热声制冷

前景展望
电子冷却
液化天然气系统的研制 太阳能，废热等低品位能源的利用 冰箱、空调、发电领域
热声制冷目前的研究现状
国内对扬声器驱动热声制冷机的研究起步较晚。
同济大学1995年前后搭建的热声能量转换验证装置，获得了 近10ºC的温降。
浙江大学于 1998 年研制的一台扬声器驱动热声制冷机获得 了12ºC的温降。经过改进后的制冷机取得了27ºC的温降。 华中科技大学的涂虬等人也对扬声器驱动热声制冷机进行了 试验研究。
热声制冷目前的研究现状
2005 年，中国科学院的罗二仓等人研制了一台双行波斯特林循 环热声制冷机。
热机系统运行压力为3.0Mpa，运行频率为57.7Hz，输入了2.2kW 的能量。制冷机最低温度达到了-65℃，在-20℃的温度下，产生 了250W的冷量，而在0℃可以获得405W的冷量。
2006，成功了一台聚能型发动 机驱动的二级脉冲管制冷机， 获得了18.3K的最低温度。 这是目前采用热声驱动的脉冲 管制冷机所取得了最低温度。
热声制冷目前的研究现状
1992 年随空间穿梭机“发现号”进入太空的空间用热声制冷机 由宾夕法尼亚州立大学的S.Garret和Adeff等人在 Holfer 热声 制冷机的基础上研制成功。 该制冷机采用700W的电池做为驱动电源，系统运行频率为400Hz， 获得了118K的无负载最低制冷温度。
在50K的温度下，获得了3W的制冷 量。
热声制冷原理
热声效应
热
声
热声制冷原理
热声制冷机
热声制冷原理
热声制冷目前的研究现状
最早的热声制冷机样机由Swift在1988 年进行了报道。
驱动部分采用热声发动机进行驱动。
当输入160W时，加热器温度达到400℃， 此时制冷端温度降至0℃以下。 当系统的输入功率为380W时，最低制 冷温度可达-11℃，而在-6℃时的制冷 量有10W。
热声制冷
一 背景 二 热声制冷原理 三 热声制冷目前的研究现状 四 热声制冷未来发展趋势
背景 常规制冷机的缺点
常规的机械低温制冷机存在压缩机和排出器，他们是影 响制冷机长期可靠运行的主要障碍。 ②常规制冷机需要高度密封的条件，这会使成本大大提高。 ③在常规制冷机中，制冷剂的发展遇到了瓶颈。
背景
与常规制冷相比，热声制冷所具有的优势
① 没有运动部件，气体活塞取代了常规的机械活塞，消除了 机械振动带来的各种问题。 ② 它可以采用低品位的热能驱动，如太阳能，工厂排放热等， 对那些缺乏电能的场合提供了解决能源危机的一个方案。 ③ 采用对环境无害的惰性气体作为工质，常用的有氦气、氮 气等。
背景
④ 结构简单，所用材料容易获得，并不需要高精度的密封条 件。 ⑤ 通过提高系统的频率，可以使热声机械微型化，用于芯片， 电子冷却等行业。
热声制冷目前的研究现状
2000年，美国海军研究生院研制了一台太阳能驱动的热声制冷机。 太阳能把发动机的热端加热到475℃，利用发动机产生的声波来驱 动热声制冷机。最终得到了2.5W的冷量，此时冷端温度为5℃，冷 热源温差为18℃。
这次尝试开拓了太阳能应用于热声领域的探索，以及对各种低品 味能源的利用也是一个启示。
热声制冷目前的研究现状
世界上第一台热声制冷机就是采用电动式扬 声器驱动，由 Holfer在1986年完成。驱动 部分采用电动式扬声器。
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最大输入功率为100W ，在650Hz的时候能够 得到最大10W左右的声功输出。
实际制冷机的工作频率为 500Hz，在热端保 持293K的环境温度下，获得了193K的最低制 冷温度。
热声制冷目前的研究现状
取得突破性进展的是荷兰的M.E.H.Tijani，他创造性的在扬声器 后面设计了一个容积可变的气体弹簧。通过调整气体的容积，使 扬声器的谐振频率与制冷机的谐振频率相匹配，获得了35%的电 声转换效率，所驱动的热声制冷机获得了-65 ºC的温度。这一设 计极大的推动了声驱动制冷机的发展。
热声制冷目前的研究现状
实际上制约扬声器在热声制冷机上应用的瓶颈是扬声器驱动热 声制冷机的电声转换效率较低，普通的商用扬声器的电声转换 效率仅为3-5%，所以如何提高扬声器的转换效率是声驱动热声 制冷机急需解决的首要问题。 1995年，世界上第一台专门用于热声制冷机的扬声器由S.Garr et和G.W.Swif热声研究小组研制成功，该扬声器成功应用于一 台热声生命科学制冷机。用于冷却海军舰船上电子系统。 该制冷机获得的最大制冷量为419W,此时扬声器的输入电功为 450W,输出的声功为216W，电声转换效率高达48%，并且扬声器 的电声转换效率最高可达80%。