熱聲熱機(jī)的研究進(jìn)展

劉益才，武 曈，方 瑩，雷斌義

(中南大學(xué)制冷與低溫研究所，湖南 長沙 410083)

0 引言

隨著人類社會的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對能源的需求量越來越大，而傳統(tǒng)的化石能源短缺及其對環(huán)境帶來的污染，嚴(yán)重威脅著人類的生存和健康，這就需要不斷探索新技術(shù)走能源可持續(xù)發(fā)展的道路。在能源利用的眾多新領(lǐng)域中，熱聲技術(shù)非常有潛力，有著廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的熱機(jī)是基于一定的熱力循環(huán)，利用其機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對工作介質(zhì)狀態(tài)的控制，完成熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。熱聲技術(shù)基于熱聲效應(yīng)使得熱能與聲能之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，即在滿足一定條件下可以將輸入的熱能轉(zhuǎn)化為聲能，產(chǎn)生熱致聲效應(yīng)或聲致冷效應(yīng)，構(gòu)成熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)或熱聲制冷機(jī)。基于熱聲效應(yīng)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)和制冷機(jī)有著傳統(tǒng)熱機(jī)無法與之媲美的優(yōu)點(diǎn):(1)結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，使用壽命長;(2)工作介質(zhì)主要為惰性氣體，符合現(xiàn)代國際提倡的綠色環(huán)保理念;(3)可以利用太陽能、工業(yè)廢熱等低品質(zhì)熱源驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，這些措施對提高能源綜合利用的效率有著非常積極的意義［1］。

近些年來，在日常生活和國防事業(yè)中越來越多的運(yùn)用到紅外探測器、天然氣液化、血液保存和磁共振成像系統(tǒng)超導(dǎo)磁體冷卻、礦物磁分離，使得制冷與低溫技術(shù)無處不在。隨著空間技術(shù)、信息技術(shù)、生命科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對低溫制冷機(jī)的性能要求越來越苛刻，需要更加環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效的制冷技術(shù)。研究者一直致力于新型制冷系統(tǒng)的開發(fā)和改善，G－M型制冷機(jī)和Stirling制冷機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)和空間技術(shù)得到了廣泛的運(yùn)用，分置式斯特林制冷機(jī)及脈管制冷機(jī)等制冷系統(tǒng)也成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，但是上述制冷系統(tǒng)存在運(yùn)動(dòng)部件會產(chǎn)生磨損、不易密封，影響了制冷效率，降低了系統(tǒng)工作壽命。為了克服此類制冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)，用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)取代機(jī)械壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷系統(tǒng)是一種理想的方案［2－3］。

雖然熱聲技術(shù)領(lǐng)域的研究取得了顯著的發(fā)展:作為發(fā)動(dòng)機(jī)，其熱聲轉(zhuǎn)換的效率已達(dá)到30%，可以媲美內(nèi)燃機(jī)25%～40%的轉(zhuǎn)換效率，但輸出功率卻只有8 W/cm2;作為制冷機(jī)，完全無運(yùn)動(dòng)部件的熱聲熱機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)已達(dá)到液氫溫度以下，但系統(tǒng)體積比較龐大，應(yīng)用范圍比較小。

正是在這樣的背景下，對熱聲熱機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期對發(fā)展效率體積比更高的熱聲熱機(jī)起到一定的推動(dòng)作用。

1 熱聲熱機(jī)的研究進(jìn)展

1.1 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展

從1777年 Byron Higgins等的“會唱歌的火焰”、1850年 Sondhauss管、1877年 Bosscha“逆”Rijke振蕩等激發(fā)了探索熱聲效應(yīng)的激情。1962年，Garrett教授改進(jìn)型的Sondhauss管獲得了27 W的聲功;1992年，Swift等獲得了熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)9%熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和494 W聲功輸出的對稱型駐波熱聲熱機(jī)［4］。1998年，出現(xiàn)了太陽能驅(qū)動(dòng)的駐波型熱聲熱機(jī)［5］。

L.S kerget等［6］利用 Navier-Stokes(N－S)方程，并通過數(shù)值邊界積分方程求解方法域與小波域分解和耦合，對熱聲內(nèi)的溫度場和流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，又對經(jīng)典的傅立葉熱通量模型與熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行了研究對比;Bailliet等也分析了熱聲系統(tǒng)耦合行為對溫度梯度的影響。

近年來，研究者一直致力于提高熱聲轉(zhuǎn)換效率的研究。2012年，Hariharan等［7］研究不同板疊結(jié)構(gòu)回?zé)崞鲗崧曓D(zhuǎn)換效率的影響。2013年搭建了更高效率的雙驅(qū)動(dòng)模型樣機(jī)［8］。

國內(nèi)中科院理化所、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等高校在熱聲學(xué)研究方面也作出了較大的貢獻(xiàn)，典型的有肖家華教授的絕熱、等溫以及一般情況等三種熱聲效應(yīng)模型;郭方中教授等熱聲網(wǎng)絡(luò)理論;羅二倉教授等交變流動(dòng)理論和高壓比的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī);陳國邦教授等雙驅(qū)動(dòng)高壓比駐波型熱聲熱機(jī);劉益才教授等的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)頻率理論模型。

對于駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)來說，流體與固體內(nèi)部之間基于不可逆的熱力循環(huán)過程，熱聲轉(zhuǎn)換效率比較低。而對于行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)來說，其熱力循環(huán)過程類似于Stirling循環(huán)，本身有著準(zhǔn)靜態(tài)平衡過程的優(yōu)勢，其熱聲轉(zhuǎn)換的效率相對會比較高。

1979年，美國George Mason大學(xué)Ceperley等首先提出了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的概念;1998年，日本Yazaki等搭建的世界上第一臺行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，觀測到了行波性質(zhì)的熱聲自激振蕩;1999年，Backhaus等設(shè)計(jì)的新型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30%。

國內(nèi)在行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域同樣達(dá)到了國際先進(jìn)水平。2001年，中科院李青教授等建立的高頻行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了高頻(528 Hz)和低頻(76 Hz)兩個(gè)模態(tài)及其模態(tài)的跳遷;2003年，浙江大學(xué)邱利民等建立的氦氣工質(zhì)的大型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，獲得了諧振頻率為45 Hz、壓比為1.19的聲波;2012年，中科院童歡等［9］提出雙作用行波熱聲熱泵的流程，如圖1所示，研究結(jié)果顯示相對卡諾效率在59.7% ～60.1%。

圖1 熱聲驅(qū)動(dòng)雙作用行波熱泵流程圖

1.2 熱聲制冷機(jī)的研究進(jìn)展

1986年，Hofler實(shí)現(xiàn)了1/4波長－80°C低溫的駐波型熱聲制冷機(jī);1990年，Swift等采用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)替代機(jī)械式壓縮系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)，其冷端溫度達(dá)到了90 K;1992年，S.Garrett等建立的1/4波長的空間熱聲制冷機(jī)，采用97%的氦氣和3%的氬氣的混合工質(zhì)，獲得了5 W的制冷量;隨后其1/2波長以94%的氦氣和6%的氬氣為混合工質(zhì)的制冷系統(tǒng)獲得了 205 W 的制冷量［10］;1999年，Swift等［11］實(shí)現(xiàn)了以2.4 MPa的氬氣為工質(zhì)、冷熱端溫差達(dá)到92℃的聲功回收型脈管型制冷機(jī);2004年，美國賓州州立大學(xué)的電聲驅(qū)動(dòng)同軸行波熱聲制冷機(jī)，在－24.6℃的低溫下獲得了120 W的制冷量，整機(jī)卡諾循環(huán)效率達(dá)到了81%［12］。

2003年，中科院羅二倉等建立的行波熱聲制冷機(jī)，工作頻率57 Hz，氦氣工質(zhì)壓力3.1 MPa，冷端溫度達(dá)到了－20℃，獲得80 W的制冷量，隨后其行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的行波制冷機(jī)，系統(tǒng)振蕩頻率67.5 Hz，氦氣壓力為 3 MPa，冷端溫度在－22 ℃時(shí)獲得了300 W的制冷量輸出;2012年，中科院楊卓等［13］提出了一種新型熱聲制冷—雙作用行波熱聲制冷機(jī)，如圖2所示，從壓比、效率等多角度考慮，該系統(tǒng)更適合行波熱聲制冷機(jī)的耦合工作，具有潛在的高效率。

圖2 制冷機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接方式簡圖

2 熱聲熱機(jī)在數(shù)值研究方面的進(jìn)展

2.1 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在數(shù)值研究方面的進(jìn)展

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過近幾十年的研究，取得了飛速的發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，不斷優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，效率不斷提高，同時(shí)理論研究也不斷得到了完善。但通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方法通常會比較繁瑣，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不易采集。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，通過數(shù)值研究優(yōu)化系統(tǒng)的方法越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。

線性熱聲理論得到了不斷的完善和發(fā)展，利用其設(shè)計(jì)及模擬熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確性得到了提高，Ward等編制的DeltaE(Design Environment for Lowamplitude Thermoacoustic Engines)，能有效地模擬、設(shè)計(jì)和計(jì)算熱聲與其他一維聲學(xué)裝置，但對于高馬赫數(shù)和高雷諾數(shù)等非線性熱聲效應(yīng)及其現(xiàn)象有著很嚴(yán)重的局限性［14］。1999年，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Hantschk等采用商業(yè)軟件Fluent 4.4模擬了1/4波長的Rijke管，以恒溫板疊為熱源，實(shí)現(xiàn)了熱聲自激振蕩仿真和有效的系統(tǒng)諧振頻率。

2005 年，荷蘭 Lycklama等［15］利用 CFX 4.4 對行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值研究，成功觀測到了壓力從起振到飽和的過程，以及較強(qiáng)烈的渦流以及明顯的Gedeon流現(xiàn)象。

2009年，美國匹茲堡大學(xué)的 Florian等［16］利用Fluent 6.3在1/4波長諧振管內(nèi)建立了板疊結(jié)構(gòu)回?zé)崞餮芯磕Ｐ停诨責(zé)崞鲀啥耸┘訙囟忍荻龋^小的時(shí)間步長，成功捕捉到飽和壓力振蕩的過程，以及如圖3所示的熱聲制冷機(jī)板疊回?zé)崞骼錈醿啥藴夭?，其中x*=0為制冷機(jī)回?zé)崞鬟M(jìn)口坐標(biāo)，x*=5 mm為制冷機(jī)回?zé)崞鞒隹谧鴺?biāo)，也是制冷機(jī)回?zé)崞鏖L度為5 mm。

圖3 Florian模型數(shù)值研究的結(jié)果

2007 年，余國瑤［17］采用 Fluent 6.1 開展了對行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值研究，回?zé)崞骷皳Q熱器等實(shí)際模型經(jīng)二維簡化后為多孔介質(zhì)模型，回?zé)崞鲀啥耸┘右欢ǖ臏囟忍荻?，捕捉到了非線性的自激振蕩過程，獲得了起振溫度，提出了抑制Gedeon流的方法;2008年，進(jìn)一步利用Fluent 6.3研究了駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［18］，對板疊回?zé)崞鬟M(jìn)行了二維拓?fù)滢D(zhuǎn)換，采用流固耦合模型，觀測到了回?zé)崞鲏毫Ψ祻姆糯蟮斤柡偷倪^程，以及其本身的渦流場，揭示了駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)及聲學(xué)特性，與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果較好地吻合，如圖4所示。

2.2 熱聲制冷機(jī)在數(shù)值研究方面的進(jìn)展

在對熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)開展數(shù)值研究的同時(shí)，對于熱聲制冷機(jī)的數(shù)值研究也取得了比較突出的研究成果。

圖4 余國瑤數(shù)值研究與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的對比［17］

1996年，Cao N等采用SOLA－ICE法研究了熱聲制冷機(jī)平行板疊周圍的溫度場及流場，驗(yàn)證了板疊的末端為熱聲轉(zhuǎn)換的主要區(qū)域;E.Besnoin等［19］采用微撓動(dòng)法，分析了板疊位置、板疊間距、擾動(dòng)波幅度及其工作頻率對制冷系統(tǒng)的影響;2003年，P.Blanc－Benon等［20］采用有限差分法得到熱聲制冷機(jī)回?zé)崞骼涠说臏囟惹€。2008年，L.Zoontjens等［21］采用Fluent 6.3建立了流固耦合模型，結(jié)果表明板疊的厚度嚴(yán)格控制著回?zé)崞髦車郎u的產(chǎn)生和強(qiáng)度，板間距的增加提高了熱傳遞效率但增大了熵消耗;隨后分別建立了如圖5所示圓狀邊緣、球狀邊緣、爪狀邊緣以及機(jī)翼邊緣板疊模型，板疊結(jié)構(gòu)的改變有助于提高制冷效率，如圖6所示［22］。

圖5 L.Zoontjens建立的異形板疊結(jié)構(gòu)［21］δkm為平均熱滲透深度(m)

3 熱聲脈管制冷機(jī)的研究進(jìn)展

1963年，Gifford等研制了世界上第一代脈管制冷機(jī)達(dá)到了124 K的最低溫度;1967年，Gifford的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)可逆型脈管制冷機(jī)達(dá)到了165 K的低溫;1984年，Mikulin等節(jié)流小孔氣庫型無載荷改進(jìn)型脈管低溫達(dá)到了105 K;1986年，Radebaugh等對Mikulin方案進(jìn)行了重大改進(jìn)，將小孔設(shè)置在熱端換熱器與氣庫之間，采用了可調(diào)流量針閥，氦氣工質(zhì)無荷載時(shí)的低溫達(dá)到了60 K。

圖6 不同結(jié)構(gòu)回?zé)崞髦車鷾囟确植?/p>

1990年，朱紹偉等［23］提出的雙向進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)，將旁通閥連接到往復(fù)壓縮機(jī)出口與脈管熱端之間，減少了回?zé)崞鞯呢?fù)荷，使最低溫度從49 K降低到42 K。2005年，邱利民等［24］提出了雙閥雙向進(jìn)氣型結(jié)構(gòu)，利用型單級脈管制冷機(jī)，在無荷載的情況下獲得了11 K的低溫;2007年，浙江大學(xué)的孫賀等［25］優(yōu)化了制冷系統(tǒng)回?zé)崞魈盍希@得了10.6 K的無負(fù)載最低制冷溫度，創(chuàng)造了單級脈管制冷機(jī)的新記錄。其后的研究主要集中在小孔－氣庫型、雙向進(jìn)氣型、慣性管型等調(diào)相機(jī)構(gòu)的改進(jìn)中。

3.1 熱聲脈管制冷機(jī)在數(shù)值研究方面的進(jìn)展

熱聲脈管制冷機(jī)的理論主要包括Gifford等表面泵熱理論、Radebaugh等焓流相位理論以及向量分析法、梁驚濤等熱力學(xué)非對稱理論、Swift等提出的熱聲理論以及后來發(fā)展迅速的數(shù)值研究法。

數(shù)值研究是基于最基本的納維－斯托克斯方程(Navier－Stokes Equation)，得出了脈管制冷系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)參數(shù)的變化，不需要過多的前提和假設(shè)，就能夠得出與實(shí)際比較接近的計(jì)算結(jié)果。

近20多年來，在一維數(shù)值研究方面，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了多種商業(yè)軟件，其中包括Sage、Regen、Deltae等?；谶@些數(shù)值研究的方法，國內(nèi)外學(xué)者對脈管制冷系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了豐碩的研究成果，但還無法模擬多維效應(yīng)，在大功率脈管制冷機(jī)方面存在著非常大的誤差［25］。

近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，CFD及CFX等商業(yè)軟件成為了優(yōu)化脈管制冷系統(tǒng)的重要手段。

2003年，Hozumi等［27］發(fā)表了基本型和小孔型脈管制冷機(jī)二維軸對稱及三維數(shù)值研究模型，分析了重力及工質(zhì)流向?qū)ο到y(tǒng)的影響;Flake等［28］采用Fluent對基本型及小孔型脈管制冷機(jī)研究中發(fā)現(xiàn)了環(huán)流效應(yīng)和射流現(xiàn)象。

2006年，J.S.Cha等［29］采用 Fluent建立了慣性管型脈管制冷機(jī)的二維軸對稱數(shù)值研究模型，研究結(jié)果顯示了CFD軟件對其進(jìn)行數(shù)值研究的正確性，并且發(fā)現(xiàn)只有在長徑比大的情況下，一維模型才有效;在長近比小的情況下，二維效應(yīng)非常明顯，如圖7所示。

圖7 脈管部分多維效應(yīng)

2007年，張小斌等［30］建立了小孔型脈管制冷系統(tǒng)的二維軸對稱模型，重點(diǎn)分析了如圖8所示的周期性壓力振蕩下脈管制冷系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜的多維效應(yīng)以及熱傳遞的特點(diǎn)。

圖8 溫度分布特點(diǎn)

2010年，Y.P.Banjare等［31］建立了雙進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)的三維數(shù)值研究模型，分析了在不同開度小孔閥對冷端壓力與質(zhì)量流量之間相位關(guān)系及制冷效率的影響，數(shù)值研究與實(shí)驗(yàn)研究的吻合結(jié)果如圖9所示。

圖9 溫度分布曲線

2012年，Bakhtier等［32］采用 CFD－ACE+編譯了換熱器及回?zé)崞鞯姆瞧胶鈹?shù)學(xué)模型，改進(jìn)了雙活塞型脈管制冷機(jī)數(shù)值模型，研究結(jié)果顯示了活塞的振蕩及慣性管的存在直接影響系統(tǒng)內(nèi)流體周期循環(huán)模式;由于二次旋流的充分發(fā)展而形成的脈管中心熱緩沖區(qū)，有效的隔離了熱端和冷端直流，強(qiáng)化了制冷效果。

3.2 熱聲制冷技術(shù)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究進(jìn)展

美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室Wheatley教授等成功研制了世界上第一臺由揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)的駐波熱聲制冷機(jī)，環(huán)境溫度及冷端工作溫差達(dá)到了100 K。1992年，Garrett等研制了“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)上的空間熱聲制冷機(jī)，最大溫差為115℃，1995年，該小組開發(fā)了冷卻海軍艦船上電子系統(tǒng)的熱聲制冷機(jī)，采用94.4%的氦和5.6%的氬混合氣體，獲得制冷量419 W，整機(jī)效率可達(dá)到17%。1996年，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的熱聲研究小組研制了如圖10所示的10 kW級大功率熱聲制冷機(jī)［33］，采用雙Helmholtz諧振形式，左端是線性電機(jī)，右邊為回?zé)崞骱蛽Q熱器，最終得到了18℃的溫差，但其相對卡諾循環(huán)效率還比較低。

圖10 線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)

2008年，荷蘭Tijani研究小組制作了同軸型斯特林制冷機(jī)［34］，采用直線壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)，得到最低無負(fù)荷制冷溫度－54℃，并在－11℃下相對卡諾效率達(dá)到25%，并研究了諧振管的能量耗散機(jī)理。日本Yazaki等研制環(huán)形管行波型斯特林制冷機(jī)，調(diào)整回?zé)崞鞯南鄬ξ恢?，得到了行波環(huán)路中最低環(huán)冷端制冷溫差60 K。美國Pennsylvania州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室［36］設(shè)計(jì)的冰激凌冷藏柜的行波熱聲制冷機(jī)，在室溫環(huán)境25℃下，該制冷機(jī)可以保證容量為200 L的冰激凌冷藏柜內(nèi)溫度不高于－18℃。通過實(shí)驗(yàn)測量，該制冷機(jī)在冷負(fù)荷溫度－24.6℃時(shí)，可以獲得120 W的制冷量，COP值達(dá)到了0.81，相對卡諾效率19%。日本學(xué)者Y.Ueda等［35］研制了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲網(wǎng)型回?zé)崞鞯男胁崧曋评錂C(jī)，優(yōu)化了回?zé)崞髦睆胶臀恢?，得到了冷端溫度?32 K，并在制冷溫度265 K時(shí)相對卡諾循環(huán)系數(shù)達(dá)到20%。緬因大學(xué)P.Lotton等［37］研制了如圖11所示的雙聲源驅(qū)動(dòng)的微小型熱聲制冷機(jī)，在工作壓力為大氣壓力下最大溫差達(dá)14.1 K。該裝置總長度只有10.2 cm，為熱聲制冷機(jī)微型化提供了一個(gè)良好的方向。

圖11 緬因大學(xué)微型熱聲制冷機(jī)

熱聲制冷機(jī)微型化方面，猶他州立大學(xué)聲學(xué)中心從上世紀(jì)90年代就研制出尺寸從4～0.8 cm的各種微型制冷機(jī)，如圖12所示的典型作品［38］為2004年設(shè)計(jì)制作的4 kHz高頻熱聲制冷機(jī)，可用于電子元器件的冷卻，目前正開展振蕩頻率為20 kHz級別的相關(guān)研究，也正在解決制冷量、制冷溫度和頻率尺寸等匹配矛盾，這為熱聲制冷機(jī)微型化指明了發(fā)展方向，并具有良好的應(yīng)用前景。

圖12 猶他州立大學(xué)微型制冷機(jī)示意圖

此外，熱聲制冷在太陽能利用方面的研究也有了一定進(jìn)展，美國海軍研究生院［39］搭建的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)，如圖13所示，熱源是由一個(gè)直徑0.457 m的太陽能集熱器提供，加熱溫度達(dá)到475℃，通過產(chǎn)生的聲波驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)產(chǎn)生2.5 W的制冷量，冷端溫降為18℃。

國內(nèi)方面，浙江大學(xué)馮仰浦等［40］研制的熱聲制冷實(shí)驗(yàn)裝置，在氮?dú)夤べ|(zhì)壓力0.7 MPa下獲得了冷端12℃的溫降。2004年，通過對該裝置的改進(jìn)，采用常壓空氣作為工質(zhì)，在輸入功率20 W的情況下，制冷機(jī)冷端獲得了27℃的溫降。

圖13 太陽能熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2004年，中科院理化所黃云等［41］設(shè)計(jì)加工的室溫型行波熱聲制冷機(jī)，氦氣工質(zhì)壓力為2.0 MPa，室溫與冷端溫差達(dá)到了31 K。2005年駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)冷端無負(fù)載最低溫度達(dá)到－47℃，并在冷端溫度－20℃時(shí)其制冷量達(dá)到了80 W。2006年［42］設(shè)計(jì)的行波斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行波斯特林熱聲制冷機(jī)，如圖14所示，氦氣工作壓力3.0 MPa，得到無負(fù)載最低制冷溫度－65℃，在－20℃時(shí)制冷量達(dá)到270 W。2011年［43］在制冷機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接處用有慣性質(zhì)量的彈性膜片來替代慣性管，工作頻率為57 Hz，在－20℃時(shí)得到340 W的制冷量，這是目前國內(nèi)熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)研究的最好結(jié)果。另外在熱聲制冷機(jī)微型化方面，中科院理化所［44］也做出了相關(guān)研究，其研制的高頻微型熱聲制冷機(jī)獲得了15.2℃的冷端溫降。

圖14 中科院理化所熱驅(qū)動(dòng)行波制冷機(jī)

中南大學(xué)［45－46］在網(wǎng)絡(luò)理論和結(jié)構(gòu)聲理論指導(dǎo)下搭建了揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)，如圖15所示，以氮?dú)庾鳛楣べ|(zhì)，分別對板疊式、絲網(wǎng)型以及蜂窩陶瓷三種不同類型的回?zé)崞鬟M(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)對比分析，并對系統(tǒng)充氣壓力和揚(yáng)聲器輸入頻率對冷端溫度的影響也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

圖15 中南大學(xué)駐波型熱聲制冷機(jī)裝置簡圖

4 熱聲熱機(jī)的研究熱點(diǎn)

熱聲理論研究熱點(diǎn)主要集中在:(1)網(wǎng)絡(luò)理論、辛群理論、辛對稱特性;(2)參數(shù)諧振、自激振蕩、三頻率參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型(3個(gè)特點(diǎn));受激振蕩、磁場激勵(lì)、電場激勵(lì)(聲表面波激勵(lì));(3)特征時(shí)間ωτ時(shí)變率相似分析;(4)熱力學(xué)優(yōu)化與格子氣模擬;(5)非線性熱聲理論;(6)多場協(xié)同下的結(jié)構(gòu)聲理論等多個(gè)方面。

目前熱聲實(shí)驗(yàn)測試手段主要為:(1)粒子成像測速儀(PIV);(2)紅外熱像儀(溫度);(3)數(shù)字萬用表(溫度);(4)壓電式壓力傳感器(壓力);(5)傳聲器(拾音器)以及差壓式傳感器等多個(gè)方面。

另外，在以下幾個(gè)方面可開展理論和實(shí)驗(yàn)研究工作:(1)回?zé)崞?、冷熱端換熱器傳熱與流動(dòng)特性研究;(2)可以降低諧振頻率，提高壓力振幅的液體工質(zhì)(密度大、粘度小)，液體振子特性研究;(3)充氣高壓4.0 MPa左右和常壓工作壓力特性研究;(4)高頻微型化研究;(5)同軸行波和對置式雙作用熱聲制冷機(jī)特性研究等等多個(gè)方面。

5 熱聲熱機(jī)的發(fā)展前景

(1)太陽能利用和余熱利用

隨著理論和實(shí)驗(yàn)研究的不斷進(jìn)展，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度不斷降低，這對太陽能或工業(yè)余熱等低品位熱源的利用具有決定性的作用，可以預(yù)見熱聲熱機(jī)在低品位能源利用方面有著良好的發(fā)展前景。

(2)熱聲制冷系統(tǒng)微型化

隨著電子器件的集成度和運(yùn)行頻率的提高，大型計(jì)算中心的構(gòu)建等都對其散熱能耗問題越來越敏感，傳統(tǒng)冷卻方式已經(jīng)不能滿足其單位散熱密度的要求，基于高頻微型化的熱聲制冷機(jī)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)和研究難點(diǎn)。

(3)熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷

航空航天、氫能利用、天然氣液化、新型空分裝置、大型氦液化等都對低能耗的低溫制冷技術(shù)需求迫切，而熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)具有潛在的優(yōu)勢，這就為其大規(guī)模的發(fā)展提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。

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