一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制冷裝置，尤其涉及應(yīng)用于電子領(lǐng)域的微型熱聲制冷裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，對于微電子器件方面的制冷和散熱要求不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)的制冷散熱器件已不能夠滿足要求，制約著微電子技術(shù)的發(fā)展。因此，研究和發(fā)展高效的微型制冷技術(shù)具有十分重要的意義。
[0003]相比傳統(tǒng)的制冷散熱器件而言，熱聲制冷機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、長壽命、無運(yùn)動部件、無環(huán)境污染、工作溫度范圍寬、能源要求品位低等諸多優(yōu)點(diǎn)，更可在高頻運(yùn)行下減小系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，適用于電子、信息、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)及醫(yī)用器械等領(lǐng)域，同時在國防與空間研究方面也極具潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，解決目前傳統(tǒng)的風(fēng)扇散熱而產(chǎn)生的可靠性低、噪音大、散熱慢等問題。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，包括壓電蜂鳴器、熱端諧振管、熱端換熱器、回?zé)崞?、冷端換熱器和冷端諧振管，所述壓電蜂鳴器與熱端諧振管的一端連接，所述熱端諧振管的另一端與熱端換熱器的一端連接，所述熱端換熱器的另一端與回?zé)崞鞯囊欢诉B接，所述回?zé)崞鞯囊欢伺c冷端換熱器的一端連接，所述冷端換熱器的另一端與冷端諧振管的一端連接，所述冷端諧振管的另一端為密封端；通過信號發(fā)生器給壓電蜂鳴器施加一個正弦波信號，在該微型熱聲制冷機(jī)內(nèi)形成駐波。
[0007]進(jìn)一步的，所述熱聲制冷機(jī)圓柱形，直徑30mm，長度40mm，工作頻率5000HZ。
[0008]進(jìn)一步的，所述壓電蜂鳴器直徑30mm，工作頻率5000Hz，聲壓級約為85dB。
[0009]進(jìn)一步的，所述熱端換熱器和冷端換熱器均為板疊結(jié)構(gòu)，板疊間隙均為0.1_，板厚均為0.1mm,內(nèi)徑均為28mm，外徑均為30mm ;且所述熱端換熱器的長度是冷端換熱器長度的2倍。
[0010]進(jìn)一步的，所述熱端換熱器的長度0.4_，冷端換熱器的長度0.2_。
[0011]進(jìn)一步的，所述的回?zé)崞鳛榘瀵B結(jié)構(gòu)，板疊間隙為0.1mm，板厚為0.1mm,內(nèi)徑為28mm，外徑為30mm，長度為4.5mm，且其中心位置距離壓電蜂鳴器的距離為3.5mm。
[0012]進(jìn)一步的，所述熱端諧振管的長度0.85mm，冷端諧振管的長度28.75mm。
[0013]有益效果:本發(fā)明提供的優(yōu)點(diǎn)如下:
[0014]1.相對于現(xiàn)有的風(fēng)扇散熱方式，本發(fā)明的壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)具有更為簡單，可靠性更高的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的制冷機(jī)包括壓電蜂鳴器、冷(熱)端換熱器、回?zé)崞?、?熱)端諧振管，通過信號發(fā)生器給壓電蜂鳴器施加一個正弦波信號，在諧振管內(nèi)形成駐波。在沒有機(jī)械運(yùn)動的情況下，本發(fā)明的壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)能有效的進(jìn)行制冷。采用這種簡單結(jié)構(gòu)，可以提高電子元器件的散熱效率，降低了電子產(chǎn)品的制造成本。
[0015]2.本發(fā)明的壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)無運(yùn)動部件，可以提高制冷的可靠性，無機(jī)械間的磨損，可延長使用壽命。
[0016]3.本發(fā)明的制冷機(jī)符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略準(zhǔn)則，在不消耗資源和不產(chǎn)生有害物質(zhì)的情況下，有效地實(shí)現(xiàn)制冷，具有較高的效益比，經(jīng)濟(jì)性好，綠色環(huán)保。
[0017]4.本發(fā)明的壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)適用于電子元器件的散熱，具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是制冷量Q隨板疊長度的變化規(guī)律曲線圖。
[0020]圖3是消耗聲功W隨板疊長度的變化規(guī)律曲線圖。
[0021]圖4是性能系數(shù)COP隨板疊長度的變化規(guī)律曲線圖。
[0022]圖5是本發(fā)明中的回?zé)崞骱屠?熱)端換熱器的橫截面結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖6是本發(fā)明三維模型剖視示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0025]如圖1所示，一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，為圓柱形，直徑30mm，長度40mm，工作頻率5000HZ，包括壓電蜂鳴器1、熱端諧振管2、熱端換熱器3、回?zé)崞?、冷端換熱器5和冷端諧振管6。
[0026]所述壓電蜂鳴器I與熱端諧振管2的一端連接，所述熱端諧振管2的另一端與熱端換熱器3的一端連接，所述熱端換熱器3的另一端與回?zé)崞?的一端連接，所述回?zé)崞?的一端與冷端換熱器5的一端連接，所述冷端換熱器5的另一端與冷端諧振管6的一端連接，所述冷端諧振管6的另一端為密封端；通過信號發(fā)生器給壓電蜂鳴器I施加一個正弦波信號，在該壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)內(nèi)形成駐波。
[0027]所述熱聲制冷機(jī)圓柱形，直徑30mm，長度40mm，工作頻率5000HZ。
[0028]所述壓電蜂鳴器I直徑30mm，工作頻率5000Hz，聲壓級約為85dB。所述壓電蜂鳴器I由壓電陶瓷片和錐盆組成。
[0029]所述熱端換熱器3和冷端換熱器5均為板疊結(jié)構(gòu)，所述板疊為運(yùn)用化學(xué)蝕刻工藝制成的紫銅片貼合而成的圓柱形結(jié)構(gòu)，板疊間隙均為0.1mm，板厚均為0.1mm,內(nèi)徑均為28mm，外徑均為30mm ;且所述熱端換熱器2的長度是冷端換熱器5長度的2倍。本發(fā)明中，所述熱端換熱器2的長度0.4mm，冷端換熱器5的長度0.2mm。
[0030]所述的回?zé)崞?為板疊結(jié)構(gòu)，所述板疊為運(yùn)用化學(xué)蝕刻工藝制成的不銹鋼片貼合而成的圓柱形結(jié)構(gòu)，板疊間隙為0.1mm,板厚為0.1mm,內(nèi)徑為28mm，外徑為30mm，長度為
4.5mm，且其中心位置距離壓電蜂鳴器I的距離為3.5mm，有助于提高熱聲制冷機(jī)制冷性能，提高工作效率。
[0031]所述熱端諧振管2的長度0.85mm，冷端諧振管6的長度28.75mm，且均由ABS車削加工而成。
[0032]本發(fā)明依據(jù)熱聲理論知識進(jìn)行設(shè)計。在冷(熱)端諧振器的內(nèi)徑固定的情況下，板疊的厚度決定了板疊的數(shù)量，板疊越厚，可以放置的板疊的數(shù)目也就越小，板疊數(shù)目少，相應(yīng)的流固交界面減少，造成了熱聲效應(yīng)的減少，板疊的厚度與孔隙率有關(guān)。建議板疊間隙取2倍?5倍熱滲透深度，故取板疊間隙約為0.1mm。板疊的孔隙率范圍是0.3 < B < 0.95，每一個孔隙率都存在一個最優(yōu)的板疊長度使制冷效率(COP)達(dá)到最大，孔隙率越大，COP曲線能達(dá)到的最大制冷效率越高，與之對應(yīng)的板疊越短，說明孔隙率增加時，氣體道通的粘性損耗減小，提高了系統(tǒng)的熱聲轉(zhuǎn)換率，故取板疊厚度為0.1mm。板疊在管中所處的位置決定了能否達(dá)到較佳的制冷效率。通過MATLAB編寫程序，圖2-4分別為制冷量Q、消耗聲功W、性能系數(shù)COP隨板疊長度的變化規(guī)律曲線圖。綜合考慮，本發(fā)明中取板疊長度為4.5mm，回?zé)崞髦行闹行奈恢镁鄩弘姺澍Q器為3.5mm。
[0033]諧振管是工作流體產(chǎn)生壓縮和膨脹的場所，它影響著熱聲制冷機(jī)的共振頻率，使得管內(nèi)的波形保持為平面波，并且可以儲存一部分的聲能。本樣機(jī)采用半波長諧振管，諧振管兩端為速度幅值的零點(diǎn)，中部幅值最大，壓力幅值零點(diǎn)位于諧振管的中部，兩端幅值最大。諧振管的長度和直徑的取值，對制冷機(jī)的聲功輸入、熱聲轉(zhuǎn)換效率、內(nèi)部聲功損失等都有很大的影響。諧振管的長度可以由L = C/2f式確定，樣機(jī)總長34.7mm，結(jié)合回?zé)崞?、冷熱端換熱器的長度和中心位置得，熱端諧振管長0.85_，冷端諧振管長28.75_。
[0034]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，其特征在于:包括壓電蜂鳴器(I)、熱端諧振管(2)、熱端換熱器(3)、回?zé)崞?4)、冷端換熱器(5)和冷端諧振管(6)，所述壓電蜂鳴器(I)與熱端諧振管(2)的一端連接，所述熱端諧振管(2)的另一端與熱端換熱器(3)的一端連接，所述熱端換熱器(3)的另一端與回?zé)崞?4)的一端連接，所述回?zé)崞?4)的一端與冷端換熱器(5)的一端連接，所述冷端換熱器(5)的另一端與冷端諧振管(6)的一端連接，所述冷端諧振管￠)的另一端為密封端；通過信號發(fā)生器給壓電蜂鳴器(I)施加一個正弦波信號，在該微型熱聲制冷機(jī)內(nèi)形成駐波。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，其特征在于:所述熱聲制冷機(jī)圓柱形，直徑30mm，長度40mm，工作頻率5000HZ。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，其特征在于:所述壓電蜂鳴器(I)直徑30mm，工作頻率5000Hz，聲壓級約為85dB。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，其特征在于:所述熱端換熱器(3)和冷端換熱器(5)均為板疊結(jié)構(gòu)，板疊間隙均為0.1mm，板厚均為0.1mm,內(nèi)徑均為28mm，外徑均為30mm;且所述熱端換熱器⑵的長度是冷端換熱器(5)長度的2倍。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，其特征在于:所述熱端換熱器⑵的長度0.4mm，冷端換熱器(5)的長度0.2mm。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，其特征在于:所述的回?zé)崞鳍葹榘瀵B結(jié)構(gòu)，板疊間隙為0.1mm，板厚為0.1mm,內(nèi)徑為28mm，外徑為30mm，長度為4.5mm，且其中心位置距離壓電蜂鳴器(I)的距離為3.5mm。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，其特征在于:所述熱端諧振器⑵的長度0.85mm，冷端諧振器(6)的長度28.75mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電驅(qū)動式微型熱聲制冷機(jī)，該制冷機(jī)主要由壓電蜂鳴器、諧振管、回?zé)崞骱蛽Q熱器組成。壓電蜂鳴器、熱端諧振管、熱端換熱器依次相連接，回?zé)崞魑挥跓岫藫Q熱器和冷端換熱器之間，冷端換熱器后接一端開口一段封閉的諧振管，這樣熱聲制冷機(jī)就形成了一個封閉的回路，在此回路中產(chǎn)生駐波。該發(fā)明依據(jù)熱聲理論的相關(guān)知識，利用駐波在回?zé)崞髦挟a(chǎn)生泵熱效應(yīng)，使回?zé)崞鲀啥水a(chǎn)生溫度差，并通過冷端換熱器和熱端換熱器與外界進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)制冷效果。該制冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動部件，微型化且環(huán)保，適用于電子元器件的散熱。
【IPC分類】H05K7/20, F25B23/00
【公開號】CN105157272
【申請?zhí)枴緾N201510388614
【發(fā)明人】張建潤, 丁琦, 樓永鋒, 李軍, 闕翔, 陳思
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年7月3日