PZT驱动热声制冷的性能分析

    1　前言

    热声制冷是20世纪80年代提出的一种新型制冷方式,它利用热声效应进行泵热,即由于声场中的固体介质与振荡的流体之间的相互作用,使得距固体壁面在一定范围内逆声传播方向产生一个时均热流,并在这个区域内吸收声功的现象[1,2]。热声制冷效应显然依赖于系统中声波的存在,因而首要工作是产生声波。目前普遍采用改进的电动扬声器,而且这一方面研究也取得了很大的进展,最低制冷温度能达200 K,甚至被用于航天飞机上的生物样品的冷却及舰船雷达电子系统的冷却等[3]。不过,之前各系统的工作频率多在500 Hz左右,结构尺寸都较大,一般总长约为0.5～1 m。

    随着工业的发展,许多应用场合都趋向小型甚至微型化(例如集成电路等),因此散热要求也越来越苛刻,自然冷却方式(包括辅以风扇)已经无法满足这种要求,必须采用主动制冷的方式进行冷却,同时还要求制冷设备实现小型化。于是,人们也逐渐开始关心热声制冷机的小型化问题,用PZT驱动正是这一方面的一种有益的尝试,该方案是由美国海军研究生院的Hofler等人于近期率先报道的,期望用于集成电路的冷却等应用场合[4]。

    在此背景下,本文开展了PZT驱动的微型热声制冷机的研究。考虑到影响系统性能的因素繁多,在开展实验工作之前,我们先对系统进行性能模拟分析,主要就谐振腔尺寸、热端温度、工作压力及工质种类等对系统性能的影响进行讨论。最后,还将综合计算结果确定一实验系统的设计方案和设计参数。

    2　PZT驱动热声制冷机

    2.1　热声制冷原理

    图1为热声制冷的基本原理示意图[2]。先来考察单个气团的热力过程,过程1气团在压力波的作用下自右向左运动,由于压缩气团温度升高,并高于热端板叠温度,因而过程2向板叠放热,于是体积继续减小;然后,过程3气团向右运动,此时气团膨胀,温度降低,且低于冷端板叠的温度,因而过程4从冷端板叠吸热,总体效果是气团从冷源吸热,而向热源放热,构成一个制冷循环。实际上,把沿整个板叠长度方向上的气体看作一个传递热量的气团链,这样就可实现从板叠的冷端到热端的热量传递过程。

    2.2　PZT驱动的热声制冷机

    由于传统的扬声器的工作频率相对较低,系统的结构尺寸也较大。为适应小型化的要求,要探索采用更高频率的压力波发生器,于是考虑采用压电扬声器。常用压电换能器的频率一般为几十千赫,要专门设计相对低频的压电扬声器。此外,考虑到所要求的压力波振幅比通常音频振幅要大得多,所以压电扬声器还应该是大功率的。除PZT扬声器外,其他各部件的结构与一般的热声制冷机相类似,主要包括谐振腔、板叠、冷热端换热器和端盖等,如图2所示。