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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

50 K温区热声驱动脉管制冷

开展了采用声压放大器结构的驻波型热声发动机驱动单级双向进气型脉管制冷机实验研究,考察了声压放大器长度对热声驱动脉管制冷特性的影响.经过实验优化,采用长度3.7 m、直径8 mm的声压放大器,在2.0 kW加热功率条件下,实现1.196的压比,制冷温度达到54.5 K.     

燃气和电驱动热声发动机的对比研究

热声发动机利用热声效应把热能高效转化为声功,系统中不存在任何机械运动部件,应用前景光明.热声发动机的一个突出优点是直接采用热能驱动,可以提高低温位热能的品位.在原有电驱动热声发动机的基础上,制作了一台燃气驱动行波热声发动机,以氮气为工质,充气压力为1.2 MPa时,获得了1.34的最大压比.对电驱动和燃气驱动两种加热方式作了对比研究,得到了燃气驱动条件下热声发动机的起振状态、加热功率和直流抑制的规律.     

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     

79.7 K驻波型热声驱动脉管制冷机

根据声学原理,把一根大约四分之一波长长度的管子接到一台驻波型热声发动机和一个脉管制冷机之间,能把制冷机入口的压比和压力振幅放大,使脉管制冷机的最低制冷温度降到79.7 K。     

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.     

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。     

回热器的热声直流模型及其效应研究

本文由基本的守恒方程出发,获得了能描述回热器存在声直流时的非线性动力学模型及由此而导致的非线性时均热力学效应。根据所得到的模型,考察了声直流对临界声功产生率温度梯度、回热器温度分布以及脉冲管制冷性能的影响。     

热声热机声场的格子气分析

从格子气自动机演化方程恢复了宏观热声方程,采用D2Q9热格子气模型模拟热声热机系统的压力场、温度场和速度场,获得压力驻波的传播和反射过程。模拟结果显示,在所给模拟条件下压力波具有非线性的特征,变截面附近的流场区域会产生引起非线性耗散的涡流。本文也分析了谐振管几何尺寸及格子气粒子密度对系统频率和压力的影响,验证了热声热机格子气模型的有效性。     

热声发动机的格子气模拟

在传统的9-bit格子气模型中引入了温度区的概念,并应用于热声发动机的模拟研究.利用改进后的格子气模型,模拟了热声谐振管中的自激振荡和二维温度场的分布及温度随时间的演化过程,同时,对热声板叠的长度和在声场中的位置对声幅的影响也进行了数值研究,所得结果对板叠的优化设计是有价值的.通过对模拟和实验结果的比较,验证了热声机格子气模型的有效性,表明格子气方法适用于热声模拟.     

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.