高频微型热声制冷机的样机设计与性能预测

高频微型热声制冷机的样机设计与性能预测 高频微型热声制冷机的样机设计与性能预 测 2005年第2期 总第144期 低温工程 CRYOGENICS NO.22005 SumNO.144 高频微型热声制冷机的样机设计与性能预测 张晓青陈宇董凯军.蒋华柳玉林陈谦 (清华大学物理系北京100084) (.华中科技大学制冷与低温实验室武汉430074) (广东志高空调股份有限公司) 摘要:介绍了高频微型热声制冷机的设计和性能分析,确定和部分优化了5kHz压电喇叭驱 动的热声实验样机的设计参数,为探索接近超声波频率的微型机工作的可能性,同时也对 15kHz微 型热声制冷器进行了性能预测,并给出了主要参数,为高频微型热声制冷系统的实验研究提 供了样 机设计和性能预测. 关键词:微型热声制冷机热声板叠压电喇叭性能预测样机 中图分类号:TB611文献标识码:A文章编号:1000-6516(2005)02-0045-06 Prototypedesignandperformancepredictionofhighfrequency miniaturethermoacousticrefrigerator ZhangXiaoqing?ChenYuDongKaijunJiangHuaLiuYulin.ChenQian (DepartmentofPhyslcs,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China) (CollegeofEnergyandPowerEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China) (GuangdongChigoAir.conditioningCO.,Ltd.China) Abstract:Thedesignandperformanceanalysisofhighfrequencyminiaturethermoacousticrefrigerator arepresented.Somedesignparametersaredeterminedandlocallyoptimizedforanexperimentalprototype drivenbypiezoelectricloudspeakerwithafrequencyof5kHz.Theperformancepredictioniscarriedout andthemaindesignparametersarealsoprovidedforathermoacousticrefrigeratorwithahigherfrequencyof 15kHzinordertoinvestigatethepossibilityforaminiaturesystemtoworkinafrequencynearultrasonic wave.Theprototypedesignandtheperformancepredictionoftheexperimentalinvestigationofhighfrequen- cyminiaturethermoacousticrefrigeratorareprovided. Keywords:miniaturethermoacousticrefrigerator;stack;piezoelectricloudspeaker;performancepred ic- tion;prototype 收稿日期:2004-09—13:修订日期:2004—12—28 基金项目:中国博士后科学基金(023204002)和武汉市科技局资助项目. 作者简介:张晓青,女,4O岁,副教授. 46低温工程2005正 1引言 随着微电子技术的进步,在单位面积上可集成的 芯片和电路愈来愈多,因此在系统尺寸不断缩小的同 时,单位面积的散热功率也在不断增大(1O,5Ow/ cm的热流密度,甚至更高)?.因此微电子元件和 系统的散热问题已成为了制约其发展的主要障碍之 一 ,目前有许多微型制冷技术,如受迫对流冷却,热 电制冷,热管制冷及液态制冷剂和蒸发喷雾等冷却装 置已开发应用于微电子元器件的热量管理,而微型热 声制冷装置则是在此领域的最新应用.热声装置可 将热转化成声波或利用声波来泵热,这是热与声之 间两个方向的转换,前者常称为热机,后者称为制 冷机.两者均可成为解决散热问题的技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ?. 热声制冷机因无可动部件或少有的可动部件(压电 晶片),工作频率范围的可选择性使其易于高频微型 化,且适于与微电子芯片和系统界面结合等独特的优 点,使其在微电子电路和系统的热量管理中十分有应 用前景?’,成为国外开发应用的研究热点.本文主 要对高频(5kHz和15kHz)微型热声制冷机的性能 进行了模拟预测,确定和部分优化了5kHz的实验 样机设计参数,及15kHz微型热声制冷器的主要参 数,对5kHz样机的设计和15kHz性能的预测主要 是为具有芯片尺寸,运行在超声波频段的微型热声制 冷器的设计过渡,也为后续的实验研究提供参考. 25kHz微型热声制冷实验样机的设计 2.1设计运行工况 运行频率为f=5000Hz,环境温度为Tm=300 K,环境压力P=1.013×10Pa.由于压电喇叭的 驱动功率不大,本文制冷机样机的设计制冷温度为 Tc=275K,即制冷温差为25?.这样的温差能控制 微电子元器件正常的工作温度,为实验运行和工作使 用的方便,工质选为空气,工作压力为环境压力.空 气的热物性参数如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1所示. 表1空气在300K和1个大气压下的热物理性质 Table1Thethermophysicalprope~iesofairat300Kand1.013×10Pa 根据以上热物性,可确定空气工质的热渗透深度 和粘性渗透深度,分别表示为:8=,c/,8= ~/2/,其中,,c=/pc是热扩散系数,=/.z/p是 运动粘性系数,式中K,p,c,/.z分别是热导率,平均 密度,定压比热和动力粘性系数,单位见表1.在 5000Hz的驱动频率及环境温度和压力下,热和粘 性渗透深度分别为,8=3.7585×10,in,8=3.160 3×10,in.工作介质的热渗透深度将确定热声回热 器固体介质的间隙或孔隙大小(一般取26,46), 由于在此高频下流体的热和粘性渗透深度较小,适合 高频工作条件的回热器固体介质材料和结构可以是 聚脂薄膜,玻璃棉或脱脂棉,多孔玻璃或多孔陶瓷及 不锈钢丝网等.高频下的声波波长短,振荡位移较 小,这样回热器在声传播方向上的长度也较小,因此 对固体材料的纵向导热非常敏感,为此,认为金属丝 网材料不太适合作此高频的回热器,数值模拟也预测 了这一点.在此样机设计中,由于材料的方便得到, 课题采用聚脂薄膜,玻璃棉和多孔玻璃作为回热器固 体介质进行实验和预测计算.为加工的方便,回热器 两端的换热器采用铜丝网材料. 2.2谐振腔及声驱动器的确定 在原理性实验样机的设计中,由于简单和方便, 采用半波长等截面的谐振腔结构,因此根据声频和 声速可以得到0.6944in的声波长,则谐振腔的长度 设计为34mm. 作为样机的设计,同样为简单和方便,选择了性 能较好的压电高音喇叭作为声驱动器,该驱动器有大 约100dB/W/m相对高的灵敏度和1800,20kHz较 宽的频率响应范围.在进行性能预测时将驱动器的 驱动比参数,即动压与均压之比设定为0.02,驱动器 具体的特性将取决于实验值. 根据文献[2]的预测,回热器中主要依靠轴向波 模态工作,除此以外,其他径向和扭转模态的出现,也 将有利于多孔介质换热器中的热混合,因此,为多模 态的产生,本课题设计声振动膜片的支撑结构,同时 使样机的宽度与长度近似相同,为此样机谐振腔内径 确定为32mm. 第2期高频微型热声制冷机的样机设计与性能预测47 2.3制冷机热声组件的确定 热声组件包括回热器和换热器,在实验中可得 到3种回热器的材料和结构:板叠结构的聚脂薄膜, 玻璃棉或脱脂棉及多孔玻璃和陶瓷材料.回热器两 端的换热器采用铜丝网材料,既方便得到也便于加 工.回热器和换热器的直径与谐振腔相同,它们在声 传播方向上的厚度大小及在谐振腔声场中的位置,将 通过数值模拟计算确定,因为这些参数对热声性能有 较大的影响. 35kHz热声制冷实验样机的数值模拟 为了对5kHz热声制冷机进行性能预测和确定 热声器件的参数,利用DeltaE进行了数值模拟,图 1是热声制冷机的工作原理模型,在模拟中利用Kap— ton材料,间隙为0.11mm的板叠结构和铜丝网换热 器,其他谐振腔尺寸在前面已确定. R 图1热声制冷机原理图 Dr.压电喇叭;HR.热腔;R.谐振腔; HE.热端换热器;S.板叠;CE.冷端换热器. F.窖.1Theschematicdiagramofthepresent thermoacousticrefrigerator 3.1制冷温度随板叠长度和板叠位置的影响 为了确定最低制冷温度(即制冷量为零)时的板 叠位置和板叠长度,分别以板叠位置或板叠长度作为 参变量,模拟板叠长度或板叠位置对最低制冷温度 的影响,结果分别显示在图2和图3中. 计算中回热器在声波声场中的位置用环温换热 器左端离声驱动器的距离,也即制冷机热腔的长度 L表示,此时环温换热器的厚度设定为0.5mm.从 图中可以看出,在回热器位置一定时,存在一优化的 板叠长度L使制冷温度最低,且随板叠位置离声驱 动器愈近,该最低制冷温度愈低,在=2mm的位 置时,最低制冷温度可达275K左右,即相对环温有 25K的温降,对应的优化板叠长度区域在4,8mm 之间. 由于影响热声效应的因素问不是完全独立的,为 了更清楚地了解和优化确定参数,以板叠长度作为参 图2板叠长度对最低制冷温度的影响. 板叠位置作为参变量 . 板叠长度;h.环温换热器左端离声驱动器的距离. F.窖.2Theeffectofthelengthofstackonthelowest coolingtemperatureatvariouspositionofstack Lh/rnm 图3板叠位置对最低制冷温度的影响. 板叠长度作为参变量 F.窖.3Theeffectofthepositionofstackonthe lowestcoolingtemperatureatvariouslengthofstack 变量,对制冷温度随板叠位置的变化也进行了模拟, 结果显示在图3中. 从图3可以看出,在板叠长度一定时,存在一优 化的板叠位置=2mm左右,对应一最低的制冷温 度,可达275K左右,且参变量板叠长度对最低制冷 温度的影响不是单调的,这与图2中的模拟结果是相 一 致的,因此,从图2与图3的模拟结果,可以确定板 叠的长度为5mm,最低制冷温度对应的制冷机热腔 长度为=2mm.为寻找热声器件所需制冷性能的 最佳位置和谐振频率,在系统的结构设计中,将制冷 机热腔长度或冷腔长度设计成可以调节变化. 48低温工程2005正 3.2制冷温度随热端换热器厚度的影响 换热器的设计对热声系统的性能和运行也是十 分重要的,特别是对微型机的设计和应用,是关键的 设计技术困难,因为没有高频振荡流换热器的设计数 据和经验可以利用,目前愈来愈受到研究者的重视. 本课题在以上确定的板叠长度和板叠位置参数: L=5mm,L=2mm及驱动比D=0.02的条件下, 对制冷温度随热端换热器厚度的变化,也进行了 数值模拟,显示在图4中.从图中可以看出,热端换 热器厚度(即在声波方向的长度)在0.1mm左右,曲 线的变化是非常不同的,在曲线的左侧,制冷温度对 热端换热器厚度的变化十分敏感,换热器太薄,不利 于换热,而在其右侧曲线变化则比较平坦.换热器厚 度在0.1,1mm之间变化时,温度的变化较小,因 此,从模拟结果和方便加工的原因,最后确定热端换 热器的厚度为0,5mm.由于冷端换热器的热负荷相 对较小,所以将冷端换热器的厚度确定为0.3mm,如 果为加工的方便,也可使冷热端换热器的厚度相同. 从图中也可以看出,制冷量愈小,制冷温度愈低,但 对不同的制冷量,制冷温度随热端换热器厚度的变化 趋势几乎是相同的. ,?IF 图4最低制冷温度随热端换热器厚度的变化 Fig.4Variationofthelowestcoolingtemperature withthethicknessofthehotheatexchanger 3.3热声制冷机性能的预测 在板叠长度,板叠位置和冷热端换热器的厚度确 定之后,本课题对制冷机的性能进行了预测,图5显 示了在不同声驱动比的条件下,制冷温度随制冷量的 变化,在模拟的制冷量范围内,制冷温度几乎与制冷 量成线性关系,该图中每一曲线在纵坐标上的截距即 是每一驱动条件下所能达到的最低制冷温度,即零 制冷量对应的制冷温度,而曲线与温度为300K的水 平线的交点对应的横坐标,即是制冷机在无温差条件 下能达到的最大制冷量.如具有0.02驱动比的制冷 机,最低制冷温度可达275K左右,最大制冷量可超 过0,3W.从图5中也可看出,在相同制冷温度的条 件下,驱动比愈大,制冷量愈大,且制冷范围愈大.或 者,在相同制冷量条件下,驱动比愈高,制冷温度愈 低. 图5制冷温度在不同声驱动比作用下随制冷量的变化 Fig.5Variationofthecoolingtemperaturewiththe coolingpoweratvariousdrivingratioofsound 图6显示了制冷机的性能系数在不同驱动比条 件下随制冷量的变化,性能系数在此定义为制冷机的 制冷量与输入的声功率之比.从图中可以看出,在相 同制冷量条件下,驱动比愈高,性能系数愈小,也即 消耗声功率愈大,或者在相同制冷系数条件下,驱动 比愈高,制冷量愈大. 3.4驱动声功率和制冷温度随驱动器振荡容积流率 的变化 为便于对压电声驱动器的设计,本课题对声功和 制冷温度随驱动器振荡容积流率的变化进行了预测, 结果显示在图7.模拟计算中,制冷系统的其他结构 参数如前面确定的相同,从图7可以看出驱动器产生 的声功率随其容积流率的增加而增加,制冷温度随容 积流率和声功率的增加而降低.因此容积流率的大 小对制冷性能的实现是关键,而容积流率与压电片所 能达到的振荡位移成正比,这又与压电片的压电效率 有直接的关系.模拟结果可帮助压电喇叭的设计和 改装. 至此,已设计确定了5kHz压电喇叭驱动的微型 热声制冷机样机的主要参数,数值模拟的结果与文献 第2期高频微型热声制冷机的样机设计与性能预测49 Q/w 图6性能系数在不同声驱动比作用下随制冷量的变化 Fig.6Variationofthecoefficientofperformancewith thecoolingpoweratvariousdrivingratioofsound 图7声功和制冷温度随驱动器容积速率的变化 Fig.7Variationoftheacousticpower andcoolingtemperaturewiththe volumetricvelocityofsounddriver [4]的分析是一致的,目前样机已加工,后续的实验 研究正在开展. 415kHz微型制冷器的性能预测 为探索具有芯片尺寸,运行在超声波频段的微型 热声制冷器工作的可能性,我们对更高频率(15 kHz)的微型热声系统也进行了主要结构参数的设计 和性能预测,模拟条件为:谐振腔直径设计为D=8 mm,半波长谐振腔长为,J=11mm,声频为f=15000 Hz,环温300K和一个大气压,驱动比0.02,板叠和 换热器材料和结构与5kHz样机相同,在150O0Hz 声频下板叠的间隙确定为42m.图8显示了最低 制冷温度随板叠长度和板叠位置的变化,从模拟结果 可确定对应最低制冷温度的制冷器热腔长0.9mm, 板叠长度1.5mm.图9显示了最低制冷温度随热端 换热器厚度变化的情况,根据此模拟结果,冷热端换 热器的长度可在0.1,0.5mm间选择,在模拟中确 定为0.2mm. 图8最低制冷温度随板叠长度和板叠位置的变化 Fig.8Variationsoflowestcoolingtemperature withthelengthandpositionofstack 300 298 296 294 292 290 Ol0o2oo3004005oo ,JH.m 图9制冷温度随热端换热器厚度的变化 Fig.9Variationofcoolingtemperaturewith thethicknessofhotheatexchanger 图10是在不同声驱动比条件下,冷热比温度随 制冷量的变化,其中为热端换热器的温度,为 冷端换热器的温度.从图中可以看出最低制冷温度 和最大制冷量,如对0.02的声驱动比,最低制冷温 度可达290K,即10K的制冷温差,而最大制冷量为 0.02W左右. 以上15kHz微型热声制冷器性能的预测结果, 显示了性能参数具有点制冷应用的可能性,同时,可 以看出,随声频的提高,系统的尺寸愈来愈小,尤其热 声器件的间隙和尺寸已在微米量级,而且声频愈高, 对声驱动器的设计和要求也愈高.这些将为器件的 50低温工程2005正 图lO在不同声驱动比条件下,制冷温度随制冷?的变化 Fig.10Variationsofcoolingtemperaturewiththe coolingpoweratvariousdrivingratioofsound 设计和加工带来一定的挑战性. 5结论 本文介绍了5kHz压电喇叭驱动的微型热声制 冷机的实验样机设计,由于热声系统是一个复杂的非 线性系统,对其性能的影响因素也较复杂,因此,在设 计过程中,利用了工程设计经验和数值性能模拟相结 合的设计方法,确定和部分优化了制冷机系统主要 的参数.本文也对更高频率(15kHz)的微型热声制 冷器进行了初步性能预测,显示了近超声频率的微型 热声器工作和应用的可能性,以及在设计和微结构加 工方面所面临的挑战.本课题的研究工作为高频微 型热声制冷系统的样机设计和实验研究提供参考. 参考文献 1Symko0G,Abdel—RahmanE,KwonYS,eta1.Designanddevelop— mentofhighfrequencythermoacousticenginesforthermalmanagement, inmicroelectronics.Microelectronics,2004,35(1):185—191 2OrestGSymko,eta1.Highfrequencythermoacousticrefrigerator,US. 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