声制冷的基本原理

目前的电冰箱及空调器所使用的制冷技术多为通过压缩机由制冷剂制冷。长期以来得到广泛应用的制冷剂是氟利昂，它被称为电冰箱和空调器中不可缺少的“血液”，但近年来人们发现由于全世界大量使用氟利昂已使地球臭氧层变得稀薄，温室效应太阳益明显，人类赖以生存的生态环境受到严重的危害。国际上已制定了控制氟利昂使用的“蒙特利尔议定书”。一些国家相继宣布，到本世纪末，将全部停止氟利昂的使用。因此，制冷技术科技界将面临两条途径：一是寻求氟利昂的替代物，这方面国内外正在进行大量的试验研究工作。就目前情况看，这些替代物并不十分理想，例如它的制冷效率以及和润滑油的兼容性并不理想，而且这些替代物是否对人类生存环境绝对无害，还要经历很长时间的考验，才能下定论；另一条途径则是广泛地开发新的制冷技术。在此情况下，声制冷技术是值得关注和研究的课题之一。

1 声制冷原理

所谓声制冷，即利用声能达到热量从冷端转移到热端的一门技术。在热力学中，最基本的热机有两类：发动机和制冷机。发动机将从高温热源吸收的热量部分转化为机械能输出，并向低温热源释放热量。制冷机则消耗外界提供的功，由低温热源泵热，并向高温热源释放热量。这里它没有对热机中功的形式加以限制，它可以是机械能形式的功，也可以是电功，磁功等。声能是一种振荡形式的能量，如果能够实现热能与声能的相互转化并与外界热源的热量交换，即可制成声发动机和声制冷机。利用热声效应可以实现声能与热能的相互转化以及与外热源的热量交换。

1.1 热声效应

热声效应是指可压缩的流体的声振荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的时均能量效应。可产生热声效应的流体介质必须有可压缩性、较大的热膨胀系数、小的普朗特数，而且对于要求较大温差，较小能量流密度的场合，流体比热要小，对于要求较小温差，较大能量流密度的场合，流体比热要大。因此，理想气体如空气、氦气，特别是氦气，适用于较大温差，较小能量流密度的场合；在近临界区的简单液体，如CO2，简单的碳氢化合物CmHm等，适用于较小温差，较大能量流密度的场合。显然，后者适用于家用电器的制冷。

其实，在我们的太阳常生活中，存在着大量的“热声效应”(1)。例如，在讲演者周围建立起的声场中，声波在空气介质中传播，会引起压强与位移的变化。而压强与位移的变化又会导致气体介质的温度振荡，这些变化与振荡以及它们与周围固体边界发生相互作用就会产生热声效应。但是这里由热声效应引起的局部温度振荡和热流的量都很小，前者约为10-4℃，后者约为10-8w/m2，所以人们不易感觉得到，更无法加以利用了。其中主要原因是由于声源的能量较小，如果声源的

图1 共振型热声制冷机的工作原理

图2 驻波热声制冷机

图3 行波热声制冷机

图4 Stirling制冷机

能量有足够大，那么由热声效应引起的温度振荡和热流也就相当可观了。下面的实例就能说明这一点，房间内的高声谈话，在相距1m处的声压级约为68～74dB；蒸汽机车在5m处的声压级约为110dB；飞机强力发动机在相距5m处的声压级约为140dB，它的声功率约为104w。如果能有如此之大功率的声源，就很有必要利用热声效应进行转换了。

从能量转换角度，可以将热声效应分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡，二是用声来产生热流，即声驱动的热传输。对应这两类热声效应制成的热机也分为两类：热声发动机和热声制冷机(简称声制冷机)。

1.2 声制冷的基本原理

热声发动机和热声制冷机都是利用热声效应制成的热机。现以共振热声制冷机为例，说明其工作原理(见图1)。

由图1(a)可知，它是由声源和声共振器构成。声源S可以是低频活塞式声发生器或改装的中频扬声器，它的作用是实现声功的输入。声共振器里又包括热声管组、热端热交换器、冷端热交换器和气体介质。冷端热交换器从外界热源吸收热量，实现热量的输入。热端热交换器向外界热源释放热量，实现热量的输出。热声管组实现声功和热量的相互转换。声共振器是为了在内部建立起声驻波场，这样声源输出功率虽不太大，但波腹处的声压级却很高。

首先，声源发出声音在气体介质中传播时产生声压，声压引起了气体介质的绝热压缩或绝热膨胀(即与外界无热量交换的压缩和膨胀)。这样，会导致气体温度变化，然后与管组发生热交换。图1(b)所示，右边气团因声波作用发生绝热膨胀时，内能减少，温度降低，此时右边气团温度低于当时与之*近的管组温度，因此右边气团从管组得到能量。同时左边气团发生绝热压缩，内能增加，温度升高，因此左边位置的气团会将热量传递给与之*近的管组。这样，在一个声波周期内，气团就使热量沿管组从右边移到左边，通常一个气团和温度变化及其转移的热量都是微量。因此，必须有一系列的气团，以合适的相位接力式地工作，才能将足够的热量泵向声压波腹处而产生显著的热声效应。这样就要求热声管组的整体长度和宽度都必须足够大，才能沿管组方向产生定向热流，使热由低温端泵到高温端，使低温端得以制冷。

2 声制冷机的类型

2.1 共振型声制冷机

共振型声制冷机又分为共振型驻波声制冷机和共振型行波声制冷机。

共振型驻波声制冷机是在美国Los Alamos国家实验室，由低温物理专家Wheatlay领导的小组，在1986年研制成功的。它以Rott和Thomann关于驻波声场的热声理论为指导，利用在管内产生的接近共振的驻波声场来产生热声效应进行工作。如图2所示，它的声源是一个声发生器，声发生器提供动力产生声振动。声共振器的终端是一个共振球体，这样可使在热声管组末端的冷端热交换器处的阻抗为零(使质点速度最大)，因而在热声管组中产生声驻波。这种制冷机只有一个运动部件，即声发生器。它能达到的最低温度为198K，在246K时制冷量为3W，性能系数为卡诺循环的12%。

共振型行波声制冷机是美国麻省理工大学的Ceperley于1979年提出的。它包括声发生器、室温热端热交换器、热声管组、冷端热交换器及行波声导管。如图3所示，这些部件构成一个行波回路，而回路的长度正好应为一个声波长。声发生器提供动力产生声振荡。在声回路中产生接近共振的行波声场。冷端热交换器从低温热源吸收能量，热量由热声管组消耗声功从低温端泵向高温端，热端交换器将热声管组来的热流释放给环境。这种声制冷机也只有一个运动部件，即声发生器。

2.2 回热式声制冷机

Stirling声制冷机是回热式声制冷机的典型。

图5 脉冲管制冷机