CN106338164A

CN106338164A - 基于声表面波发生器件的热声回热器

Info

Publication number: CN106338164A
Application number: CN201510388515.8A
Authority: CN
Inventors: 刘益才; 武曈; 方莹; 雷斌义
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2035-07-06
Also published as: CN106338164B

Abstract

本发明涉及一种提高热声回热器回热和热声转换效率的新型热声回热器装置，具有在回热器换热过程中补充部分粘性损耗能量，并利用声表面波产生的振荡将板叠表面的自然对流改变为强迫对流，增强换热能力，以提高效率的作用；所述热声回热器装置包括板叠式结构回热器和声表面波发生器件，其中板叠式结构由预先冲压成型的薄板和回热器套筒组合而成，而声表面波发生器是在PZT压电材料上用电子束刻蚀而成；本发明充分利用了热声转换原理，利用了板叠回热器制作工艺成熟，结构简单，造价低廉等特点，并弥补了其粘性耗散过大，换热不明显，效率不高的缺陷，本发明具有良好的应用价值。

Description

基于声表面波发生器件的热声回热器

技术领域

本发明涉及一种新型的热声回热器，具体地说，是涉及一种用于提高回热和热声转换效率、便于加工安装调试、可以广泛地用于热声热机和低温制冷机的新型热声回热器。

背景技术

热声制冷技术是一种完全新型的制冷技术，就是利用热声效应的制冷技术。热声效应是热和声之间相互转化的现象。从声学角度看，它是由处于声场中的固体介质和振荡流体之间相互作用，使得距固体边界一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生的热流，并在这个区域内产生或吸收声功的现象。按能量转换的方向不同，热声效应可以分为两类：一类是由热产生声，即热驱动的声振荡，另外一类是由声产生热，即声驱动的热传递。只要具备一定的条件，热声效应可以在驻波声场、行波声场或两者混合的声场中产生和发生作用。热驱动的声制冷就是利用热来产生声，再利用声来传递热的制冷现象；而声驱动的热声制冷机即是直接利用声源产生的声场在热交换器及其回热器、谐振管等的优化配置下来制冷的现象。微型热声制冷的声波由压力振荡、温度振荡和位移振荡产生，尽管振荡很小,但在二十多年的研究中已显示出，可以利用该“热声”效应来产生有效的、实用的、效率合理的热机，包括热泵和制冷机。

而传统的热声热机在进行大规模工程应用的过程中的主要技术障碍是：(一)功率体积比太低，使其尺寸太大；(二)热声转换效率较低，使装置的相对效率(即COP/COP_Carnot)仅5％。

热声热机因其诸多的优点而具有很重要的研究价值和应用前景，但目前在热声热机的研究过程中也遇到了一些新的挑战，比如如何降低热声振荡温度阈值、提高回热器的转换效率和声品质因数Q值、热能与声能相互转换及能量输运过程的基础理论、以及定量的热声动力学设计新理论等尚未建立，故在制冷及低温学科与声学等交叉学科中产生了大量需要研究的科学问题。

回热器是热声热机和回热式低温制冷机中的关键部件，是实现热功转换的场所，热声回热器的研究是促进热声热机发展的重要环节，是研制热声热机、低温制冷机及其性能提高的物质基础和保障，提高其效率是研究人员不懈的追求。充分认识并正确对回热器性能进行表征，对热声热机及其相关设备的研究、生产和择优选用具有非常重要的实际意义。

针对热声热机回热器材料、结构等直接影响热声热机转换效率的现状，本发明就提出一种新型的热声回热器结构，这种回热器结构可以充分发挥热声板叠式回热器和针束式回热器的优点，且加工简单、成型方便、可为热声热机和低温制冷机的发展和实验以及应用研究工作打下坚实的基础。

声表面波(surface acoustic wave,SAW)，泛指在弹性体自由表面产生并沿着表面或界面传播的各种模式的波，包括瑞利波、勒夫波等，通常依据声表面波的振动方式、向弹性固体内部的透入深度和所适应的边界条件来区分其类型与模式。声表面波占有声能量的85％。再者，声表面波技术，是利用声表面波来传播和处理信号，并发射相应声波的技术，是20世纪60年代末发展起来的一种新兴技术，是材料学、声学和电子学相结合的一门交叉学科。声表面波技术最初是由于压缩雷达的需要而产生和发展的。从1965年起，平面叉指换能器的发明使声表面波技术获得了广泛的应用，随之发展处大量性能和用途各异的声表面波器件。

声表面波器件的研制和发展，在最初短短十几年内就获得了显著的成效。声表面波器件具有信号处理简单、方便，并适用于批量生产的特点，其小型化、轻量化、功耗节约化，同时还能在高温等各种恶劣环境下工作，这些品质决定了声表面波可以在很多电子器件及其系统当中实现超小型化，其可以利用有效谐波模式进行工作，采用在GHz频段的器件也同时可以采用光刻工艺设备，价格低廉。

发明内容

本发明需解决的技术问题是：针对普通的板叠式回热器热声转换效率不高的问题，将声表面波应用于普通的板叠式回热器，将声表面波器件刻蚀于板叠表面，而设计成为一种能提高热声转换效率、拓展热声回热器的应用领域，提高热声热机和低温制冷机的整体效率的新型热声回热器。

本发明的理论依据：回热器是热机系统中产生热声效应的最关键部件，A.Tominaga把回热器在热声转化和能量传递中起的作用比作为催化剂。对热声制冷机而言，回热器具有泵热或输热作用，即从回热器的低温端吸收热量泵送到回热器的高温端，再由热端换热器带离制冷机系统，达到泵热制冷的目的。

目前回热器采用的填料主要是平行板叠(parallel plate)、圆孔(circle)、丝网(mesh)等。其中平行板叠是用得最普遍的回热器，一方面由于这种回热器性能好，热功转换效率稍高，另一方面制作也简单，因而得到广泛应用。但是，相比其他回热器，平行板叠回热器却在效率上略逊一筹。采用DeltaE软件计算表明：对用作液化天然气驱动源的热声原动机、热驱动的制冷机、电声制冷机，采用平行板叠回热器回热器的，比针束型回热器的热功效率分别降低15％、9％、2％。在不改变平行板叠制作方便简单特点的基础上，为了提高平行板叠的热功转换效率，利用刻蚀于平行板叠面上的声表面波发生器件，根据热声效应起振的时间，发出适应回热器原有声波相位的声表面波，对声波能量进行加强，增加波峰以及波谷，改变声波振幅强度，同时振动能够将板叠表面的自然对流改变为强迫对流，增强了换热，在一定程度上提高效率。

为了选择声表面波器件的刻蚀位置，需要研究回热器填料的功能区划分。回热器填料间区分为热声区和耗散区。热声效应只发生在距离回热器填料边壁一个热渗透深度δ_κ的范围内，而且在距离边壁一个热渗透深度的地方热传递与功最大，在边壁与流体边界处为零。同时，由于流体不可避免地存在粘性，在距离边壁一个粘性渗透深度δ_ν的范围内必然会发生粘性耗散，这种粘性耗散在边壁与流体边界处最大，并随着远离边壁处会减小，把靠近边壁的区间(距离边壁δ_ν/2以内)称为耗散区。耗散区和热渗透区具有共同的表面，而这一共同表面也是板叠的表面。则声表面波器件刻蚀位置即为板叠的上下表面。在耗散区底部刻蚀声表面波发生器，首先可以挤占一部分耗散区，使耗散区的面积减小，热声区相对地增加，提高一部分转换效率，之后由于声表面波能够提供一部分能量，补充耗散区一部分的耗散能量。最重要的是，声表面波发生器件产生的声表面波能够将板叠表面的自然对转化为强迫对流，利用波动产生的对流更进一步提高转换效率。

同时，根据热声制冷原理可知，对于本发明—基于声表面波器件的新型平行板叠回热器，其回热效率更高，热声转换效率也更好，本发明正是为实现这一目的而采取的技术措施。

本发明所采用的技术方案：声表面波器件所使用的压电薄膜采用的是锆钛铅酸(PZT)系列压电薄膜材料，锆钛铅酸薄膜因其优良的热电性能、铁电性能、光电性能和节点性能等特点而应用广泛，成为国际上新颖的功能材料和器件的新热点之一。PZT薄膜广泛应用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域，可以作为铁电储存器、传感器、微型压电驱动器、薄膜电容、声表面波器件和各种精密仪器的控制。

声表面波器件中关键的共振器用Al作为叉指换能器材料。Al薄膜材料价格低廉、可操作性强，适用于制备各种所需要的几何图形，并且可在半导体集成电路以及半导体光电领域应用。其导电性好、密度小、声阻抗低，是作为高性能叉指换能器的基本材料。高质量的金属铝膜叉指换能器的微观结构及表面形貌均会对声表面波的性能及其稳定性产生重大影响。

所述回热器共有三个组成部分，其一为平行板叠回热器，其二为刻蚀在平行板叠上的声表面波发生器件；第三部分为回热器固定安装支架及其外壳套筒。

所述回热器都是由基材以及回热器套筒组合而成。

所述基材上覆盖由PZT压电材料构成的薄膜，薄膜上刻蚀声表面波发生器采用锆钛铅酸系列(PZT)压电薄膜材料制成的压电薄膜基片，薄膜大小可根据平行板大小设计定制，为了降低难度，采用长为25mm，宽为10mm的小片，并多片铺装在平行板上至铺满，厚度约为500-1000nm，一般采用1000nm的膜厚。

所述回热器套筒内壁开槽。

所述声表面波发生器件一共分为三个部分，分别为压电薄膜基片，刻蚀叉指换能器和反射栅。

所述结构一为平行板板叠回热器。可以由金属薄板与金属套筒通过电焊形成或直接线切割形成的平行板叠回热器板叠。本发明选用焊接方式，并在回热器金属套筒内壁开槽(如图5所示)，槽宽与板叠厚度相同，间距0.5～2mm。然后将制作而成的回热器板叠裁剪成与套筒相开槽尺寸相对应的小板叠，然后装配组合而成(如图6所示)。

所述结构二为压电薄膜基片，采用锆钛铅酸系列(PZT)压电薄膜材料制成的压电薄膜基片，薄膜大小可根据平行板大小设计定制，为了降低难度，采用长为25mm，宽为10mm的小片，并多片铺装在平行板上至铺满，厚度约为500-1000nm，一般采用1000nm的膜厚。

所述结构三为刻蚀叉指换能器，结构参数根据所用声波波长的不同而不同，叉指换能器的厚度g为0.25微米、长h和宽i均为1.2微米，201对电极的电极宽度为声波波长的0.25倍，指间距为声波波长的0.5倍，利用电子束蒸镀和剥离技术，电子束宽度为声波波长的30倍，在200摄氏度下，加上20V的电压对压电材料进行极化，叉指换能器按照规格刻蚀在结构二所述的基片上。

所述结构四为声表面波发生器件反射栅，采用不同数量的反射栅得到接近全反射的声表面波，反射栅采用开路铝栅结构，在反射栅布置部位处，刻蚀深度约300nm，长宽均为1.5微米的凹槽，并在凹槽中填入反射栅衬底材料，衬底材料选取YZ-铌酸锂(LiNbO₃)(如图2所示)，厚度与大小均和凹槽尺寸相同，以便进行填充，沉底材料上铺铝反射栅，反射栅宽度为声波波长的0.25倍，指间距为声波波长的0.5倍。

所述回热器都是由基材、回热器套筒、声表面波器件组合而成。

所述基材可以采用铜、铝、不锈钢、合金材料、非金属材料，材料的厚度e为0.1～2mm，材料本身的宽度b为5～200mm，宽度以10mm为步长递增，基材的长度为10mm～2000mm，以10mm整数倍递增。

所述回热器套筒的直径为5～2000mm，厚度为1～4mm，回热器套筒的长度为基材宽度的整数倍，内外壁光滑，套筒基材选取强度较大的金属材料或非金属材料。

所述回热器套筒采用内壁开槽设计，所述回热器金属套筒内壁开槽，槽宽为0.1～2mm，槽间距0.1～2mm，开槽深度为套筒管壁厚度的一半，开槽可采用线切割或者车床加工。套筒材料采用不锈钢或者合金等一些强度较大、轴向导热性差的薄壁金属、非金属材料。将制作而成的回热器板叠裁剪成与套筒开槽尺寸相对应的小板叠装配组合而成。

所述声表面波发生器件可由两个到多个反射栅、两个到多个叉指换能器、压电薄膜基片和相关刻蚀电路组成，反射栅、叉指换能器、压电薄膜基片和相关刻蚀电路的数量由所需要热声转换辅助功率决定。

所述反射栅YZ-铌酸锂(LiNbO₃)材料，刻蚀深度约300nm，长宽均为1.5微米的凹槽，凹槽中的填入物为反射栅衬底材料，也即YZ-铌酸锂(LiNbO₃)；衬底类型还可以选择ST-石英材料；反射栅周期性排布，以达到在谐振中心频率处累积叠加的作用。铌酸锂衬底材料可在制备100-1000条中间获得全反射，ST-石英材料1000条至10000条可达到全反射。

所述叉指换能器基片为PZT薄膜，厚0.25微米、长、宽为1.2微米；叉指换能器由201对电极组成，电极宽度为声波波长的0.25倍，指间距为声波波长的0.5倍。

本发明的有益效果：本发明基于热声转换机理，在能量的耗散区域，利用声表面波发生器件为回热器提供声表面波能量用以抵消一部分耗散，加强声波的震动。同时，由于声表面波的振动扰动，板叠表面的自然对流改变为强迫对流，加强了板叠的换热，提升平行板叠回热器的换热效率。可以广泛地用于热声热机和低温制冷机，该发明可以标准化、批量化生产，具有稳定提升声功输出的作用，可为热声热机和低温制冷机的发展和实验以及应用研究工作打下坚实的基础。

附图说明

图1是为本发明的基于声表面波发生器件的热声回热器用于声表面波器件的叉指换能器结构简图。

图2是为本发明的基于声表面波发生器件的热声回热器用于声表面波器件的反射栅结构简图。

图3是为本发明的基于声表面波发生器件的热声回热器的声表面波发生器件的结构示意图。

图4是为本发明的基于声表面波发生器件的热声回热器用于制作回热器的板叠结构简图。

图5是为本发明的基于声表面波发生器件的热声回热器的板叠回热器套筒开槽结构示意图。

图6是为本发明的基于声表面波发生器件的热声回热器的板叠回热器装配完成示意图。

图7是为本发明的基于声表面波发生器件的热声回热器的新型板叠工作原理示意图。

图中符号说明：

1—叉指换能器；2—压电基片；3—反射栅；4—套筒；5—套筒开槽；6—板叠结构。

c—单片压电薄膜片长；d—单片压电薄膜片宽；e—板叠材料厚度及套筒开槽尺寸；f—单片压电薄膜厚度；g—叉指换能器基材薄膜厚度；h—叉指换能器长度；i—叉指换能器宽度；j—叉指换能器电极宽度；k—叉指换能器指间距；l—反射栅宽度；m—反射栅指间距；n—输入；o—输出；p—匹配；q—声表面波；r—套筒半径；s—压电基片；u—膨胀气团；v—压缩气团；x—热输出；y—热输入。

具体实施方式

参见图1，本发明所述声表面波发生器件材料可以用氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、锆钛铅酸系列(PZT)压电薄膜材料，采用长c为15～50mm，宽d为5～25mm的小片，并多片铺装在平行板上至铺满，厚度f约为500-2000nm，采用1000nm的膜厚作为压电基材；叉指换能器结构参数根据所用声波波长的不同而不同，采用厚g为0.15微米～0.25微米、长h为0.5～2微米、宽i为0.5～5.2微米；201对电极的电极宽度j为声波波长的0.25倍，指间距k为声波波长的0.5倍。

参见图2，本发明材料可以采用YZ-铌酸锂(LiNbO₃)材料或者ST-石英材料，反射栅宽度l为声波波长的0.25倍，指间距m为声波波长的0.5倍。

参加图3本发明为制作完成的声表面波发生器件。所述声表面波发生器件采用图1、2制作完成。制作时根据实验需要确定声表面波发生器件的尺寸，根据尺寸来对板叠表面进行开槽处理。n为输入，o为输出，p为匹配，q为声表面波，s为压电基片。

参见图4，本发明材料可以采用铜、铝、不锈钢、以及合金材料，材料的厚度e为0.1～2mm，材料本身的宽度b为5～200mm。原材料的长度a不确定，需要根据使用对象来确定，一般为10mm以上。

参见图5，本发明套筒材料可以采用不锈钢或者合金等一些强度较大的金属材料，套筒的内半径r1，外半径r3，套筒厚度一般为1～4mm.。套筒内壁开槽，槽宽e与安装的回热器板叠厚度e相同为0.1～2mm，板间距0.1～2mm，开槽深度为套筒管壁厚度的一半，即开槽后槽深半径套筒直径及轴向长度不确定，根据不同需求选取。开槽可采用线切割或者车床加工。

参见图6，本发明为制作完成的平板板叠型回热器。板叠采用图4、5制作完成的板叠，套筒为图5制作完成的套筒。制作时根据实验需要确定回热器即套筒尺寸，然后根据板叠厚度在套筒内壁开槽。确定套筒开槽后的尺寸，即图5中r2的尺寸，然后根据对应两个槽间距裁剪板叠，然后将板叠嵌装在套筒内壁。装配完成后结构如图6所示。

参见图7，本发明利用声表面波器件产生强波对流加强换热。以椭圆代表气团的状态。气团u为膨胀状态，此时热量x由板叠抽出气团；气团v为压缩状态，此时热量y由板叠提供给气团。依次加强声表面波的振荡，致使板叠表面自然对流改变为强迫对流，增强换热，提高效率。

具体实施例一：

本发明选用焊接方式制作板叠，并在回热器金属套筒内壁开槽，槽宽与板叠厚度相同，然后将制作而成的回热器板叠裁剪成与套筒相开槽尺寸相对应的小板叠，然后装配组合而成。材料的厚度，材料本身的宽度b为100mm，基材的长度a为1000mm。

套筒材料采用不锈钢，套筒的内半径r1为50mm，外半径r3为54mm，套筒厚度为4mm.。套筒内壁开槽，槽宽e与安装的回热器板叠厚度e相同为2mm，板间距2mm，开槽深度为套筒管壁厚度的一半，即开槽后槽深半径r2为52mm，长度1000mm。

具体实施例二：

压电薄膜基材采用锆钛铅酸系列(PZT)材料，单片材料长度c为为25mm，宽d为10mm的小片，并多片铺装在平行板上至铺满，厚度f采用1000nm的膜厚。

具体实施例三：

叉指换能器的厚度g为0.25微米、长h和宽i均为1.2微米。201对电极的电极宽度为声波波长的0.25倍，指间距为声波波长的0.5倍。利用电子束蒸镀和剥离技术，电子束宽度为声波波长的30倍。在200摄氏度下，加上20V的电压对压电材料进行极化。

具体实施例四：

反射栅材料采用YZ-铌酸锂(LiNbO₃)材料，开路铝栅结构。在反射栅布置部位处，刻蚀深度约300nm，长宽均为1.5微米的凹槽，并在凹槽中填入反射栅衬底材料。衬底材料选取YZ-铌酸锂(LiNbO₃)，厚度与大小均和凹槽尺寸相同，以便进行填充。衬底材料上铺铝反射栅，反射栅宽度l为声波波长的0.25倍，指间距m为声波波长的0.5倍。

本发明可以广泛地用于热声热机和低温制冷机，可以标准化、批量化生产，具有结构简单、安装方便、效率高以及加工成本低诸多优点。

Claims

1.基于声表面波发生器件的热声回热器，其特征在于：所述回热器共有三个组成部分，其一为平行板叠回热器，其二为刻蚀在平行板叠上的声表面波发生器件；第三部分为回热器固定安装支架及其外壳套筒；所述回热器都是由基材以及回热器套筒组合而成；所述基材上覆盖由PZT压电材料构成的薄膜，薄膜上刻蚀声表面波发生器；所述回热器套筒内壁开槽。

2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波发生器件的热声回热器，其特征在于：所述声表面波发生器件一共分为三个部分，分别为压电薄膜基片，刻蚀叉指换能器和反射栅。

3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波发生器件的热声回热器，其特征在于：所述结构二为压电薄膜基片，采用锆钛铅酸系列(PZT)压电薄膜材料制成的压电薄膜基片，薄膜大小可根据平行板大小设计定制，为了降低难度，采用长为25mm，宽为10mm的小片，并多片铺装在平行板上至铺满，厚度约为500-1000nm，一般采用1000nm的膜厚。

4.根据权利要求2所述的声表面波发生器件，其特征在于：所述刻蚀叉指换能器，结构参数根据所用声波波长的不同而不同，叉指换能器的厚度g为0.25微米、长h和宽i均为1.2微米，201对电极的电极宽度为声波波长的0.25倍，指间距为声波波长的0.5倍，利用电子束蒸镀和剥离技术，电子束宽度为声波波长的30倍，在200摄氏度下，加上20V的电压对压电材料进行极化，叉指换能器按照规格刻蚀在结构二所述的基片上。

5.根据权利要求2所述的声表面波发生器件，其特征在于：所述声表面波发生器件反射栅，采用不同数量的反射栅得到接近全反射的声表面波，反射栅采用开路铝栅结构，在反射栅布置部位处，刻蚀深度约300nm，长宽均为1.5微米的凹槽，并在凹槽中填入反射栅衬底材料，衬底材料选取YZ-铌酸锂(LiNbO₃)(如图2所示)，厚度与大小均和凹槽尺寸相同，以便进行填充，沉底材料上铺铝反射栅，反射栅宽度为声波波长的0.25倍，指间距为声波波长的0.5倍。

6.根据权利要求1所述的一种基于声表面波发生器件的热声回热器，其特征在于：所述声表面波发生器件可由两个到多个反射栅、两个到多个叉指换能器、压电薄膜基片和相关刻蚀电路组成，反射栅、叉指换能器、压电薄膜基片和相关刻蚀电路的数量由所需要热声转换辅助功率决定。

7.根据权利要求1所述的一种基于声表面波发生器件的热声回热器，其特征在于：所述反射栅YZ-铌酸锂(LiNbO₃)材料，刻蚀深度约300nm，长宽均为1.5微米的凹槽，凹槽中的填入物为反射栅衬底材料，也即YZ-铌酸锂(LiNbO₃)；衬底类型还可以选择ST-石英材料；反射栅周期性排布，以达到在谐振中心频率处累积叠加的作用；铌酸锂衬底材料可在制备 100-1000条中间获得全反射，ST-石英材料1000条至10000条可达到全反射。

8.根据权利要求1所述的一种基于声表面波发生器件的热声回热器，其特征在于：所述叉指换能器基片为PZT薄膜，厚0.25微米、长、宽为1.2微米；叉指换能器由201对电极组成，电极宽度为声波波长的0.25倍，指间距为声波波长的0.5倍。

9.根据权利要求1所述的一种基于声表面波发生器件的热声回热器，其特征在于：所述声表面波发生器件材料可以用氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO₃)、锆钛铅酸系列(PZT)压电薄膜材料，采用长c为15～50mm，宽d为5～25mm的小片，并多片铺装在平行板上至铺满，厚度f约为500-2000nm，采用1000nm的膜厚作为压电基材；叉指换能器结构参数根据所用声波波长的不同而不同，采用厚g为0.15微米～0.25微米、长h为0.5～2微米、宽i为0.5～5.2微米；201对电极的电极宽度j为声波波长的0.25倍，指间距k为声波波长的0.5倍。