design-and-analysis-of-a-mesoscale-refrigerator(中尺寸冰箱的设计和分析外文翻译.doc

中尺寸冰箱的设计和分析N. S. Ashraf1, H. C. Carter III2, K. Casey1, L. C. Chow2, S. Corban2, M. K. Drost3,A. J. Gumm1, Z. Hao2, A. Q. Hasan1, J. S. Kapat2, L. Kramer4, M. Newton5, K. B. Sundaram1, J. Vaidya6, C. C. Wong7, K. Yerkes81Department of Electrical and Computer EngineeringUniversity of Central FloridaOrlando, FL 328162Department of Mechanical, Materials & AerospaceEngineeringUniversity of Central FloridaOrlando, FL 32816-24503Microtechnology, Energy DivisionPacific Northwest National LaboratoryRichland, WA 993524Advanced Materials & StructuresLockheed Martin Electronics &MissilesOrlando, FL 32819-89075Advanced Packaging andMicroelectronic SystemsHarris CorporationMelbourne, FL 32902-91006Electrodynamics Associates, Inc.Oviedo, FL 327657 Engineering Sciences CenterSandia National LaboratoriesAlbuquerque, NM 87185-08278Power Division, Propulsion DirectorateAir Force Research LaboratoryWPAFB, OH 45433摘要：在此介绍中尺寸冰箱的设计和分析。此种冰箱设计有硅晶片层，通过微电子技术制造。此种冰箱的目标应用是一个电子或光子芯片或模块的集成热移动系统。此论文介绍整个系统的功能分解，热力学可行性分析，两功能的对应构造：驱动与压缩，压缩驱动两选一的参数性分析。1 介绍过去几十年微制造的进步将时代引领进了一个化学，环境，能源和其他工程系统的微型化的新纪元。光刻，薄膜沉积和各向异性蚀刻，其他类似的已允许电子产业存储越来越多的内存和将计算机能力集成到越来越小的芯片上的技术，可用于制造泵，阀，传感器，热交换器和毫米或更小的尺度级别的化学反应器(Wegeng and Drost, 1994, Ameel et al., 1996)。热和化学系统小型化提供了几种相对同类大型化的优势。（1）传输过程中，热和化学，依靠表面热交换器或反应器。因此，较高的表面与体积比的一个微型系统有助于建立一个具有更高的体积传运系数的更紧凑的系统。（2）规模较小的尺寸通常有更好的安全性。（3）利用微制造技术有望提供更好的成本效益。（4）小型化，使新的工程系统可能。 （5）小规模的模块化导致有更多的使用选择。这主要是最后两条优势促使工作呈现于此，因此举例能进一步帮助阐明。首先，电冰箱系统的微型化使得电子或光电的集成热移动系统成为可能，不需要额外的冷却系统（通常有冷却对象体积的数倍大）。集成电冰箱系统维持电子元器件的温度低于周围环境温度。没有这样的冷却，像大功率的电子器件或光子将无法正常工作或低效率的工作在像车辆引擎周围、飞机的驾驶舱或在沙漠中的高温环境下。特别地，像量子发射/接收模块阵列这样的光电系统要求阵列中所有成员精确的温度一致性，因此一个以相变为基础的冷却系统是有必要的。再次，微型化和微制造的使用使冷却系统能被集成到电子或光电模块上，并且能不贵地大量生产。 能量系统的微型化也许，然而，是相同价格。以下例子可以证明这点。让我们假设一个内有流量的热交换器管道。如果此导管在线性尺寸上N倍的减小，N3的减小可以和原管道占据相同的体积。在微型化的例子中，如果流经每个管道的雷诺数和先前保持一致，使得流动特征不变，总的热转换效率就以N2增长，压力差以N2增长，总的抽吸能量要求以N4增长，在相同的热条件和同样的总体积下。可能有争议的一点是，增长的供应压力和抽吸能量要求也许不值得额外的热转化，因此需要要在具体情况的基础上实现微型化程度的最优化。这篇论文集中在几厘米的总线性尺寸的中尺寸冰箱的设计上。因此这种冰箱比传统的系统至少小一个数量级，而比新近提出的微型系统大几个数量级。不像传统的系统，这种提出的冰箱通过使用微电子制造技术来设计，使得这种冰箱可以在未来不贵地量产。2 设计规格设计和制造该提出的证明单元的初步应用是为了在没有冰箱无法实现制冷的热环境下实现对电子器件的冷却。因此目的，下面的热参数就被确定了。蒸发流体温度（Te）：12。C（保持）环境温度（Ta）：45。C冷却负载（Qc）：32W冷却剂：R134a要注意的是，需冷却的项目的温度会比Te高，冷凝器中流体的温度会比Ta高。选R134a做冷却剂是因为它是最普遍的对环境友好的一种的冷却剂。因为该种冰箱制造带有几层硅晶片层，且直径为3英寸的晶片是最常用的，所以在初步的设计中整个系统的直径被限制在这个尺寸。外围直径（D）: 75 mm这个尺寸提出一个在蒸发器表面的十分适度的热负载，只有0.73 W/cm2。然而，因为电冰箱被使用，即使在环境温度比目标冷却表面的温度高时，这个数量的热量还是可能会被移除。蒸发器的热移动率决定于系统的表现系数，而且会高一些。通过现在的设计过程获得的知识有望使我们在未来设计一个有更好的冷却参数的系统。3 热力学分析有几个可被表现使用的热力学循环。其中一些选择是水蒸气压缩循环，水蒸气吸收循环，反向Stirling循环和反向Brayton循环(Moran and Shapiro, 1992).前两个循环包括相变，而后两个则不包含。因此，要保持蒸发器温度恒定不变就需要一个更积极的反向Stirling循环或反向Brayton循环控制系统。因为这个原因，在第一次设计中，这两个循环未被进一步考虑。水蒸气压缩循环和水蒸气吸收循环彼此十分相似。他们都包括液体-蒸汽的转变，蒸发，冷凝和阀门控制。最大区别是水蒸气压缩循环使用一个压缩机将蒸发器中低压低温的蒸汽转化为高温高压极热的水蒸气。在水蒸气吸收循环中，蒸发器中的水蒸气通过被叫做吸收剂的物质吸收，形成液体，之后被转成更高压，相比水蒸气压缩循环的压缩机，少了不少工作。然而，在高压条件下水蒸气会不得不恢复成液态。通过一个相当高温的热源，例如天然气或类似的气体，或是太阳能，或是地热能，这个通常可以被完成。水蒸气吸收循环的最后一个特点使其十分不适合电子或光电子器件的冷却系统，即使这个循环需要更少的机械输入。因为这个原因，设计中只考虑了水蒸气压缩循环。图1给出了一个典型的水蒸气压缩系统的大概布局，及T-s图表的热力学说明。 需要注意的是，整个系统的不同元器件的设计都是相关联的。然而，为了开始每个器件的参数设计，考虑到其他器件的表现参数，几个特别的假设是有必要的。例如，如果使用一个离心压缩机来压缩，则压缩机的等熵效率会决定机械能输出超过电机要求，因此，为开始马达的设计，事先要为压缩机假设一个合理的值。最后，当整个系统的设计完成时，这些表现参数都要被计算和验证。原文参考文献1 Ashraf, N, S., 1999, “Design Considerations for a Meso-Scale Heat Pump,” MS Thesis, University of Central Florida, Orlando.2 Ameel, T. A., R. O. Warrington, R. S. Wegeng, and M. K. Drost,1996, “Miniaturization Technologies Applied to Energy Systems,” J.Energy Conversion and Management, vol. 38, pp. 969-982.3 Bart, S. F., and J. H. Lang, 1989, “An Analysis of Electroquasistatic Induction Micromotors, Sensors and Actuators,vol. 20, pp. 97-106.4 Inaba, R., A. Tokushima, O. Kawasaki, Y. Ise, and H. Yoneno,1987, “Piezoelectric Ultrasonic Motor,” Proceedings of 1987 IEEE Ultrasonics Symposium, IEEE press, pp. 747-756.5 Japikse, D., 1996, Centrifugal Compressor Design andPerformance, Concepts, ETI, Wilder, VT.6 Koeneman, P. B., I. J. Busch-Vishniac, and K. L. Wood, 1997,“Feasibility of Micro Power Supplies for MEMS,” J. MEMS, vol. 6,no. 4, pp. 355-362.7 Kuribayashi, K, 1989, “Millimeter Size Joint Actuator Using Shape Memory Alloy,” Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems, IEEE press, pp. 139-144.8 Meyer, C. W., and G. Morrison, 1991, “Dipole Moments of Seven Partially Halogenated Ethane Refrigerants,” J. Physical Chem.,vol. 95, pp. 3860-3866.9 Moran, M. J., and H. N. Shapiro, 1992, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 2nd ed., chap 10, John Wiley, New York.10 Pichot, P., 1986, Compressor Application Engineering, Volume 1: Compression Equipment, Gulf Publishing Company, Houston.11 Trimmer, W., and J. Gabriel, 1987, “Design Consideration for a Practical Electrostatic Micro-motor,” Sensors & Actuators, vol. 11, pp.189-206.12 Wegeng, R. S., and M. K. Drost, 1994, “Developing New Miniature Energy Systems,” Mech. Eng., vol. 119, no. 9, pp. 82-84.13 Wilson, D. G., 1998, The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines, chap 9, Prentice Hall.Original N. S. Ashraf，etc .DESIGN AND ANALYSIS OF A MESO-SCALE REFRIGERATOR D.Orlando,USA: University of Central Florida,2002.目 录第一章 总 论1第一节 项目概述1第二节 可行性研究的依据3第三节 可行性研究的范围和内容3第五节 技术经济指标4第二章 项目背景和建设的必要性5第一节 项目提出的背景5第二节 项目建设的必要性7第三章需求分析及服务规模与标准9第一节需求分析9第二节服务规模与标准10第四章项目选址及建设条件13第一节 项目选址13第二节项目区自然条件13第三节项目区社会经济条件18第四节项目区基础设施状况20第五章规划设计和建设方案23第一节 设计依据和目标23第二节 规划方案分析25第三节 建设方案31第六章消 防46第七章环保和劳动安全卫生47第一节 环境保护47第二节 劳动安全卫生48第三节 建议50第八章节能分析52第一节 概 述52第二节 节能设计依据52第三节 能耗分析53第四节 节能措施54第九章项目组织管理和实施进度58第一节 项目组织管理58第二节进度计划安排60第十章招投标方案62第一节招标管理62第二节项目招标基本情况65第十一章投资估算与资金筹措66第一节 投资估算66第二节 资金筹措70第十二章效益分析71第一节 经济效益71第二节 社会效益73第十三章结 论75