不用压缩机和制冷剂，“热声制冷”到底是什么新技术？

科技 2024-12-30 17:27 陕西

声制冷，是利用热声效应的一种制冷方法。热声效应（thermoacousticeffect）是指可压缩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。声能是一种振荡形式的能量，声波在空气中传播时会产生压力的波动和位移的波动，还会引起温度的波动。

当声波所引起的压力、位移、温度波动作用到固体边界时，就会发生明显的声波能量与热能的相互转换，这就是热声效应。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。

可产生热声效应的流体介质必须具备的特性是：具有可压缩性、热膨胀系数较大、普朗特数小。此外，对于要求制冷温差大、能量流密度较小的场合，流体比热容要小；对于要求制冷温差小、能量流密度较大的场合，流体比热容要大。因此，低温制冷领域，声制冷的适宜流体是理想气体，如空气、氦气，特别是氦气；普通制冷温度领域，声制冷的适宜流体为处于近临界区的液体，如CO₂，碳氢化合物等。

声制冷机的基本结构

上图是一个声制冷机的基本组成。它包括声源、第一介质、第二介质和声共振管。声源可以是一个低频活塞式声发生器，或者是经过改装的中频扬声器。要求声源能在1.0MPa 以上的压力下工作，并能产生35kPa（185dB）以上的交变压强。

声源还是一个热汇。第一介质使用热膨胀性较大的可压缩流体，比如 ⁴He，工作压力为1.0MPa 或更高。第二介质是声制冷机的最重要部件，对它的要求是热附面层厚度大、热容量大、纵向热传导率小。通常是靠特殊的几何结构来实现这些要求，如不锈钢薄片或塑料布叠层结构。声共振管的作用是在其内部建立起声驻波场，这样声源的输出功率不要太大，而波腹处的声压级却可以很高。

图中声功自左至右传播并消耗，回热器中热量由冷端换热器侧泵送到室温换热器侧，从而在冷端换热器侧实现制冷。每一气体微团经历压缩、放热、膨胀以及吸热等完整的声致冷循环过程:

1)气体微团向室温侧运动，温度升高，压力增大;

2)气体微团温度高于回热器温度，对回热器放热;

3)气体微团向低温侧运动，温度降低，压力减小;

4)气体微团温度低于回热器温度，从回热器吸热。

通过声功的消耗，众多气体微团彼此经过接力式的热量传输,逐步将热量从回热器的低温端转移至高温端，从而实现制冷功能。

声制冷的微元循环过程

下图描述出声制冷的微元循环过程中,气团运动与变形（图a）以及分别在T -S 图（图b）和p -V 图（图c）上表示出的热力状态变化。图a中，代表第二介质的一小块短板与代表第一介质的小气团之间发生相互作用。

平均温度和平均压力分别为T _m，p _m的气团受声波作用，向右快速运动，绝热压缩，移动了x ₁，同时吸收外功dW ，温度和压力升高到(T_m +T ₁)和 ( p_m+ p ₁)（图中过程 1）；这时由于气团的温度高于短板的平均温度，在 ( p_m+ p ₁) 压力下向短板定压放热 dQ , 温度降到(T_m+T ₁－δT₁)（过程 2）；然后，气团又在声波作用下膨胀，向左快速运动，移动了-x₁，膨胀后气团的压力、温度降低到p_m、(T _m－δT₂ )，同时对外作功 dW’（过程 3）；接着低温气团在低压下从短板定压吸热dQ’，压力、温度恢复到 p_m、T_m（过程 4），于是气团完成一个循环过程。

板在过程2吸收热量，并不传导热量，仅起存贮热量的作用，存贮在这里的热量dQ 将在下一个周期被当前气团右边的气团继续向右转移。如果不考虑任何机理的能量损耗, dQ = dQ’, dW = dW’。于是，这样每完成一个循环，净作用是热量 dφ 从高压处被转移到低压处。通常，δT 和 d Q 都是微小量。因此，要利用此原理制冷的话，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。就是说，第二介质的整体长度和宽度都必须足够大。

声制冷机的研究和开发兴起于 20 世纪８０年代。首先开展这方面工作的主要有美国LosAlamos 实验室及美国海军研究院。当前，声制冷原理已用于红外传感、雷达及其它低温电子器件的降温。低温电子器件的制冷问题与常规民用制冷相比，有自己的独特之处，它要求制冷温度低（-５０～-２００）℃,但制冷量不大。要求制冷机的机械振动小，可靠性高和小型轻量化。声制冷装置的特点恰好能适应这些方面的要求。因此可以期望声制冷技术在低温电子学器件制冷方面有好的应用前景。

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