热声制冷

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。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.Garret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%。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-65ºC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。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