20基于热声制冷原理的环保型冷风扇设计及制冷效果分析 目录1．引言31.1关于热声现象31.2热声制冷原理42．实验方案设计62.1.1电源部分62.1.2单片机模块62.1.3信号发生模块72.1.4低通滤波电路LPF72.2板叠材料及热声制冷模型82.3风扇模型设计103.风扇制冷效果分析123.1风扇制冷效果计算123.2 制冷效果图表分析164．关于装置的优化175.创新点思考186.参考文献19摘要：本文目的在于设计一种基于热声制冷原理的冷风扇，适用于炎热环境中的使用首先介绍热声效应以及利用热声效应制冷等相关原理，然后给出所处设计的冷风扇的装置结构模型并进行一定的传热理论分析关键词：热声效应，制冷，驻波共振，热声堆，传热1．引言1.1关于热声现象热声现象最早可追溯至两百多年前.早在1777年，ByronHiggins就在试验中发现，在一个中空、两端开口的管子的下部适当位置，引入火焰，管中便会激发出声音，如图1(a)所示关于热声效应还有两个著名的例子，Rijke管和Sondhauss管，分别如图1(b)、图1(c)所示 （a） （b） （c）图1热声现象示意图热声效应简言之是热与声之间相互转换的现象。
从声学角度来说，它是由于声场中的固体介质与振荡的流体之间的相互作用，使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生一个时均热流，并在这个区域内产生或者吸收声功的现象按能量转换方向的不同，热声效应可分两类：一类是用热来产生声，即热驱动声振荡；另一类是声驱动热量传输，或称热声制冷(泵热)效应热声制冷的概念是在20世纪80年代初提出的，是一种新型的制冷方式与传统的制冷机相比，基于热声制冷原理的制冷机运动部件少，结构简单，运行可靠，不产生污染，对环境十分友好，符合目前社会的发展要求世界上第一台电声驱动的热声制冷样机由美国的Holfer研制成功，在环境温度为20C时达到了最低-80C的制冷温度，而国内的开展此项研究的同济大学和浙江大学也都获得过10C的温降这些都让我们看到热声制冷机潜在的应用价值，正是因为如此，我们决定利用热声制冷的原理，研制一款环保型的冷风扇，这将为热声制冷原理应用开辟新途径，也为其他相关领域的应用研究提供一定程度的参考1.2热声制冷原理图2所示的是1/4波长的声波制冷系统图和声波制冷原理图声波制冷系统包括了4个基本部件：(1)核心部件——板叠（热声堆）；(2)共振管（谐振管）；(3)冷、热端换热器；(4)声波发生器。
声波制冷原理的微观解释为：假设一个气体微团在声波作用下，在平衡位置附近作往复运动在位置a处，气体微团温度为T1，压力为P1，，从位置a到位置b的绝热压缩过程中，其温度从T1升高△T到T2，压力从P1升高△P到P2△T和△P分别为气体微团在绝热压缩过程中的温升和压力变化在位置b处，由于气体微团温度高于板叠温度T3，则气体微团在位置b处换热给板叠(过程2—3)，温度变为T3接着，气体微团从位置b到位置a的绝热膨胀过程中，其温度从T3降低△T’到T4，压力从P3降低卸△P’到P4△T’和△P’分别为气体微团在绝热膨胀过程中的温降和压力变化到达位置a时的温度变为T4此时气体微团温度低于板叠温度T1，故气体微团从板叠吸热(过程4—1)，温度变为T1，从而完成一个热力循环在这个循环中，微团在高压时放热后膨胀，在低压时吸热后压缩，从而吸收声波能量，将能量从低温端泵至高温端，实现了制冷的目的a） （b）图2 声波制冷系统及原理图各部件作用如下：1.扬声器：将电能转化为声能，在共振管内制造一定的声场，声波对系统内的工质做功，从而实现制冷效应一般选用低频扬声器2.冷端换热器：板叠通过冷端换热器吸收外界（这里即为回热器左端的空气）的热量，从而获得我们所需要的冷量。
3.热端换热器：保持板叠的热端为室温温度，把板叠从冷端泵送的热量以及消耗的声功以热量的形式排出到室外4.共振管（谐振管）：与声驱动器相匹配而产生共振的声波根据声学理论,对于均匀有限长管的管内声场,只有当管长为声波波长的1/4,才会产生共振现象，此时振幅最大，致冷效果最为明显我们可以根据实验系统设定的最佳工作频率来计算出谐振管的最小长度，即形成1/4波长的共振管长度，即L=c/(4f)c为空气中的声速，f为驻波共振频率5.板叠（热声堆）：根据热声原理，板叠是强化热声转换的关键部件对于板叠的要求，理想性质是导热差，热容大，但这两者是一对矛盾体，故需要综合考虑材料的选取，目前一般选用的为非金属材料形状有多孔材料型、丝网型、平板型、螺旋型和针棒型等此外，板叠各层之间需要有一定的交换热量的穿透深度，根据热声理论，板叠各层间的间距最好是4个热穿透深度k,且有k=,其中，f是驻波的频率，k是导热系数，是气体密度，是每单位质量气体的等压比热2．实验方案设计：2.1扬声器驱动硬件系统本文选用内阻为8Ω，额定功率为40W的扬声器电源AT89C52单片机扬声器功率放大电路低通滤波电路DDS信号发生器图3 硬件系统图该系统主要是利用单片机控制DDS信号发生模块来输出所需频率的正弦波，正弦波通过低通滤波电路，再通过功率放大电路，驱动扬声器工作。
2.1.1电源部分：由变压器将220v降到5V、 26V，其中5V为单片机模块和DDS信号发生模块提供工作电压，26V为OCL功率放大电路提供工作电压2.1.2单片机模块：单片机采用Atmel公司生产的AT89C52,这是一个低电压，高性能的CMOS 8位单片机,其包含以下资源：8KBytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器（ROM）和256 Bytes的随机存取数据存储器（RAM）；32个双向I/O口；全静态时钟频率0-24MHz；3个16位可编程定时/计数器中断；8个中断源；低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用2.1.3信号发生模块信号发生模块采用ＡＤ公司生产的具有高度集成度的DDS器件--AD9851芯片其主要组成部分为：相位累加器、相位相加器、波形存储器、数字相乘器和D/A转换器它的内部有高速、高性能的D/A转换器和高速比较器，可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器外接精密时钟源时，AD9851可以产生一个频谱纯净，频率和相位都可以控制的而且稳定度非常高的模拟正弦波。
这个正弦波可以直接作为信号源，或通过其内部的高速比较器转换成为方波输出，作为灵敏的时钟产生器AD9851的主要优点：单电源工作(+2.7～+5.25 V)；工作温度范围-45℃～85℃；低功耗，在180 MHz系统时钟下功率为555MW等硬件接口是AD9851的数据线直接与AT89C52，两芯片的硬件接口如图：AD9851D0~D7FQ_UDW_CLKRESETAT89C52P1.0~P1.7P2.6P2.7RESET图4硬件接口示意图2.1.4低通滤波电路LPF由于DDS输出信号已有较高的纯度与稳定度，所以，对LPF的要求并不高为此我们采用基本的RC低通滤波电路，此外功率放大电路采用OCL功率放大电路，滤波放大电路如图5.图中的RL为扬声器的内阻，左边端口3为信号输入段，右边端口4为信号输出端，电阻R1与电容C1构成低通滤波电路，其余右边电路部分为OCL功率放大电路OCL电路是目前使用非常广泛的无输出电容的功率放大电路其最大输出功率Pom计算如下：假设三极管的饱和管压降UCES近似为0，则Pom=Vcc2/(2 D_Dd__________ĝĝϨϨ________________ 图5 滤波放大电路示意图软件编程主要根据AD9851的控制字方式，并通过单片机将这些控制字写入AD9851内部的存储器中，用以产生相应的频率。
本设计使用的共振管（材料为黄铜）直径为11cm，长度为31cm，此外由于在热端加一个铝塞（帮助热端进一步散热），其长度为2cm，旋进共振管1cm，所以共振管形成共振波的有效长度为30cm假设声速为340m/s，由公式f=c/(4 D_Dd__________ZϨϨ________________ D_Dd__________ZϨϨ________________ _______________________________________2.2板叠材料及热声制冷模型板叠材料选用文献中所使用的材料，它由直径为0.368mm的钓鱼线和宽为35mm的胶卷组成将钓鱼线每隔5mm用502胶水依次平行的粘在胶卷底片上，之后将胶卷底片卷起，如图6所示将板叠材料及冷热换热器装入共振管中，形成简易热交换装置，这样空气分子能够沿着热声堆的纵向即共振管长度方向在各叠层之间运动图6板叠材料冷热端换热器由铜丝网叠放而成,厚度均为2cm实际上上面所提到的铝塞已经相当于热端换热器的作用，但是增加这样一个铝塞，一端露于空气中，可以使得热端换热器的铜丝网厚度不用太大，节省材料，同时又可以将热端热量及时排到空气中，加强了换热效果。
另外，为了避免黄铜管冷端与热端直接进行热交换，共振管会分成3段，中间一段为玻璃，另外两段为黄铜管，连接处用珐琅盘进行连接本设计的热声制冷装置模型如图7，其中铝塞旋进共振管里的一端的端面到热端换热器表面距离为5cm，玻璃管段长2cm,板叠置于玻璃管内，冷热端换热器各置于两端的黄铜管内左端黄铜管长7cm,左端黄铜管长21cm.图7 热声制冷装置模型2.3风扇模型设计以下是风扇模型的设计图分为风扇主体以及集。