Terfeno-lD磁致伸缩换能器驱动热声制冷系统的实验研究

　　1 前言

　　应用制冷设备热声效应的热声制冷作为一种新的制冷技术,具有结构简单、运行可靠、长寿命以及无污染等优点。热声制冷在冷却红外探测器件、超导电子学器件等低温固体电子器件的微型低温制冷领域具有特殊的优点,在普通制冷领域具有替代氟里昂制冷的潜在能力。磁致伸缩材料具有伸缩系数大、机械应力高、响应速度快等优点,广泛应用于换能系统。Terfeno-lD磁致伸缩换能器是由磁场驱动的,能够很好地输出声波机械能。本文介绍了应用Terfeno-lD磁致伸缩换能器作为声源驱动热声制冷系统的实验研究。

　　2 实验装置

　　介绍的热声制冷装置主要由声波发生器(T-D磁致伸缩换能器)、板叠(核心)、冷热端换热器、共振管(共振腔)、电源、示波器及热成像仪等组成,如图1所示。

　　电源信号发生器产生一定频率的驱动电流。(T-D磁致伸缩)换能器作为声发生器通过外加磁场将电能转化为声能,发出的声波机械能在共振管内成为制冷做功的动力。板叠以橡胶棒作中心固定杆,钓鱼线做间隔小垫,用聚酯塑料卷制而成。高低温换热器由15片60目的铜丝网迭加而成,用于将热量导入和传出板叠,以保证热声效应能正常进行,共振管用以容纳板叠和高低温换热器,并提供一个封闭的压力环境。共振管由大直径段、小直径段和空心锥体组成,分别用直径为40mm、直径为22mm,壁厚为2mm的不锈钢管加工制作,空心筒体的容积约为1L。实验中的电源由特制的信号发生器提供,其频率范围为0~2000Hz。

　　板叠两端的温度用热成像仪进行测量。测试结果输入到计算机中进行记录和处理。

　　2.1 声发生器

　　声发声器为磁致伸缩换能器,结构如图2所示。超磁致伸缩棒处于激励线圈和永磁铁产生的磁场中,当改变激励线圈中的电流时, Terfeno-lD棒就会发生伸缩变形,推动输出导向块运动,使弹性盖板发生振动,将电磁能转变为声波机械能,实现能量的转换。谐振板、壳体、Terfeno-lD棒、永磁铁、底座等组成闭合磁路,有利于防止漏磁。

　　2.2 共振管

　　使用一个声波发生器,如T-D磁致伸缩换能器(它的频率和系统固有频率相同),由于共振在工质中产生驻波,共振腔的设计长度与这种驻波的半波长相同。确定共振管的长度主要取决于所要达到的系统共振频率。对于理想半波长系统来说,它的频率可表达为:

　　式中:

　　f—共振频率

　　c—声速

　　L—共振管的长度

　　J—绝热指数

　　R—气体常数

　　T—温度

　　2.3 板叠

　　板叠是热声制冷机中的关键部件,其结构与材料对制冷效果有直接影响。因此本实验采用与平行流道具有相近几何结构的板叠—螺旋形结构板叠(如图3所示)。其制作方法为:选用0.08mm厚的聚酯薄膜,将其剪成宽度为64mm的长条,在其表面均匀涂上504胶水,然后用直径为0.4mm钓鱼线每隔5mm平行粘在聚酯薄膜上,最后将制做好的薄膜一端用透明胶带粘在直径为6mm的橡胶棒上,再以适当的张力将薄膜卷起来即可。