一种压电驱动式微型热声制冷机

摘要

本发明公开了一种压电驱动式微型热声制冷机，该制冷机主要由压电蜂鸣器、谐振管、回热器和换热器组成。压电蜂鸣器、热端谐振管、热端换热器依次相连接，回热器位于热端换热器和冷端换热器之间，冷端换热器后接一端开口一段封闭的谐振管，这样热声制冷机就形成了一个封闭的回路，在此回路中产生驻波。该发明依据热声理论的相关知识，利用驻波在回热器中产生泵热效应，使回热器两端产生温度差，并通过冷端换热器和热端换热器与外界进行换热，实现制冷效果。该制冷机结构简单，无运动部件，微型化且环保，适用于电子元器件的散热。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制冷装置，尤其涉及应用于电子领域的微型热声制冷装置。

背景技术

随着微电子技术的迅速发展，对于微电子器件方面的制冷和散热要求不断增强，传 统的制冷散热器件已不能够满足要求，制约着微电子技术的发展。因此，研究和发展高 效的微型制冷技术具有十分重要的意义。

相比传统的制冷散热器件而言，热声制冷机因其具有结构简单、高可靠性、长寿命、 无运动部件、无环境污染、工作温度范围宽、能源要求品位低等诸多优点，更可在高频 运行下减小系统的体积和质量，适用于电子、信息、传感器、微机电系统及医用器械等 领域，同时在国防与空间研究方面也极具潜力。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种压电驱动式微型热声 制冷机，解决目前传统的风扇散热而产生的可靠性低、噪音大、散热慢等问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种压电驱动式微型热声制冷机，包括压电蜂鸣器、热端谐振管、热端换热器、回 热器、冷端换热器和冷端谐振管，所述压电蜂鸣器与热端谐振管的一端连接，所述热端 谐振管的另一端与热端换热器的一端连接，所述热端换热器的另一端与回热器的一端连 接，所述回热器的一端与冷端换热器的一端连接，所述冷端换热器的另一端与冷端谐振 管的一端连接，所述冷端谐振管的另一端为密封端；通过信号发生器给压电蜂鸣器施加 一个正弦波信号，在该微型热声制冷机内形成驻波。

进一步的，所述热声制冷机圆柱形，直径30mm，长度40mm，工作频率5000HZ。

进一步的，所述压电蜂鸣器直径30mm，工作频率5000Hz，声压级约为85dB。

进一步的，所述热端换热器和冷端换热器均为板叠结构，板叠间隙均为0.1mm，板 厚均为0.1mm，内径均为28mm，外径均为30mm；且所述热端换热器的长度是冷端换热器 长度的2倍。

进一步的，所述热端换热器的长度0.4mm，冷端换热器的长度0.2mm。

进一步的，所述的回热器为板叠结构，板叠间隙为0.1mm，板厚为0.1mm，内径为 28mm，外径为30mm，长度为4.5mm，且其中心位置距离压电蜂鸣器的距离为3.5mm。

进一步的，所述热端谐振管的长度0.85mm，冷端谐振管的长度28.75mm。

有益效果：本发明提供的优点如下：

1.相对于现有的风扇散热方式，本发明的压电驱动式微型热声制冷机具有更为简 单，可靠性更高的结构。本发明的制冷机包括压电蜂鸣器、冷(热)端换热器、回热器、 冷(热)端谐振管，通过信号发生器给压电蜂鸣器施加一个正弦波信号，在谐振管内形 成驻波。在没有机械运动的情况下，本发明的压电驱动式微型热声制冷机能有效的进行 制冷。采用这种简单结构，可以提高电子元器件的散热效率，降低了电子产品的制造成 本。

2.本发明的压电驱动式微型热声制冷机无运动部件，可以提高制冷的可靠性，无 机械间的磨损，可延长使用寿命。

3.本发明的制冷机符合可持续发展战略准则，在不消耗资源和不产生有害物质的 情况下，有效地实现制冷，具有较高的效益比，经济性好，绿色环保。

4.本发明的压电驱动式微型热声制冷机适用于电子元器件的散热，具有良好的应用 前景。

附图说明

图1是本发明的制冷机的结构示意图。

图2是制冷量Q随板叠长度的变化规律曲线图。

图3是消耗声功W随板叠长度的变化规律曲线图。

图4是性能系数COP随板叠长度的变化规律曲线图。

图5是本发明中的回热器和冷(热)端换热器的横截面结构图。

图6是本发明三维模型剖视示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种压电驱动式微型热声制冷机，为圆柱形，直径30mm，长度40mm， 工作频率5000HZ，包括压电蜂鸣器1、热端谐振管2、热端换热器3、回热器4、冷端换 热器5和冷端谐振管6。

所述压电蜂鸣器1与热端谐振管2的一端连接，所述热端谐振管2的另一端与热端 换热器3的一端连接，所述热端换热器3的另一端与回热器4的一端连接，所述回热器 4的一端与冷端换热器5的一端连接，所述冷端换热器5的另一端与冷端谐振管6的一 端连接，所述冷端谐振管6的另一端为密封端；通过信号发生器给压电蜂鸣器1施加一 个正弦波信号，在该压电驱动式微型热声制冷机内形成驻波。

所述热声制冷机圆柱形，直径30mm，长度40mm，工作频率5000HZ。

所述压电蜂鸣器1直径30mm，工作频率5000Hz，声压级约为85dB。所述压电蜂鸣 器1由压电陶瓷片和锥盆组成。

所述热端换热器3和冷端换热器5均为板叠结构，所述板叠为运用化学蚀刻工艺制 成的紫铜片贴合而成的圆柱形结构，板叠间隙均为0.1mm，板厚均为0.1mm，内径均为 28mm，外径均为30mm；且所述热端换热器2的长度是冷端换热器5长度的2倍。本发明 中，所述热端换热器2的长度0.4mm，冷端换热器5的长度0.2mm。

所述的回热器4为板叠结构，所述板叠为运用化学蚀刻工艺制成的不锈钢片贴合而 成的圆柱形结构，板叠间隙为0.1mm，板厚为0.1mm，内径为28mm，外径为30mm，长度 为4.5mm，且其中心位置距离压电蜂鸣器1的距离为3.5mm，有助于提高热声制冷机制 冷性能，提高工作效率。

所述热端谐振管2的长度0.85mm，冷端谐振管6的长度28.75mm，且均由ABS车 削加工而成。

本发明依据热声理论知识进行设计。在冷(热)端谐振器的内径固定的情况下，板 叠的厚度决定了板叠的数量，板叠越厚，可以放置的板叠的数目也就越小，板叠数目少， 相应的流固交界面减少，造成了热声效应的减少,板叠的厚度与孔隙率有关。建议板叠 间隙取2倍～5倍热渗透深度，故取板叠间隙约为0.1mm。板叠的孔隙率范围是 0.3＜B＜0.95，每一个孔隙率都存在一个最优的板叠长度使制冷效率(COP)达到最大， 孔隙率越大，COP曲线能达到的最大制冷效率越高，与之对应的板叠越短，说明孔隙率 增加时，气体道通的粘性损耗减小，提高了系统的热声转换率，故取板叠厚度为0.1mm。 板叠在管中所处的位置决定了能否达到较佳的制冷效率。通过MATLAB编写程序，图2-4 分别为制冷量Q、消耗声功W、性能系数COP随板叠长度的变化规律曲线图。综合考虑， 本发明中取板叠长度为4.5mm，回热器中心中心位置距压电蜂鸣器为3.5mm。

谐振管是工作流体产生压缩和膨胀的场所，它影响着热声制冷机的共振频率，使得 管内的波形保持为平面波，并且可以储存一部分的声能。本样机采用半波长谐振管，谐 振管两端为速度幅值的零点，中部幅值最大，压力幅值零点位于谐振管的中部，两端幅 值最大。谐振管的长度和直径的取值，对制冷机的声功输入、热声转换效率、内部声功 损失等都有很大的影响。谐振管的长度可以由L＝C/2f式确定，样机总长34.7mm，结合 回热器、冷热端换热器的长度和中心位置得，热端谐振管长0.85mm，冷端谐振管长 28.75mm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。