文档介绍：声波制冷
摘要
目前的电冰箱及空调器所使用的制冷技术多为通过压缩机由制冷剂制冷。长期以来得到广泛应用的制冷剂是***利昂,它被称为电冰箱和空调器中不可缺少的“血液”,但近年来人们发现由于全世界大量使用***利昂已使地球臭氧层变得稀薄,温室效应太阳益明显,人类赖以生存的生态环境受到严重的危害。国际上已制定了控制***利昂使用的“蒙特利尔议定书”。一些国家相继宣布,到本世纪末,将全部停止***利昂的使用。因此,制冷技术科技界将面临两条途径:一是寻求***利昂的替代物,这方面国内外正在进行大量的试验研究工作。就目前情况看,这些替代物并不十分理想,例如它的制冷效率以及和润滑油的兼容性并不理想,而且这些替代物是否对人类生存环境绝对无害,还要经历很长时间的考验,才能下定论;另一条途径则是广泛地开发新的制冷技术。在此情况下,声制冷技术是值得关注和研究的课题之一。
历史
声波制冷的研究和开发兴起于20世纪80年代。在这方面工作的主要有美国Los Alamos实验室及美国海军研究生院。Los Alamos于1990年展示了一台声波制冷机,制冷最低温度达89K,在制冷温度为120K时,制冷功率为5W。
美国加州的海军研究生院于80年代曾研制了一台热声冰箱(STAR)用于1992年1月发射的“发现”号航天飞机上,在地面产生比室温低80K的温度,当制冷功率为3W时,峰值效率为卡诺热机的20%。这两台声制冷机都使用电动声源,工作频率在400—500Hz之间。
2000年以后,美国海军研究生正致力于声波制冷的家用电冰箱和空调器的研究和开发。声波制冷的家用电冰箱(TALSR)已研制成功,冷藏室温度为4℃,冷冻室的温度可达-22℃。
当前,声波制冷已用于红外传感、雷达及其它低温电子器件的降温。低温电子器件的制冷问题与常规民用制冷相比,有自己的独特之处,它要求制冷温度低(-50℃—--200℃)。但制冷量不大,要求制冷机的机械振动小,可比性高和小型轻量化。声波制冷技术刚好适合了这些方面的要求。因此可以期望声制冷技术在低温电子学器件制冷方面有好的应用前景。
原理
所有的声波制冷的工作原理都基于所谓的热声效应,热声效应机理可以简单的描述为在声波稠密时加入热量,在声波稀疏时排出热量,则声波得到加强;反之声波稠密时排出热量,在声波稀疏时吸人热量,则声波得到削弱。当然,实际的热声理论远比这复杂的多,热声制冷的设计水平及制造工艺也在不断的提高。
优点
声波制冷与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比,热声热机具有无可比拟的优势。
1、无需使用污染环境的制冷剂,而是使用惰性气体或其混合物作为工质,因此不会导致使用的CFCS或HFCS臭氧层的破坏和温室效应而危害环境;
2、其基本机构非常简单和可靠,无需贵重材料,成本上具有很大的优势;
3、它们无需振荡的活塞和油密封或润滑,无运动部件的特点使得其寿命大大延长。
应用范围
声波制冷技术应用于家用冰箱当中。现在冰箱中普遍使用的***制冷剂是导致臭氧层空洞扩大和全球变暖的原因之一,***气体进入空气当中后使得空气升温的效率是二氧化碳的3000倍,因此一旦***制冷剂遭到封杀,声波制冷技术将很快成为环保冰箱的重要标志。
除了应用于冰箱制造行业之外,声波制冷技术还可以为包括空调在内的其他家电及计算机芯片行业所利用。
声波制冷技术的问世将使得未来冰箱的体积更小巧,因为空气压缩机的尺寸变小了。此外这种技术还将有助于空调产品的更新换代,声波制冷技术将使得空调工作时功率保持平稳,这有助于延长空调主机的寿命。
图2-1 是Hofler T J 在1986 年设计的一个具有较高效率的热声致冷装置。它的上部是一个声源,由电磁铁驱动活模发声。下接一个谐振腔,由三部分组成:上面大直径部分,是由许多间隙很小的同心金属薄环所构成的叠层(stack),其上下两端分别是高温和低温热交换器,其余两部分分别是一个细长管和一个密闭球体。装置中充以1 MPa 的He 气体。
操作时产生声波驻波,在活模处为压力波腹,接近球体的扩张部位是
压力节点,频率约500 Hz。其效果是以消耗激发声波所需的功为代价,从低温热源吸热,放热给高温热源。右图表达了这一装置的性能,横坐标C Q& 是输出的致冷功率。
图上部的纵坐标是低温与高温之比TC /TH,正如所期待的,低温愈低,输出致冷功率愈小,而压力振荡愈强(声波振幅愈大),输出致冷功率愈大。图下部的纵坐标是致冷因子ξ与可逆时的ξR之比,ξ= QC W ,ξ R = TC (TH − TC ),可见随输出致冷功率增大,ξ有极大值出现,压力振荡愈强,极大值时的输出致冷功率愈大。ξ