【分　 类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 热声  制冷 
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正文：
摘要：介绍了热声制冷原理，回顾介绍了国内外近几年热声制冷工作在理论和实践方面的研究进展，并对热声制冷研究今后的发展趋势进行了展望。
关键词：热声  制冷 

Abstract:The principle of thermoacoustic refrigerator is introduced.The research and development of thermoacoustic refrigerator theories and the experimental methods are introduced at home and abroad.The development prospect of thermoacoustic theory in the future is also given in the paper.
 
Keywords:Thermoacoustic  Refrigerator
 
一、引言
热声现象于200多年前被发现，但对热声学的研究引起重视确是最近几十年的事。热声制冷的概念是在20世纪80年代初提出的，是一种新型的制冷方式，其优点在于利用热声压缩机代替常规的机械压缩机来驱动制冷机，无需使用污染环境的制冷剂，而是使用惰性气体或其混合物作为工质，因此不会导致使用的CFCs和 HFCs产生臭氧层的破坏和温室效应而危害环境；其基本机构是非常简单和可靠,无需贵重材料，成本上具有很大优势；它们无需振荡的活塞和油密封或润滑，无运动部件的特点使得其寿命大大延长。
二、热声制冷原理
首先引入热声效应的概念,热声效应就是热与声之间相互转换的现象。从声学角度来说，它是由于处于声场中的固体介质与振荡的流体之间相互作用，使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生一个时均热流，并在这个区域内产生或者吸收声功的现象。按能量转换方向的不同，热声效应可以分为两类:一是用热来产生声，即热驱动的声振荡;二是用声来产生热，即声驱动的热量传输。
热声制冷机是以声能为动力来制冷的装置。声源主要包括连接在充满气体的共振管一端的扬声器。共振管适当位置放置有许多平行流道组成的板叠和冷、热端两个换热器。扬声器使气体驻波频率维持在共振管的基频附近，声波使气体在板叠通道里压缩和膨胀形成振荡。振荡气体与板叠表面热交换进行声功泵热，系统通过板叠的冷、热端换热器与外界交换热量，其结构示意图如图1所示。

从声学角度来看，热声效应是处于声场中的固体介质与振动流体之间相互作用，使得距固体壁面一定范围内的沿着（或逆着）声波传播方向产生时均热流，并在这个区域内出现产生或吸收声功的现象。下面以驻波型热声制冷机为例简单叙述热声制冷的基本原理，如图2所示。

设气体微团在位置1时温度为T-x△T，压力为P-P1。从1到2的绝热压缩过程中，温度从T-x△T升高到T-x△T+2T1,压力从P-P1升高到P+P1。2T1和2P1分别为微团在绝热压缩过程的温升与压力变化。此时如果微团的温度高于平板温度T+x△T，则微团放热给平板（过程2~3），温度变为T+x△T。接着，微团从3绝热膨胀向4运动，到达4时温度变为T+x△T-2T1。如果此时微团温度低于平板的温度T-x△T，则微团从平板吸热（过程4~1），温度变为T-x△T，从而完成了一个热力循环，在这个循环中，微团在高压时放热后膨胀，在低压时吸热后压缩，从而吸收声波能量，将热量从低温端泵向高温端。
三、国内研究现状
在我国，研究热声制冷的主要单位有华中科技大学、中科院理化技术研究所、西安交通大学及内蒙古科技大学，我国热声制冷的研究虽然起步较晚，但发展也很快，在实验研究上有特色,但在研究经费方面略显不足。近几年主要研究如下：
2007年中国科学院理化技术研究所胡剑英,戴巍,罗二仓在脉冲管制冷机调相机构的研究中指出，在惯性管已经为脉冲管制冷机提供了所需的最佳阻抗时,双向进气不能提高脉冲管制冷机的性能,只有在惯性管没有为制冷机提供作需的最佳阻抗时,双向进气模式才能发挥积极的作用。胡鹏、李青、李正宇、李强对微型热声制冷机进行了试验研究，研制了一种复合结构的PZT声驱动器,谐振管结构中加入了渐缩锥管后空管，研制的微型热声制冷机在运行频率2.2 KHz时,平均压力从0.5MPa到2.1MPa之间进行了一系列的工况试验,得到了最大温降12.3℃,最大温差31℃,均达到同类机型目前报道的最佳性能。
2008年浙江大学制冷与低温研究所裘圆、陈国邦等研究了惯性管对热声驱动脉管制冷机性能的影响，通过选择合适的惯性管结构参数，在加热功率1.8kw条件下，脉管制冷机的无负荷制冷沮度达到63.0K.汤珂、黄忠杰、林小钢、项靖麒、陈国邦研究了40 K温区驻波型热声驱动两级脉管的制冷特性，研制了1台高频两级脉管制冷机与驻波型热声发动机相匹配。加热功率为2.0kW,平均工作压力为2.8MPa时,压力波振幅和压比分别达到0.223 MPa和1.174,获得41.2K的制冷温度。
2008年西安交大黄竞、何雅玲、李茹对热声制冷机板叠内流动与换热进行了数值分析，采用基于压力修正算法的可压缩交变流动程序，分析了最佳板叠厚度使得冷热端的温差达到最大。
四、国外研究现状
上世纪90年代美国海军研究生院Garrett教授建造的两台喇叭声驱动的制冷机系统于1992年用于“发现号”航天器上红外传感器的制冷，其设计热声板叠两端达到80K 温差，4W 的制冷量。近几年Garrett教授开发了用于驱动冰淇淋柜的热声制冷机。该制冷机在谐振腔频率100Hz, 使用He气体工质，10 个大气压工作条件下，能达到-4F℃，即-20℃的制冷温度。其性能和效率与传统使用制冷剂的装置相当。使热声制冷技术的研究已走向商业应用。
最近两年各国的实验室研究成果主要如下：
2006年法国国家科研中心制作了一台能调节驻波比率的热声谐振装置，可以简单和独立的控制声压场和质点速度场，通过优化板叠区域的声场研究，找到诸如温度梯度、传热性能和传热系数最佳匹配关系，以达到热声制冷系统性能的优化。
2007年美国普渡大学用DELTAE程序模拟双驻波热声制冷机配置以找到板叠冷热端换热器温差的最佳跨度，以使传热系数增大，研究发现当冷热端换热器温差达到80℃时为最佳跨度。研究结果和能耗显示系统效率适宜于制冷机，但对空调和低温冷却效果不好。
2007年美国南伊利诺伊大学对热声传热和系统结构进行实验研究，研究揭示了传热系数、平均压力和振动频率之间的关系，当热声系统在一个合适的振动频率下，平均压力越大，传热系数越大，所以在提高传热系数的同时，要合理的考虑板叠结构。
2008年荷兰能源研究中心制作了一台同轴热声斯特林制冷机，由直线电机产生声功率驱动，通过再生器将热量从冷端换热器泵给环境，测得性能系数达到卡诺效率的25%，温度达到零下54℃的低温。
五、未来应用及发展展望
通过对近几年国内外最新研究状况的可以看出，热声理论与实验同步进行，进展喜人。今后在应用上范围将有所扩大，特别在高频微型热声制冷方面，随着微电子技术的进步，微电子元件和系统的散热问题已成为了制约其发展的主要障碍。而热声制冷因环保，结构简单，无可动部件或少有的可动部件（如压电晶片）、工作频率范围的可选择性使其易于高频微型化，且适于与微电子芯片和系统界面相结合等独特的优点，使其在芯片和微电子电路系统的热量管理中十分有应用前景。最近几年，国外正在开发微型的热声制冷装置，利用压电驱动器，来驱动与微制造结合的热声元件和谐振腔，应用于微电子芯片和微电子电路系统的散热冷却。美国Utal大学进行了深入的研究，2004年已开发了大小在4cm，4.5kHz 的高频热声制冷机样机，使用的是一个大气压的空气工质，压电喇叭作为声驱动器，制冷温差能达到11℃。而这仅仅只是一个实验样机，还有许多改进的空间，如使用其它惰性气体、提高工质的均压、使用其它工质，以及改进谐振腔形状等均可进一步改善系统性能系数。要用于芯片的散热，频率还需进一步提高。频率可在 4～25 kHz范围，如进入超声的频段，制冷机的尺寸可接近芯片的尺寸。

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