热声制冷机研究现状及发展

学号：011020118

姓名：欧阳维波

2013年12月7日

南京航空航天大学

当前的制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。可以说，现代技术进步离开了制冷技术发展是不可想象的。

除了在制冷剂方面的进展，在新的制冷理论及实践方面也有许多进展，如热声制冷技术的研究和运用。

热声现象早在200多年前就已经被发现,然而热声学研究的繁荣却只是最近50年的事。N.R o t t首次对热声现象进行的定量分析是现代热声学研究中一大里程碑式的成就大大激起了人们从事热声研究的兴趣。尤其在最近20年热声现象在制冷领域的应用成了一大热点这是由于热声制冷机和热声机驱动的脉管制冷机具有结构简单、振动部件少和运行寿命长等优点此外它们使用的无公害工质如惰性气体等也是同制冷技术中禁用CFCs和H C F C s的趋势相一致的；同时，热声机械采用热能（燃气、太阳能等）驱动。它的应用将为合理利用低品位能源、提高系统的热力效率开辟新的途径，因而在空间技术、电子器件冷却，乃至家用领域存在巨大的应用潜力。热声制冷作为21世纪以来发展的一种新的制冷技术，与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比，热声热机具有无可比拟的优势：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或HFCS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，成本上具有很大的优势；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。热声制冷技术几乎克服了传统制冷系统的缺点，可成为下一

代制冷新技术的发展方向。

所有的热声产品的工作原理都基于所谓的热声效应，热声效应机理可以简单的描述为在声波稠密时加入热量，在声波稀疏时排出热量，则声波得到加强；反之声波稠密时排出热量，在声波稀疏时吸入热量，则声波得到削弱。当然，实际的热声理论远比这复杂的多。

当然，热声制冷的设计水平及制造工艺也在不断的提高。目前，美国在热声领域内的投入最大，研究机构最多，取得了许多突破性的进展。

如上世纪90年代早期，美国海军研究生院（NPS）的Garrett教授开发的热声制冷机；2000年左右，开发了太阳能驱动的热声制冷机；还有在美国LOS Alamos国家实验室（LANL），SWIFT教授领导着世界著名的热声研究组，他们主要研发的热声驱动的脉管制冷（低温制冷）；另外还有开式热声制冷和空调、高频微型热声机制冷以及还在研发中的种种技术。

热声技术的应用是相当丰富的，热声能量转换技术将会给包括制冷工业在内的整个能源工业带来很大的影响，它的简单、环保、节能高效的特性符合当今时代的需要，当然就目前的现状而言，由于设计水平远没有达到最优化的程度，材料的选择及制造技术都还在完善之中，而普通的制冷系统经过上百年的发展和改进，热声制冷的单件成本会高于普通传统制冷装置，但随着材料的选择和制造工业艺的日趋成熟，可以肯定热声制冷机会具有极大的成本优势。

热声热机( 制冷机) 用热声谐振取代机械压缩，使得热机( 制冷

机) 有可能变成无运动部件的换能器，热功转换过程的频率大大提高，能源技术将有一个质的飞跃．热声装置的工程研究分别沿着两个方向发展．一是高频率小型化，其重量和尺寸将主要取决于微机械加工工艺( MEMS) 的水平; 二是大振幅行波热声与热气机相结合，构建大型能量转换平台．为深入探寻热声机理，促进学科发展，以及为热声装置的设计、调相、运行参数等: 热声理论的研究进展5择等提供指导，未来几年可能会在如下几个方面形成理论研究的热点．a．热声自激振荡来源于系统的非线性特征．随着各种结构的高频大振幅热声装置的不断推

出，非线性热声理论必将成为研究重点之一，构建一个描述热声系统的非线性动力学理论并形成与之相应的计算方法势在必行．

b．以时变率相似分析方法为基础，把特征时间作为评价热声系统性能的重要指标来深入研

究．在热声装置的启振或运行过程中，系统的特征时间起着何种作用? 是否存在最优的特征时间?这些都需要在理论和实验两个方面来尝试或探寻．

c．采用“相空间重构”、“时序分析”、“网络分析”、“有限时间热力学”等综合分析方法，利用Delta －EC、CFD、格子气等计算程序，对各种热声系统进行动态分析和模拟．

d．把热声系统作为大自然复杂系统的自组织历程的一部分，利用复杂系统的形态( Pattern) 动力学观点，来揭示热声自激振荡的本质，从而促进工程热物理学科的发展; 结合道家哲学来探究热声耦合的

自然本源，例如，道家的“刚”对应热声中的“流感”，道家的“柔”对应热声中的“流容”，而“刚柔相济”显然就是“谐振”．热声学是一门跨学科的科学，无论是理论研究还是工程化研究都极具挑战性．它像一个极具生命潜质，又带有众多疑问的魔夹，以它特有的魅力吸引着人们不断地探索和研究．

由美国国防部高级计划研究局主持的HERETIC(Heat Removal by

Thermo-integrated Circuits)计划，从1999 年开始对与电子芯片一体化封装的微型制冷器进行研究。目的是发展用于高性能的电子和光电子器件的制冷技术或设备。HERETIC 计划中的热声子项目主要研究机构有美国诺克维尔科学中心(Rockwell Science Center)、犹他州立大学(University of Utah)、NASA GlennResearch Center 研究中心等部门。

美国犹他州立大学声学中心承担了HERETIC 计划中的“Integration ofThermoacoustic Coling Devices with Micro—electronic Circuits for HeatRemoval”子项目，其目的是把热声冷却设备与微电路集成化。研制出了系统尺寸从 4.0～0.8cm 各种规格样机，如图1.18 所示该项目论证了这种微结构尺寸下的热声设备与电路结合在计算机和电子设备中热管理有效性。其目标是：(1)微型热声设备用于集成电路热管理的理论论证；(2)建立芯片尺寸意义上的微型热声制冷机；

(3)把样机应用于微电路。

犹他州立大学的研究目前已经将运行范围提升到了20Khz 以上，但是尚未有产生了可观的制冷量和制冷温差的报道，从已有的文献看