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。     

压力对热声驱动脉管制冷机性能的影响

讨论了充气压力对热声压缩机的起振温度等性能的影响 ,着重研究了工作压力对热声驱动脉管制冷机性能的影响。对自行研制的驻波型热声驱动脉管制冷机进行了改进和优化 ,在最近的实验中取得了 1 2 0 K的无负荷最低制冷温度 ,达到液化天然气温区。     

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。     

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。     

电机调相式热声制冷机研究

优化匹配出口阻抗是热声制冷机获得最佳性能的关键点之一。本文提出了一种电机调相式热声制冷机方案,它利用直线发电机提供热声制冷机高效工作所需的相位,同时回收制冷机出口膨胀功并转换成电能,提高整机效率。与现有技术相比,本方案的热声制冷机具有制冷效率较高、结构简单的优点,适用于冷量比较大、制冷温度较高、膨胀功相对较多的情形。此外,还可满足热驱动热声冷电联产的应用需求。本文基于经典热声理论,先计算分析了直线发电机入口阻抗、制冷机入口压比对制冷性能的影响。在此基础上搭建实验台进行了初步实验,在平均压力3 MPa、工作频率55 Hz下,获得了110 K制冷量158.3 W,制冷机相对卡诺效率为16.1%,将回收的电功计入后整机效率达到了31.4%。     

驻波热声冷却机的研究

与压缩机制冷相比,热声制冷结构简单、可靠性高和使用寿命长。本文在正常室温(20℃)和室压(1个大气压)的工作环境下以空气为声学介质来探讨热声制冷机的设计及热声制冷效果的影响因素,并制作样机进行实验研究。研究发现:板叠长度和中心位置对热声转换效率影响较大,其数值需要理论与实验相结合来确定;以空气为声学工质,在正常室温、室压下的热声制冷机,用50W的供电驱动、90 Hz工作时可实现冷热端37℃的温差。     

室温温区热声制冷机研究

热声制冷机作为一种新型制冷技术,具有效率高、可靠性好、环境友好等特点。目前,室温温区热声制冷机存在回热器声功利用量少、出口声功大、回收损失大等问题。本文基于SAGE软件,对室温温区热声制冷机的工作机理进行了研究。通过对两级及以上热声制冷机的制冷系数、制冷量以及进出口阻抗相角进行分析,探寻同时提高声功利用率和制冷量的方法。在分别以制冷系数和制冷量为优化计算目标的前提下,得到了室温温区多级热声制冷机的制冷量、制冷系数及声功利用率随级数变化的变化规律。计算结果显示,多级热声制冷机对出口声功的利用率存在最大值。可根据实际需求综合考虑制冷系数及制冷量,以得到较优的制冷工况。     

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。     

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。     

热声制冷机的一种非线性模型研究

为研究热声制冷机内部的非线性过程,发展了一种可考虑管道截面积变化的时域准一维非线性热声模型,其主控方程由可压流基本控制方程经截面平均的数学处理推导得出,数值求解采用具有频散保持特性的高精度计算格式。采用该模型分别针对活塞、扬声器和热声发动机这三种不同驱动源,将驱动源和热声制冷机进行整体求解,模拟了热声制冷板叠两端温度差在气体微团吸放热的循环过程中逐渐增大的整个过程,预测了谐振管内部驻波的非线性畸变。进而研究了平均工作压力、板叠材料、板叠位置以及扬声器形状等参数的选取对于热声制冷机制冷效果的影响。     

低于氮临界点温度工作的热声驱动脉管制冷机研究

采用热声发动机驱动的脉管制冷系统,消除了系统中的机械运动部件,具有结构简单、运行可靠和环境友好等优点。文中基于Regen 3.2软件,设计并制作了一台采用热声驱动的单级脉管制冷机。该制冷机采用双向进气结构,脉管和回热器为U型布置。初步实验研究中,以氮气为工质,该脉管制冷机获得了117.5K的最低制冷温度,低于氦的临界点温度126.19K;以氦气为工质,目前获得了83.5K的最低制冷温度。     

液氮温区高效脉冲管制冷机的特性研究

本文介绍了由线性压缩机驱动直线型脉冲管制冷机的最新研究结果。根据压缩机参数,依靠线性热声计算程序,优化出10 W级直线型脉冲管制冷机,并使得制冷机入口阻抗能够与压缩机匹配。实验结果表明,由于制冷机与压缩机之间耦合较好,压缩机在达到较好的声电效率的同时,制冷机也拥有较高的相对卡诺效率。其中最好的结果为在输入电功为127 W、制冷温度为77 K的情况下获得了9.4 W的制冷量,整机相对卡诺效率达到了19.8%。文中给出了不同压力、不同调相机构下的压缩机及制冷机特性并对结果进行了分析。     

扬声器驱动热声制冷机的研究进展

热声制冷技术是一项新型的制冷技术,它具有运动部件少、运行可靠、振动小、寿命长、对环境无污染等优点,在航天、超导、低温电子、低温生物等众多领域有着十分广阔的应用前景。本文阐述热声制冷效应的基本原理和热声制冷循环之后,系统介绍了热声制冷机中共振管、板毪、换热器、动力源(扬声器)等部件和制冷工质的研究情况。同时,指出了扬声器驱动热声制冷存在的问题,并对热声制冷的发展进行了展望。     

小型热声制冷机的优化

简要介绍了热声制冷机的发展,特别介绍了Husam El—Gendy等人小型热声制冷机的优化的工作。结果表明：优化的高频微型热声制冷机能达到每平方厘米数百瓦的制冷功率密度,可完全用于激光制冷、电子制冷和其它需要热控制的器械。     

惯性管对热声驱动脉管制冷机性能的影响

为了考察惯性管对热声驱动脉管制冷性能的影响,利用驻波型热声驱动脉管制冷实验装置,开展了惯性管结构参数对系统性能影响的实验研究.实验中所采用的惯性管由直径分别为2 mm和4 mm的两段铜管串联而成,重点研究2 mm直径管段的长度对压比和制冷温度的影响.通过实验优化,当惯性管结构参数为内径2 mm的铜管长度2.5 m,内径4 mm的铜管3 m长时,在加热功率1.8 kW条件下,脉管制冷机的无负荷制冷温度达到63.0 K.     

VM型脉冲管制冷机数值模拟与实验研究

本文介绍了由VM型热压缩机驱动的脉冲管制冷机基本结构、数值模拟与实验研究。热压缩机借鉴VM制冷机产生压力波动的方式,即依靠室温与冷源之间的温度差产生压力波动,驱动低温级脉冲管制冷机。利用液氮温区制冷机为热压缩机提供所需要的冷量,避免使用低温液体带来的不便。低温级脉冲管制冷机的回热器与脉管采用U型布置,调相机构采用小孔气库加双向进气方式。这种结构不使用有阀压缩机,可以产生低频压力波动,保证回热器在低温区高效工作。在原有结构的基础上,改造热压缩机回热器尺寸与填料,使用Sage软件进行了整机模拟,对调相机构进行优化,考察其在不同的运行频率、平均压力、排出器位移下的制冷性能。对改造后的脉冲管制冷机进行了初步的实验研究,获得14.4K无负荷制冷温度。     

双行波热声制冷机耦合方式研究

双行波热声制冷机因为其内禀的高效率、热驱动及无运动部件的优点,非常有潜力成为常规制冷方式的一种替代技术。为了详细地研究它的工作特点,我们发展了一套较完整的热声模拟程序,可以准确地预测系统工作频率,在一定的误差范围内给出系统的热力性能,并对系统起振的难易程度进行有效的判断。借助于此套程序,我们对行波发动机驱动的行波制冷机进行了数值模拟,主要是对它们之间两种不同的耦合方式(旁通耦合和末端耦合)进行了对比,初步实验结果显示了程序的有效性。     

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。     

热声驱动脉管制冷机系统的效率评价

采用热声压缩机驱动脉管制冷机将完全消除系统的机械运动部件 ,大大提高了运行的可靠性。随着热声驱动脉管制冷机研究的不断深入 ,人们迫切需要能真实反映系统效率的评价标准 ,文中给出三种评价方法 :(1 )系统的总效率 ;(2 )系统的相对卡诺效率 ;(3)系统的火用效率。建议采用火用效率对系统效率进行综合评价 ,这对系统的性能改善以及实用化研究具有一定的参考价值     

热声制冷的实验研究

自行研制了热声驱动脉管制冷机实验台,着重研究了加热温度、平均工作压力、小孔开度、工质各类等因素对脉管制冷机性能的影响。初步实验表明,以氮、氦及氦和氩混合物（氦占94％）作工质,分别获得了234.5K、179K及165K的无负荷制冷温度,此外,本文还指出了进一步改进方向,具有一定参考价值。