串列热驱热声制冷机的发展

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1、串列热驱热声制冷机的发展胡忠军，李正宇，李青，周刚，李强（中国科学院理化技术研究所，北京，100190）摘要：分析了串列热驱热声制冷机的工作机理，包括全波长二阶谐振机理及其控制措施、驻波级和行波级高效热声转换的工作机理以及驻波级热声制冷单元回收行波级膨胀功方式和特点。关键词：热声制冷机;谐振频率;驻波;行波DevelopmentofthetandemthermoacousticrefrigeratorZhongJunHu，ZhengYuLi，QingLi，GangZhou，QiangLi(TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,CAS,Bei

2、jing,100190)Abstract：Theworkingmechanismofthetandemthermoacousticrefrigeratordrivenbyheatwasanalyzed.Thefull-wavelengthresonancewouldbeexcitedintandemthermoacousticrefrigerators.Howtocontrolthissecond-orderresonantmodewasdiscussed.Thethermoacousticconversioninstanding-waveandtraveling-wavether

3、moacousticunitswouldbemuchmoreeffectivethanthatinconventionalstanding-wavethermoacousticengines.Therecoveryoftheexpansionpowerbyastanding-wavethermoacousticunitwasstudied.Keywords:Thermoacousticrefrigerator,Resonantfrequency,Standing-wave,Traveling-wave1引言收稿日期：2009-08-20作者简介：胡忠军（1977-），男，助理研究员

4、，研究方向为热声技术、低温工程。本项目获国家自然科学基金（10804114）资助热声制冷机简单、环保和节能的特性符合可持续发展的需要，是当前制冷技术领域的研究前沿和热点之一。早期电声驱动的驻波型热声制冷机，依赖于气固二元工质间的不可逆传热过程工作，其热效率的提高受到限制，-20℃下的制冷系数（COP）通常仅为0.6左右，是传统蒸汽压缩式制冷的20％～30％。随着对太阳能和各种低品位热能的开发利用，热源驱动的热声制冷机近年来得到了迅速发展。这种热驱热声制冷机，先通过热声发动机实现热能向声能的转换，在热声制冷单元进一步利用声能实现热量由低温向室温的泵送。美国海军研究生院的Holfler

5、等1996年研制的普冷温区驻波型热驱热声制冷机该机获得了0.56的COP[1]。1999年由美国LosAlamos国家实验室建立的一种新型的可实现声功回收的脉管型制冷机属于行波型热声制冷机的范畴，在0oC时获得了1左右的COP[2]。2002年，日本T.Yazaki等人报道了所谓的“无活塞型斯特林制冷机”，该热声驱动的热声制冷机利用了环行闭合回路获得了-27oC最低温度[3]。2006年中科院理化所罗二仓等研制的双环形圈型行波热声制冷机，单纯行波制冷机的COP在-22℃达到了1.8，整机COP达到0.11[4]。回顾高效行波热驱热声制冷的发展，早期研究集中在以热声发动机代替脉冲管制

6、冷机的压缩机。由于脉冲管制冷的理论制冷系数是冷端温度与环境温度绝对温度之比，在低温工况下接近卡诺制冷系数，但在普冷制冷范围内远低于卡诺制冷系数，制冷功率密度也不大。后来逐渐发展起来的环形行波型热声制冷机总是难以克服声直流损失的问题，热声发动机和行波制冷机之间的匹配也影响系统效率的提高，有时存在严重的大马拉小车现象，制约了其在工程的广泛应用。为提高实际功率密度和制冷系数，在研究级联型热声热机的基础上[5]，新近发展了一种新串列热驱热声制冷机[6,7]。2工作机理热驱热声制冷机一个突出的问题就是热声发动机单元与热声制冷机单元之间衔接方式及其阻抗匹配的问题。串列热声制冷系统就是通过构造出

7、全波长谐振系统实现声功在发动机和制冷机之间的有效传输。串列热声制冷系统可看作级联型热声发动机和级联型热声制冷机前后串列协同工作的系统，即在一个全波长谐振器内依次布置级联型热声发动机单元（热声源）和热声制冷机单元（热声负载）。热声源和热声负载之间互为调相机构，代替了部分为维持声场特征而必须附加的高耗功谐振结构，可解决热声发动机与热声制冷机之间的阻抗匹配失调问题。计算表明，理论上串列式热声制冷可达到传统蒸汽压缩式制冷的效率。2.1谐振器全波长谐振机理和二阶谐振模态的实现条