机,由于能够在环形圈内回热器附近调制出行波相位,因此具有比驻波发动机更高的效率。环形圈的反馈管和180度弯管分别在系统中起着感和容的作用,在相位的调制过程中它们起着至关重要的作用,尤其是对于感的作用比较强的小型系统,它们的作用更加突出。该文通过计算,分析了小型行波热声系统中感和容对于回热器入口处和回热器中心位置处的压力波动和体积流率相位的调制作用,以及这种调制作用对于效率,压力波动的幅值的影响。     

热声制冷机声场中非线性效应

热声制冷的基本原理是热声效应,但热声效应一般只在高声强下发生,随之将产生强烈的非线性效应.本文在自行研制的热声制冷机试验台上,研究了板叠对声场非线性的影响以及非线性对热声系统性能的影响.结果表明,板叠的存在使得声波明显衰减,压比约减小5%,并且各次谐波的幅值和增长速率较无板叠时均有所降低;非线性效应限制了基波的增长,导致了高次谐波产生,且基波和高次谐波的增长均有发展为饱和的趋势.板叠的存在产生明显的声制冷效果,制冷温度随驱动功率增大先增加后减小.在50 W时达到最低温度5.1℃.     

基于热声相控阵列的声聚焦效应

研究基于热声相控阵列的宽频带声聚焦效应.设计新型热声相位控制单元,通过改变单元的空气温度控制声波波速,实现声波透射与反射相位延迟覆盖2π区间.设计四种不同类型的热声相控阵列聚焦透镜,采用8种或2种热声相位控制单元分别实现了透射与反射声聚焦效应.与其他类型的声聚焦透镜相比,热声相控阵列聚焦透镜具有宽频带、高聚焦性能、设计方案简单等优点.     

400W行波热声发电系统的实验研究

本文阐述了为太阳能发电系统设计的400 W行波热声发电系统(TWTAEG)的实验研究过程.实验系统由行波热声发动机和直线发电机组成,系统采用平均压力为3.5 MPa的氦-氩混合气体为工质,其中氩气分压比为1.4%,系统运行频率为74Hz.实验中最大输出电功为446 W,此时的热电效率为13%;在输出电功为416 W时热...