熱驅動熱聲制冷技術發展現狀與展望

徐靜遠 羅二倉

(1 中國科學院理化技術研究所低溫工程學重點實驗室 北京 100190；2 卡爾斯魯厄理工學院 卡爾斯魯厄 76344；3 中國科學院大學 北京 100049)

隨著科學技術和社會文明的進步，制冷技術已經滲入到航天、能源、環境、醫療和工農業等眾多領域，成為推動社會生活和科學發展不可或缺的支柱力量。目前，制冷技術不僅在空氣調節、食品儲存保鮮、冷凍醫療、工農業低溫處理、微電子冷卻及深空探測器等方面顯示出重要作用，而且對 “聯合國可持續發展目標”中大多數目標的實現也至關重要。美國能源信息署發布的國際能源展望報告指出，目前制冷能耗已經占據全球建筑能源消耗的40%以及全球電能總消耗的17%。考慮到未來人口增長、收入增加、全球變暖和城市化等因素，預計全球對制冷的需求還將迅速增加[1]。然而，目前傳統蒸氣壓縮制冷技術通常采用氫氟碳化合物(HFCs)替代破壞臭氧層制冷劑，HFCs具有高全球變暖潛值 (Global Warming Potential，GWP)，GWP是CO2的幾千倍，任何泄漏都會對溫室效應產生顯著影響。因此，推動實現環保和氣候友好型制冷轉型對全球氣候和可持續發展有著至關重要的影響。《蒙特利爾議定書》基加利修正案規定在未來 30年將氫氟碳化合物和高GWP制冷劑的生產和用量減少80%。聯合國環境規劃署和國際能源署呼吁，如果全球采取協調一致的行動推動實現氣候友好型制冷轉型，未來40年將避免多達4 600億 t溫室氣體的排放[2]。更加值得關注的是，我國頒布了“雙碳”目標(“碳達峰”和“碳中和”)的重大部署，力爭在2060年前實現溫室氣體的凈零排放。因此，我們需要大力推動下一代氣候友好型 “綠色制冷”技術，以助力實現“雙碳”目標，促進全球可持續發展。

熱驅動熱聲制冷因其獨特的優勢成為一種氣候友好、可靠且極具應用前景的新型綠色制冷技術。熱驅動熱聲制冷技術的原理是利用熱聲發動機輸出的聲波驅動熱聲制冷機從而實現制冷，即獲得熱—聲—冷能源轉換。該系統通常采用惰性氣體(如氦氣、氮氣等)做工作介質，并且是一種外燃式的熱機，可采用多種低品位能源或太陽能驅動工作，對環境非常友好。此外，熱聲熱機一般由空管段、多孔介質及換熱器組成，結構簡單、制作成本低且不存在任何機械運動部件，可避免常規熱機中因機械摩擦而產生的損失及相關維護，因此具有低振動、高可靠性、長壽命和高潛在效率等優點。這種熱驅動熱聲制冷系統熱源適應性好，可采用多種熱源驅動工作(太陽能、生物質能、工業余熱等)，能夠滿足電力缺乏、條件苛刻的偏遠地區的制冷需求。熱驅動熱聲制冷系統工作溫跨大，可實現液氫至室溫溫區(20～300 K)下不同的制冷需求，在液化天然氣[3-4]、室溫制冷[5-6]、余熱/冷回收[7]、多能聯供[7]、太陽能利用、深冷制冷[8-9]等領域具有廣闊的應用前景。

本文首先介紹了熱聲制冷原理，然后從熱驅動室溫熱聲制冷和熱驅動低溫熱聲制冷兩個方面介紹近年來熱驅動熱聲制冷的發展現狀，并展望未來熱驅動熱聲制冷的發展方向。希望本綜述可以為熱驅動熱聲制冷技術在實際應用中的推廣及未來發展提供參考和幫助，進而推動“綠色制冷”，助力實現“雙碳”目標。

1 熱聲制冷原理及特點

1.1 熱聲效應

熱聲效應是指可壓縮流體的聲振蕩與固體介質之間由于熱相互作用而產生的時均能量效應。按照能量轉換方向的不同，熱聲效應可分為兩類：1)用熱能來產生聲波，即熱致聲效應，通常發生在熱聲發動機內部；2)用聲能來產生制冷效應，即聲致冷效應，通常發生在熱聲制冷機內部。

1.1.1 熱致聲效應

在一定的條件下，熱聲發動機內具有溫差的熱源會自發地產生聲波而形成熱致聲動力循環(正循環)，這是一種非線性的熱聲自激振蕩過程，即熱致聲效應。圖1所示為熱聲發動機單元示意圖，主要由室溫換熱器、回熱器和熱端換熱器組成。圖中左側為回熱器的室溫端，右側為回熱器的高溫端，即回熱器沿軸向方向存在溫度梯度，聲功自左至右傳播并放大。如圖1所示，在熱聲發動機回熱器內，每一氣體微團進行壓縮、放熱、膨脹以及吸熱等完整的熱致聲動力循環過程：1)氣體微團向高溫側運動同時被壓縮，壓力增大；2)氣體微團溫度低于回熱器溫度進而從回熱器吸熱，壓力和溫度均達到最大，體積達到最大壓縮；3)氣體微團向室溫端運動，同時體積膨脹對外做功，壓力減小；4)氣體微團對回熱器放熱，壓力和溫度均達到最小，體積達到最大膨脹。眾多氣體微團彼此經過接力式的熱量傳輸及協同作用，一步一步地將熱端換熱器輸入的熱量轉換為聲功，不能轉換的熱量則通過室溫換熱器排向環境熱源。需要說明的是，熱聲熱力循環中存在兩個等溫過程和兩個等壓過程，而特林循環存在兩個等溫過程和兩個等容過程。因此，熱致聲效應是基于一種全新工作原理的熱力循環，與斯特林循環存在本質區別[10]。

圖1 熱聲發動機熱致聲效應及內部氣體微團

熱致聲現象的最早發現可以追溯至200多年前。1777年，B.Higgins發現在兩端開口中空管子的某些位置中放入可燃性氣體的火焰，管中會激發出聲音，即 “歌焰現象”[11]。這是熱致聲效應的首次發現，類似的現象在高煙囪、爐膛中以及快速飛行的導彈中也可以觀察到。

1.1.2 聲致冷效應

聲波是一種壓縮-膨脹波，可以與固體介質作用發生吸熱和放熱效應。在一定的條件下，聲波可以將低于環境溫度的熱量向環境泵熱而形成聲致冷循環(逆循環)，即聲致冷效應。圖2所示為熱聲制冷機示意圖，主要由室溫換熱器、回熱器和冷端換熱器組成。圖中聲功自左至右傳播并消耗，回熱器中熱量由冷端換熱器側泵送到室溫換熱器側，從而在冷端換熱器側實現制冷。如圖2所示，在熱聲制冷機內，每一氣體微團經歷壓縮、放熱、膨脹以及吸熱等完整的聲致冷循環過程：1)氣體微團向室溫側運動，溫度升高，壓力增大；2)氣體微團溫度高于回熱器溫度，對回熱器放熱；3)氣體微團向低溫側運動，溫度降低，壓力減??；4)氣體微團溫度低于回熱器溫度，從回熱器吸熱。通過聲功的消耗，眾多氣體微團彼此經過接力式的熱量傳輸，逐步將熱量從回熱器的低溫端轉移至高溫端，從而實現制冷功能。同樣地，制冷機回熱器內氣體微團將經歷兩個等溫過程和兩個等壓過程，與斯特林循環存在本質區別[12]。

圖2 熱聲制冷機聲致冷效應及內部氣體微團

聲致冷效應的發現相比熱致聲效應晚了近兩百年。1975年，P.Merkli等[13]在存在交變壓力波的駐波諧振管中部發現了溫度下降的現象，這是歷史上首次發現明顯的聲致冷現象。

1.2 熱驅動熱聲制冷技術

綜上可知，熱聲發動機內氣體產生自激的壓力振蕩，熱能被轉換為聲能形式的機械能，而熱聲制冷機中，聲功被消耗將熱量從回熱器低溫端搬運至高溫端。熱驅動熱聲制冷技術正是結合了這兩種不同的熱聲效應：利用熱聲發動機中產生的聲能(熱致聲效應)驅動熱聲制冷機進行制冷(聲致冷效應)，從而實現熱能-聲能-冷能的能量轉換(熱致聲致冷)。圖3所示為熱驅動熱聲制冷系統示意圖，它由熱聲發動機、熱聲制冷機及調相機構組成。該系統是一個自激振蕩系統，熱聲制冷機不僅消耗發動機聲功以產生制冷效應，而且還為熱聲發動機提供所需的體積流量和相位，因此熱聲發動機與熱聲制冷機間需要存在聲阻抗耦合匹配。不適合的聲阻抗耦合會使制冷性能嚴重下降，甚至系統不工作。因此，調相機構主要用于調節熱聲發動機和熱聲制冷機之間的聲阻抗，使兩者同時在各自合適的聲場下工作，從而提升整機的制冷效率。常見的調相機構包括聲容性的空腔、聲感性的固體活塞、細長的管道以及液體活塞等。

圖3 熱驅動熱聲制冷機示意圖

1.3 熱驅動熱聲制冷機分類

回熱器/板疊和諧振管是熱聲發動機系統最為核心的部件：前者是系統中最關鍵的熱聲轉換部件；后者維持系統所需的振蕩頻率，并起到調節壓力波動和體積流率相位關系和傳遞/儲存聲能的作用。如圖4所示，根據熱聲發動機回熱器/板疊和諧振管中壓力波動與體積流率之間的相位關系，熱驅動熱聲制冷機可以分為三類：1)雙駐波型。其中熱聲發動機板疊及諧振管均處于駐波占主的聲場；2)行駐波混合型。其中熱聲發動機回熱器處于行波占主的聲場且諧振管處于駐波占主的聲場；3)雙行波型。其中熱聲發動機回熱器及諧振管均處于行波占主的聲場。雙駐波型熱驅動熱聲制冷機基于內部不可逆的熱力學循環，氣體工質和板疊之間的本征不可逆換熱導致其熱力學效率一般較低。行駐波混合型熱驅動熱聲制冷機將駐波諧振管支路引入行波反饋管中，有助于調節行波反饋管換熱過程中不可避免的熱滯后，實現駐波基于熱滯后的熱聲轉換，從而提高熱聲轉換效率。然而，行駐波混合型熱驅動熱聲制冷機中較大尺寸的駐波諧振管顯著降低了系統功率密度，進而限制了它們的實際應用。雙行波型熱驅動熱聲制冷機中熱聲發動機回熱器和諧振管均需要處于行波聲場，在實現高效熱聲轉換的同時實現高效的聲功傳輸，具有潛在效率高、結構緊湊、功率密度大等優點，目前已逐漸成為研究的熱點。

圖4 熱驅動熱聲制冷機分類

此外，熱驅動熱聲制冷系統工作溫跨大，可實現液氫至室溫溫區(20～300 K)廣泛的工作溫區，在低溫和普冷領域有著極大的應用潛力。因此，除了上述按相位關系進行的分類外，通常也根據工作制冷溫區將熱驅動熱聲制冷機分為兩類：1)熱驅動室溫熱聲制冷機。其工作制冷溫區在室溫溫區附近(約300 K)，應用背景包括空調、冰箱、冷凍柜以及在卡車、冷鏈運輸車、漁船等移動設備上的制冷。其中，如何有效利用低品位能源和工業余熱成為熱驅動室溫熱聲制冷機值得關注的研究方向；2)熱驅動低溫熱聲制冷機。其工作制冷溫區主要在低溫溫區(<120 K)，應用背景包括天然氣液化，高溫超導和低溫制冷。研究方向主要圍繞如何提升大功率低溫制冷和如何追求最低制冷溫度。

下文將從熱驅動室溫熱聲制冷機和熱驅動低溫熱聲制冷機兩個方面介紹熱驅動熱聲制冷的發展現狀。對于上述每種熱驅動熱聲制冷機，將依次介紹雙駐波型、行駐波混合型和雙行波型制冷系統。

2 熱驅動室溫熱聲制冷機

2.1 雙駐波型熱驅動熱聲制冷機

雙駐波型熱驅動室溫熱聲制冷機的主要特點是熱聲發動機回熱器和諧振管處于駐波聲場。1997年，美國海軍研究生院建造了一臺雙駐波型熱驅動室溫熱聲制冷機，在 25 ℃的制冷溫差下獲得 91 W的制冷量和0.15的熱制冷系數 (熱聲制冷機制冷量與熱聲發動機加熱量的比值)[14]。熱聲發動機和制冷機的換熱器肋片厚度和間距分別為 75 μm和 125 μm，對機械加工精度的要求較高，造價昂貴。隨后，該團隊研制了一種采用太陽能為熱源驅動的駐波型熱聲制冷機，如圖5所示。系統加熱溫度最高可達450 ℃，在制冷溫度為5 ℃時獲得了2.5 W的制冷量[15]。

圖5 美國海軍研究生院研制的太陽能驅動駐波熱聲制冷機

2.2 行駐波混合型熱驅動熱聲制冷機

行駐波混合型熱驅動室溫熱聲制冷機的發動機回熱器和諧振管分別處于行波聲場和駐波聲場。2004年，Y.Ueda等[16]設計了一臺行駐波混合型熱驅動室溫熱聲制冷機，在 0 ℃的制冷溫度下獲得11 W的制冷量。2006年，Luo Ercang等[17]首次提出雙環路行駐波混合型熱驅動室溫熱聲制冷機，如圖6所示。系統工質為氦氣，平均壓力為3 MPa，工作頻率為67.5 Hz，制冷機在-22 ℃制冷溫度下獲得300 W的制冷量，熱制冷系數為0.124。2009年，李山峰[18]又重新設計了一臺同軸行駐波混合型熱驅動室溫熱聲制冷機。在-20 ℃的制冷溫度下，該系統制冷量和系統熱制冷系數分別提升至340 W和0.16。這項工作為熱聲制冷在室溫溫區替代氟利昂制冷邁出了關鍵的一步。

圖6 羅二倉等提出的行駐波混合型熱驅動熱聲制冷機

2010年，Kang Huifang等[19]研制了一臺行駐波混合型熱驅動室溫熱聲制冷機。該系統的特點是熱聲發動機和熱聲制冷機均處于同一個環形管內，熱聲制冷機連接在熱聲發動機的出口，因此發動機產生的聲功可以直接驅動制冷機。該系統的總長度小于1 m，工作頻率為234 Hz，在0 ℃的制冷溫度下獲得了40 W的制冷量。2013年，S.Hasegawa等[20]提出雙環路行駐波混合型熱驅動室溫熱聲制冷機概念，如圖7所示。該結構具有兩個主要特點：1)增加熱聲發動機級數來降低系統的起振溫度；2)駐波諧振管末端的聲功可以回收利用。該團隊考察了不同單元的熱聲發動機如何布置以實現回熱器內合理的聲學阻抗，并優化了熱聲發動機的溫度比。2017年，該團隊搭建相關實驗臺，系統起振溫度約為 85 ℃，在 -50 ℃的制冷溫度下獲得 0.029[21]的熱制冷系數。

圖7 S.Hasegawa等提出的行駐波混合型熱驅動熱聲制冷機

2.3 雙行波型熱驅動熱聲制冷機

雙行波型熱驅動室溫熱聲制冷機的發動機回熱器和諧振管均處于行波聲場。2002年，日本T.Yazaki等[22]首次提出雙行波環路熱驅動室溫熱聲制冷機，如圖8所示。該結構無任何運動部件，將熱聲發動機單元和制冷機單元布置在同一環形管的合適位置，其中熱聲發動機單元用于聲功放大，制冷機單元用于制冷。實驗結果表明，當平均壓力為0.25 MPa，工作介質為86%氦氣和14%氬氣的混合氣體時，系統工作頻率為240 Hz，在230 W的加熱功率下獲得了-27 ℃的無負荷制冷溫度。2004年，日本S.I.Sakamoto等[23]設計了一臺雙行波環路熱驅動室溫熱聲制冷機，將熱聲發動機單元和熱聲制冷機單元對稱放置在環路管中。系統可實現16 ℃的溫降，研究表明抑制環路中的高次諧波和聲流可進一步改善系統性能。

圖8 T.Yazaki等提出的雙行波型熱驅動熱聲制冷機

圖9 K.De Blok提出的四單元雙行波型熱驅動室溫熱聲制冷機

圖10 Jin T.等提出的一單元雙行波型熱驅動室溫熱聲制冷機

2018年，Aster Thermoacoustics公司[27]提出了THEAC-25熱驅動室溫熱聲制冷機，如圖11所示。該系統包括兩個熱聲發動機單元和兩個熱聲制冷機單元，其中熱聲發動機依次連接逐級放大聲功，放大后的聲功用于驅動兩個制冷機依次獲得冷量。當加熱溫度為220 ℃時，系統在-10 ℃的制冷溫度下獲得了18 kW的制冷量，熱制冷系數為0.18。系統的尺寸為4 m×4 m×0.8 m(長×寬×高)，整機重量為1 100 kg。系統運行還需要三個泵和一個干式冷卻系統，共需要消耗2 kW的電能。因為完全無運動部件，無需維護，設計壽命長達 30年，且系統功率可從10 kW擴展至 100 kW。該裝置的應用背景主要包括移動裝置制冷(如新鮮產品制冷、醫療冷鏈等)，工業過程控制(如食品面包店、壓鑄金屬絲生產等)，建筑空調(如購物中心、學校等)。

圖11 Aster Thermoacoustics公司提出的THEAC-25雙行波型熱驅動室溫熱聲制冷機

2021年，Wang Huizhi等[28]針對卡車、漁船等移動設備的余熱，研制了一臺5 kW級直連型雙行波型熱驅動室溫熱聲制冷機，如圖12所示。該結構的典型特點是，熱聲發動機單元和熱聲制冷機單元直接相連，共用一個室溫換熱器，省去了傳統結構中熱聲發動機與熱聲制冷機之間的諧振管，結構更加緊湊?？傮w裝置的尺寸為1.5 m×1.4 m×2.0 m(長×寬×高)，重量約為220 kg。實驗結果表明，當加熱溫度和制冷溫度分別為300 ℃和10 ℃時，系統總制冷量達到4.0 kW，熱制冷系數達到0.28，熱致冷相對卡諾效率達到9.1%。與先前報道的同類型熱驅動室溫熱聲制冷機相比，該系統在熱制冷系數和功率密度方面均有顯著提升。

2020年，劍橋大學Xu Jingyuan等[5]提出一種氣液耦合型熱驅動室溫熱聲制冷機，如圖13所示。該系統同時采用氣體和液體作為諧振機構，從而有效利用液體諧振子的高質量慣性聲感和氣體諧振子的高可壓縮性聲容形成氣液耦合振動熱聲發動機，在強化聲振蕩的同時降低工作頻率，有利于驅動熱聲制冷機獲得更高的效率和更低的起振溫度。計算結果顯示，當加熱溫度和制冷溫度分別為147 ℃和-3 ℃時，系統總制冷量達到2.7 kW, 熱制冷系數達到0.67。相比傳統氣體諧振器，采用氣液耦合諧振器的系統頻率可由53.3 Hz降至12.3 Hz，壓比由1.06增至1.32，從而使系統起振溫差由144.1 K降至35.5 K。該結果表明，氣液耦合型熱聲制冷系統可以顯著提高系統效率并降低系統起振溫度，從而可以有效利用低品位熱能，具有廣闊的應用前景?；诖讼到y，上述學者們還研究了不同壓力和不同工質氣體下[29-30]的系統性能。

圖13 Xu Jingyuan等提出的氣液耦合型熱驅動室溫熱聲制冷機

2021年，劍橋大學Xu Jingyuan等[7]提出一種可同時回收余熱和液化天然氣冷能的熱驅動熱聲冷熱電三聯供系統，如圖14所示。該系統有4個熱聲轉換單元，每個單元中包含熱聲發動機、熱聲制冷機和直線發電機和諧振管。其中熱聲發動機直接和熱聲制冷機相連，直線發電機旁接于發動機出口處。該系統中熱聲發動機可以有效實現低品位熱能與天然氣冷能的溫位互補，使兩者得以同時有效回收，進而產生熱、電、冷的聯產聯供。計算結果表明，當液化天然氣和余熱溫度分別為 -143 ℃ 和227 ℃時，該系統可產生冷能2.19 kW (制冷溫度為10 ℃)，熱能3.55 kW和電能2.27 kW，整機相對卡諾效率達到24.1%。該項工作表明，熱驅動熱聲系統可應用于分散的、小規模的冷能和余熱綜合回收領域，同時多能聯產形式(冷熱電聯供、熱電聯供、冷電聯供等)可以滿足不同的供能需求。

圖14 Xu Jingyuan等提出的同時回收余熱和液化天然氣冷能的熱驅動熱聲冷熱電三聯供系統

國內外熱驅動室溫熱聲制冷機研究進展如表1所示。與雙駐波型和行駐波混合型相比，雙行波型熱驅動室溫熱聲制冷機在理論和實驗上均顯示具有更高的熱制冷效率和制冷功率，但低緊湊性和高起振溫度仍是迫切需要解決的問題。因此，針對中低溫余熱利用，面向不同工作制冷溫區(0～10 ℃空調溫區；-10～-20 ℃冷藏冷凍溫區)的需求場合，探索高效、緊湊的雙行波型熱驅動室溫熱聲制冷機新流程具有重要意義。

表1 國內外熱驅動室溫熱聲制冷機研究進展Tab.1 Research progress of heat-driven room-temperature thermoacoustic refrigerator

3 熱驅動低溫熱聲制冷機

3.1 雙駐波型熱驅動熱聲制冷機

1989年，美國國家標準技術研究所的R.Radebaugh和Los Alamos國家實驗室的G.W.Swift等[31]聯合研制了首臺熱驅動熱聲制冷機，如圖 15所示。該系統采用雙駐波型熱聲發動機驅動小孔型熱聲制冷機，其中熱聲發動機長達10 m(部分為圖中環形結構)。在3 kW加熱功率下，以氦氣為工質時系統工作頻率為27 Hz，可獲得最低制冷溫度90 K，且在120 K 的制冷溫度下能夠獲得5 W 的制冷量。這是世界上首臺完全無運動部件的熱聲低溫制冷機，為高可靠性低溫制冷機的研究提供了新途徑。1995年，Tektronix 公司[32]設計了一臺對稱型駐波熱驅動脈沖管制冷機。該裝置工作頻率為350 Hz，最終實現0.18的熱制冷系數。

圖15 G.W.Swift等提出的首臺熱驅動低溫熱聲制冷機

熱驅動熱聲制冷機的成功研制引起了廣泛關注，人們開始嘗試將這種新型制冷技術應用于天然氣液化領域。2003年，美國Los Alamos國家實驗室聯合Cryoenco公司和美國國家標準與技術研究院成功研制了一臺采用天然氣作為加熱源的小型熱聲天然氣液化裝置[33-34]，如圖16所示。該系統采用一臺駐波型熱聲發動機驅動一臺小孔型熱聲制冷機，諧振管長達12 mm，工作壓力為3 MPa，工作頻率為40 Hz，整機相對卡諾效率為5.75%。其中，熱聲發動機自激振蕩產生12 kW聲功傳遞給熱聲制冷機，相對卡諾效率為25%；熱聲制冷機在125 K制冷溫度下獲得了2.1 kW制冷量，為首臺熱聲驅動制冷機制冷量的400倍。該裝置可以通過燃燒60% 的天然氣液化其余40% 的天然氣，標志著熱驅動熱聲制冷技術邁入實用化的新階段。

圖16 美國Los Alamos國家實驗室提出的熱驅動熱聲天然氣液化系統

2005年，浙江大學Tang K.等[35]搭建國內首臺對稱雙駐波型熱聲低溫制冷系統。該采用雙邊駐波熱聲發動機驅動的雙向進氣型熱聲制冷機，最終獲得88.6 K最低制冷溫度。2006年，他們采用聲壓放大器作為制冷機與發動機之間的耦合機構，獲得了79.7 K最低制冷溫度[36]。2007年，他們采用一臺雙駐波型熱聲發動機驅動兩級熱聲制冷機[37]，如圖17所示。當加熱功率為2 kW、平均工作壓力為2.8 MPa 時，發動機壓比達到1.17，制冷機獲得41.2 K 的最低制冷溫度[38]。

圖17 Tang K.等提出的對稱雙駐波型熱聲低溫制冷系統

3.2 行駐波混合型熱驅動熱聲制冷機

行駐波混合型熱驅動低溫熱聲制冷機的研究工作主要集中于如何獲取最低制冷溫度。2005年，中科院理化所Dai Wei等[39]采用一臺聚能型行駐波混合型熱聲發動機驅動一臺無氣庫的慣性管型熱聲制冷機，如圖18所示。該系統獲得了68.8 K最低制冷溫度，首次突破液氮溫度。同年，浙江大學Qiu Limin等[9]采用一臺行駐波混合型熱聲發動機驅動U型熱聲制冷機，獲得了80.9 K的最低制冷溫度。

圖18 Dai Wei等提出液氮溫區熱驅動熱聲制冷機

2007年，Hu Jianying等[8]提出了“二介質耦合聲學放大器”，即一種彈性膜分隔技術，在熱聲發動機中采用氮氣作為工質以獲得較低的工作頻率和較大的壓力比，在熱聲制冷機中仍然采用氦氣以確保高效的制冷效應，系統如圖19所示。最終，他們在一臺聚能型熱聲發動機驅動的兩級熱聲制冷機上獲得了18.1 K的最低溫度，首次突破液氫溫度。2008年，Zhu Shanglong等[40]研制了一臺300 Hz雙駐波型熱驅動熱聲制冷機，在1.76 kW加熱功率下獲得了69.5 K最低制冷溫度。

圖19 Hu Jianying等提出液氫溫區熱驅動熱聲制冷機

表2列出了以追求最低制冷溫度為目標的熱驅動低溫熱聲制冷機的研究進展。由表2可知，目前熱聲驅動制冷機獲得的最低制冷溫度為18.1 K。該溫度紀錄自2007年以來一直未能得到進一步突破，其原因值得深入的思考探究。研究進展表明，目前電驅動熱聲制冷機已具備獲取液氦溫區(4 K)的能力[41-44]，因此熱聲發動機是制約熱驅動熱聲制冷機獲得更低制冷溫度的關鍵原因。若要驅動熱聲制冷機獲取更低溫區，一方面需要提高熱聲發動機的輸出壓比，另一方面需要降低工作頻率以減少回熱器損失。因此，探究高壓比、低頻率的熱聲發動機是熱驅動低溫熱聲制冷機獲取更低制冷溫度的亟待開展的方向之一。

表2 以追求最低制冷溫度為目標的國內外熱驅動低溫熱聲制冷機研究進展Tab.2 Research progress of heat-driven cryogenic thermoacoustic refrigerator aiming at the lowest cooling temperature

3.3 雙行波型熱驅動熱聲制冷機

將環保、可靠、零電耗的熱驅動熱聲制冷技術用于液化天然氣具有巨大的應用前景。圖20所示為熱聲天然氣液化系統的設想圖。該系統可以通過燃燒天然氣獲得驅動熱聲發動機的熱能，而不需要電力及其他燃料，因此能夠很好地滿足供電困難的偏遠礦區小規模非常規氣體的液化需求。雙行波型熱驅動低溫熱聲制冷機的最新研究工作主要集中于天然氣液化領域。

圖20 熱驅動熱聲天然氣液化系統

圖21 Xu Jingyuan等提出旁接型熱驅動低溫熱聲制冷機

2019年，Xu Jingyuan等[45]提出一種串接型熱驅動低溫熱聲制冷機，如圖22所示。該系統由三個熱聲發動機單元和一個熱聲制冷機單元通過諧振管串聯成環路。由于系統為非對稱結構，各級能量轉換單元聲阻抗不同，因此采用非等直徑的諧振管以實現各單元間阻抗的高效匹配與聲功傳輸。該系統可實現聲功的多級放大和集中輸出，特別適用于大功率制冷領域。同時，該系統可實現熱聲制冷機室溫端膨脹功的全部回收，其本征效率可達到卡諾效率。實驗結果表明，在最高效工況點時，系統可獲得378 W制冷量和10% 相對卡諾效率；在最大功率點時，系統可獲得670 W制冷量和8.3% 相對卡諾效率[46]。此外還考察了采用變溫加熱源時的系統性能。當#1～#3發動機的熱源溫度分別為873、773、673 K時，系統整機相對卡諾效率達9.6%，制冷溫度為150 K時可獲得607 W制冷量。因此，該系統在能量的梯級利用方面顯示出較大的發展潛力，有望在工業余熱、廢熱回收等方面獲得應用。

圖22 Xu Jingyuan等提出的串接型熱驅動低溫熱聲制冷機

表3 以天然氣液化為目標的國內外熱驅動低溫熱聲制冷機研究進展Tab.3 Research progress of heat-driven cryogenic thermoacoustic refrigerator aiming at natural gas liquefaction

4 總結與未來發展趨勢

熱驅動熱聲制冷是一種環境友好、可靠且極具應用前景的新型綠色制冷技術。系統結構簡單、制作成本低且不存在任何機械運動部件，具有低振動、高可靠性、長壽命和高潛在效率等優點。作為一種外燃式的熱機，系統可采用多種低品位能源或余熱驅動工作，熱源適應性好，零電耗。熱驅動熱聲制冷系統工作溫跨大，可實現室溫至液氫溫區下不同的制冷需求，在液化天然氣、室溫制冷、余熱/冷回收、多能聯供、太陽能利用和深冷制冷等領域具有廣闊的應用前景。本文以熱驅動熱聲制冷技術三十年來的發展為基礎，首先對熱驅動熱聲制冷原理和分類進行了介紹，然后從熱驅動室溫熱聲制冷機和熱驅動低溫熱聲制冷機兩個方面的發展進行了梳理，主要得到如下結論：

根據熱聲發動機回熱器/板疊和諧振管中壓力波動與體積流率之間的相位關系，熱驅動熱聲制冷機可以分為三類: 雙駐波型、行駐波混合型、雙行波型。其中，雙行波型熱驅動熱聲制冷機可同時實現高效熱聲轉換和聲功傳輸，具有潛在效率高、結構緊湊、功率密度大等優點，目前已成為研究的熱點。此外，通常也根據工作制冷溫區將熱驅動熱聲制冷機分類為兩類: 熱驅動室溫熱聲制冷機和熱驅動低溫熱聲制冷機。其中，熱驅動室溫熱聲制冷機工作溫區在室溫附近(約300 K)，應用背景包括空調、冰箱、冷凍柜以及卡車等移動設備上的制冷，如何提高制冷量/熱制冷效率以及如何有效利用低品位能源是該領域重要的研究方向。熱驅動低溫熱聲制冷機工作溫區在低溫溫區(<120 K)，應用背景包括天然氣液化和低溫制冷，現有的研究方向主要圍繞如何提升天然氣液化功率/效率以及如何追求更低的制冷溫度。

熱驅動室溫熱聲制冷技術今后重點研究方向為：1)探索本征高效的熱驅動熱聲制冷新流程，以實現發動機與制冷機高效的阻抗匹配和聲功回收，進一步提升熱制冷效率；2)研究新型諧振機構/回熱器，以進一步降低系統起振溫度，從而有效利用中低溫熱源。例如，氣液耦合諧振機構相對于傳統氣體諧振機構，在強化聲振蕩的同時可以降低工作頻率，有利于獲得更低的起振溫度；濕式熱聲回熱器采用可冷凝蒸氣從熱量中產生聲能，可有效降低起振溫度。這些新型諧振機構/回熱器是未來研究的重點之一；3)探究熱聲系統與太陽能熱利用/余熱回收的高效耦合方式，并考慮熱、電、冷的聯產聯供，以實現低品位能源的有效利用以及能源供給的多元化、清潔化。

熱驅動低溫熱聲制冷技術今后重點研究方向為: 1)對于以追求更低制冷溫度為目標，需要建立新型諧振機構以產生高壓比和低頻率，以實現更低的制冷溫度，擴展熱驅動制冷技術在極低溫領域的應用；2)對于以天然氣液化等大功率制冷為目標，需要開展更大功率天然氣液化溫區熱驅動熱聲制冷機的研究，以滿足實際小型天然氣液化裝置的需求。其中需要重點探究回熱器流動與溫度非均勻性問題。此外，需要進一步研制熱聲天然氣液化裝置工程樣機，將系統與燃氣加熱的方式相結合，并考慮氣體預處理、供氣、儲存、控制及消防等方面，從而進一步推進熱聲天然氣液化裝置的實用化進程。