戴瑩 趙小娟

摘 要：熱聲效應(yīng)是指可壓縮流體的聲振蕩與固體介質(zhì)之間換熱而產(chǎn)生的能量效應(yīng)。本項研究嘗試利用普遍存在的溫度在300℃左右的工業(yè)或民用設(shè)施的低品質(zhì)非集中廢熱資源，通過加熱封閉小空間的空氣介質(zhì)，使其產(chǎn)生熱致聲波，并通過推動串聯(lián)在一起的手機微型揚聲器的動圈，從而感生出電流發(fā)電。

關(guān)鍵詞：熱聲效應(yīng);廢熱;揚聲器;發(fā)電

一、前言

熱致聲驅(qū)動裝置采用手機揚聲器作為功能轉(zhuǎn)換器，用熱產(chǎn)生聲波來驅(qū)動與微制造技術(shù)結(jié)合的熱聲元件（手機揚聲器）和諧振腔，利用高頻熱聲過程來實現(xiàn)由聲振蕩引起工質(zhì)壓力和溫度的振蕩，驅(qū)動手機揚聲器音圈運動，從而實現(xiàn)廢熱發(fā)電。其工作頻率一般較高，應(yīng)用于非集中的低品質(zhì)廢熱回收利用，也可通過陣列化方式實現(xiàn)較大規(guī)模的工業(yè)廢熱回收發(fā)電。其特點是體積小，無振動、無精密運動部件、成本低。圖1所示為一熱致聲驅(qū)動發(fā)電裝置示意圖。

熱致聲驅(qū)動發(fā)電裝置根據(jù)波形式的不同，有駐波型和行波型兩種形式。目前大部分是以駐波型為主的結(jié)構(gòu)。

二、需求分析

隨著微電子技術(shù)的進步，在單位面積上可集成的芯片和電路越來越多，因此在系統(tǒng)尺寸不斷縮小的同時，單位面積的散熱功率也在不斷增大（10～50W/cm^2）。由此帶來的過高溫度會降低芯片的工作穩(wěn)定性，增加出錯率，同時模塊內(nèi)部與其外部環(huán)境間所形成的熱應(yīng)力會直接影響到芯片的電性能、工作頻率、機械強度及可靠性。電子元器件的壽命與其工作溫度具有直接的關(guān)系，元件PCB板的熱循環(huán)和熱梯度所產(chǎn)生的熱應(yīng)力與變形最終導(dǎo)致疲勞失效。把工作溫度與溫度梯度降到最低限度是電子產(chǎn)品設(shè)計人員面臨的最大挑戰(zhàn)。因此微電子元件和系統(tǒng)的散熱問題已成為了制約其發(fā)展的主要障礙之一。

現(xiàn)代復(fù)雜裝置，電子化程度的高低在一定程度上決定了先進性，在實際較為苛刻的使用環(huán)境中，如果使用微型熱回收裝置作為微電子芯片和電路系統(tǒng)的熱量管理手段，將會大大提高設(shè)備的性能。所以研制熱致聲驅(qū)動裝置，并將集成電路芯片與微型熱聲發(fā)電系統(tǒng)集成在一起，是解決未來集成電子電路的冷卻及散熱問題的理想方案。圖2為熱致聲驅(qū)動發(fā)電裝置與電子芯片的耦合示意圖。

三、研究步驟

熱致聲驅(qū)動發(fā)電裝置，具有熱聲元件的微型化特點，作為原理性工作，為簡化設(shè)計，在設(shè)計、制造和測試方面盡量采用成熟材料和工藝，首先實現(xiàn)原理性突破，以下問題是在熱致聲驅(qū)動發(fā)電裝置研究中需要解決的關(guān)鍵問題：

熱聲板疊的間隙與聲頻成反比，因此尋找適合的板疊材料和微加工技術(shù)是微型熱聲發(fā)電裝置的關(guān)鍵，如圖3;

聲驅(qū)動系統(tǒng)與熱聲諧振腔系統(tǒng)的阻抗匹配，以及熱聲諧振腔系統(tǒng)、發(fā)電負荷的阻抗匹配及聲功輸出界面的耦合也是重要的問題。本項目發(fā)電裝置中使用的手機揚聲器為音圈式結(jié)構(gòu)，它是阻性的，阻抗較小，相比之下，與氣體工作介質(zhì)的熱聲諧振腔的阻抗有一定差距，因此優(yōu)化系統(tǒng)部件間阻抗的匹配，才能使聲驅(qū)動器輸出最大的聲功率、發(fā)電負荷得到最大的輸出功率，提高整個裝置系統(tǒng)的性能。

本項研究針對以上關(guān)鍵問題和目前的條件，研究了如下內(nèi)容：

進行熱致聲驅(qū)動發(fā)電裝置試驗研究，結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

四、結(jié)論

利用現(xiàn)代規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)得到的低成本功能轉(zhuǎn)換器-手機揚聲器，結(jié)合古老的熱致聲物理原理，將工民用生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢熱加以回收利用發(fā)電，為廢舊物資和低品位熱源的綜合利用提供了思路，通過進一步的研究和開發(fā)，具有良好的商業(yè)化應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]于可利，邱金鳳，張艷會，劉強，我國廢舊手機回收行業(yè)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及對策，資源再生，2016（10）

[2]葉滴清，淺談電腦手機等電子廢棄物的回收利用，資源節(jié)約與環(huán)保，2014（1）

本文系2018年度蘭州市“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題《廢棄手機揚聲器用于廢熱回收發(fā)電裝置的研究》研究成果，課題立項號LZ〔2018〕GH639