摘要：以熱聲效應(yīng)為工作原理的脈管制冷機(jī)，在從室溫轉(zhuǎn)變到低溫的過程中，完全去除機(jī)械運(yùn)動部件，很自然就擁有了結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)。這一新型機(jī)械以燃?xì)?、太陽能、廢熱等低品位能源為驅(qū)動源，并采用氦、氬、氮等氣體為工作介質(zhì)，避免了環(huán)境污染，完全順應(yīng)當(dāng)前環(huán)保制冷發(fā)展的‘綠色’趨勢。 
 
    關(guān)鍵詞：脈管制冷機(jī) 熱聲制冷機(jī) 熱聲發(fā)動機(jī) 熱聲學(xué) 

    陳國邦 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所原所長，教授、博導(dǎo)；現(xiàn)任國際制冷學(xué)會?ＩＩＲ?Ａ２委員會副主席，國際低溫制冷機(jī)委員會?ＩＣＣ?委員等職。 

  “以熱聲效應(yīng)為工作原理的脈管制冷機(jī)，在從室溫轉(zhuǎn)變到低溫的過程中，完全去除機(jī)械運(yùn)動部件，很自然就擁有了結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)。這一新型機(jī)械以燃?xì)?、太陽能、廢熱等低品位能源為驅(qū)動源，并采用氦、氬、氮等氣體為工作介質(zhì)，避免了環(huán)境污染，完全順應(yīng)當(dāng)前環(huán)保制冷發(fā)展的‘綠色’趨勢?！?nbsp;

    浙江大學(xué)陳國邦教授表示，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、空間技術(shù)以及軍事工程等都對低溫制冷機(jī)的可靠性和壽命提出了很高的要求，而高效率熱聲發(fā)動機(jī)的問世，給長壽命低溫制冷機(jī)的研究和發(fā)展指出了新路。這場“動力機(jī)械發(fā)展史上的革命”，必將以其“無運(yùn)動部件”的突出特點(diǎn)，一舉改變?nèi)藗儗恿C(jī)械的傳統(tǒng)觀念。 

    就熱聲學(xué)的發(fā)展歷史、熱聲發(fā)動機(jī)及其驅(qū)動脈管制冷機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)、熱聲學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究的最新進(jìn)展與典型樣機(jī)以及這一研究領(lǐng)域今后的發(fā)展方向和工業(yè)應(yīng)用前景等問題，陳國邦接受了本報(bào)記者的采訪。 

  200年“循序漸進(jìn)

    陳國邦教授介紹，美國洛斯－阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ，于1999年在《自然》上發(fā)表論文報(bào)道制成一臺熱聲斯特林發(fā)動機(jī)，熱效率高達(dá)0．30，完全可以同內(nèi)燃機(jī)和傳統(tǒng)的活塞式斯特林發(fā)動機(jī)相媲美，從而使熱聲機(jī)械有望真正成為21世紀(jì)沒有運(yùn)動部件的動力機(jī)械“新貴”。但這一突破性進(jìn)展并不“神奇”，其取得實(shí)際上源自200多年來熱聲學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)步發(fā)展。
 
    他認(rèn)為，作為熱聲機(jī)械基本工作原理的“熱聲效應(yīng)”，簡單地說就是熱能與聲能之間相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。從聲學(xué)角度講，則是由處于聲場中的固體介質(zhì)與振蕩流體之間的相互作用，導(dǎo)致在距固體壁面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生定向的時均熱流和時均功流。按能量轉(zhuǎn)換方向的不同，又分為從熱能轉(zhuǎn)換為聲功的“熱聲發(fā)動機(jī)”和由聲能轉(zhuǎn)換為熱能的“熱聲制冷機(jī)”。 

    人們開始熱聲效應(yīng)的探索之旅，其實(shí)源于相當(dāng)偶然的一些發(fā)現(xiàn)。陳國邦介紹，早在1777年，Ｂｙｒｏｎ Ｈｉｇｇｉｎｓ就在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，將氫火焰放在兩端開口的垂直管的適當(dāng)位置，管中會激發(fā)出聲音。吹玻璃工人則發(fā)現(xiàn)當(dāng)將一個玻璃球連接到一根中空玻璃管上時，管子的尖端處有時會發(fā)出聲音。善于創(chuàng)造的人類由此開發(fā)捉摸：好有意思的“加熱發(fā)聲”現(xiàn)象，能不能用它做些有用的事呢？ 

    隨后的19世紀(jì)50年代，駐波型和行波型熱聲機(jī)械的雛形“Ｓｏｎｄｈａｕｓｓ管”和“Ｒｉｊｋｅ管”相繼問世。1962年，美國科學(xué)家Ｃａｒｔｅｒ和同事一起研制出世界上第一臺有顯著聲功輸出的駐波型熱聲發(fā)動機(jī)，以600Ｗ的加熱功率獲得了27Ｗ的聲功率，熱聲機(jī)械研究進(jìn)入了實(shí)用階段。而熱聲學(xué)的相關(guān)理論研究，也從1868年開始迅速發(fā)展起來。1969～1983年間，瑞士蘇黎士聯(lián)邦技術(shù)研究所的Ｎ． Ｒｏｔｔ提出熱聲振蕩定量理論，最終奠定現(xiàn)代線性熱聲理論的基礎(chǔ)。熱聲學(xué)的理論和實(shí)踐研究終于蓬勃發(fā)展起來。 

  眾樣機(jī)“水到渠成”
 
  “正是相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究的持續(xù)深入，促成了眾多熱聲發(fā)動機(jī)及其驅(qū)動脈管制冷機(jī)樣機(jī)性能的不斷提高，‘低品位能源驅(qū)動’、‘無運(yùn)動部件機(jī)械’的概念正逐漸變成現(xiàn)實(shí)?！标悋罱淌谡f，熱聲驅(qū)動脈管制冷技術(shù)已成為當(dāng)前制冷與低溫領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它在車用清潔發(fā)動機(jī)燃料、天然氣和石油氣的液化及分離、掩埋式垃圾場可燃性氣體回收利用以及普通制冷和空調(diào)等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景日益明朗化。
 
    眾多有代表意義的樣機(jī)相繼出現(xiàn)，首先基于近20年內(nèi)相關(guān)理論上的突破。1988年，Ｓｗｉｆｔ等人在之前理論的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地闡述了線性熱聲理論，并在后續(xù)研究工作中對其進(jìn)行了發(fā)展和完善。這一理論假設(shè)振動的壓力、速度等參數(shù)均隨時間按正弦規(guī)律變化，簡化了相關(guān)的動量和能量方程，提高了線性熱聲理論模擬和熱聲機(jī)械設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，對于推廣線性熱聲理論的工程應(yīng)用具有重要意義。由于線性熱聲理論表達(dá)熱聲轉(zhuǎn)換過程的物理機(jī)制不夠清晰，最近10年來非線性熱聲理論也開始起步發(fā)展并逐步完善。
 
    當(dāng)然，里程碑式熱聲樣機(jī)的出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)研究者的努力更加功不可沒。20世紀(jì)80年代，美國洛斯－阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室制成一臺駐波型熱聲發(fā)動機(jī)，諧振管內(nèi)徑127毫米，長4．32米，熱效率為9％。1998年，美國Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ Ｓｔａｔｅ大學(xué)的Ｃｈｅｎ和Ｇａｒｒｅｔｔ建成世界上第一臺太陽能驅(qū)動的駐波型熱聲發(fā)動機(jī)，驗(yàn)證了熱聲發(fā)動機(jī)以太陽能作為驅(qū)動源的可行性。在國內(nèi)，陳國邦等人所開展的駐波型熱聲發(fā)動機(jī)研究較具代表性，在一系列實(shí)踐和理論進(jìn)展的基礎(chǔ)上，具備了制造驅(qū)動斯特林型脈管制冷機(jī)的能力。
 
    同時，首臺環(huán)路行波型熱聲發(fā)動機(jī)于1998年問世，但由于工作氣體振動速度較大，限制了發(fā)動機(jī)效率的持續(xù)提高。1999年，Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ設(shè)計(jì)制作新型行波熱聲發(fā)動機(jī)“熱聲斯特林發(fā)動機(jī)”，使相同壓力振幅條件下速度振幅減小到純行波的1／30，并有效抑制了“聲直流”造成的附加熱損失，最終將熱效率提高到0．30。由于這一成果的開創(chuàng)性，兩位發(fā)明者榮獲1999年美國“Ｒ＆Ｄ100”獎，并促成了行波型熱聲發(fā)動機(jī)研究的迅速興起。 

    此外，在Ｓｗｉｆｔ和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所Ｒａｄｅｂａｕｇｈ的聯(lián)合努力下，世界上第一臺完全無運(yùn)動部件的低溫制冷機(jī)也于1990年研制成功，并獲得同年的美國“Ｒ＆Ｄ100”獎。到1998年，美國新制成的一臺熱聲驅(qū)動脈管制冷樣機(jī)，制冷量大約達(dá)到1990年作品的400倍，證明熱聲驅(qū)動脈管制冷技術(shù)可以提供滿足實(shí)用天然氣液化所需的制冷量。陳國邦研究小組從1998年以來，也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是在低品位熱源的應(yīng)用方面突破了原有的溫度瓶頸。他們研制的熱聲驅(qū)動脈管制冷機(jī)的最低制冷溫度已低達(dá)81Ｋ，進(jìn)入液氮溫區(qū)。 

  關(guān)鍵是投入實(shí)用 

    陳國邦表示，熱聲發(fā)動機(jī)及其驅(qū)動脈管制冷機(jī)研究雖然獲得了巨大發(fā)展，但仍然存在很多問題，這同時也為下一步研究指明了方向： 

首先，針對小振幅振動的線性熱聲理論已比較完善，非線性熱聲理論將是今后熱聲學(xué)理論研究的重點(diǎn)，現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)中協(xié)同學(xué)，特別是其中最精髓的自組織理論的引入，成為熱聲學(xué)研究的重要任務(wù)。其次，為滿足現(xiàn)代工業(yè)以及某些特殊應(yīng)用場合的要求，熱聲發(fā)動機(jī)及其驅(qū)動脈管制冷機(jī)需沿“大型化”和“微型化”兩個方向發(fā)展，這對其整體結(jié)構(gòu)和部件的設(shè)計(jì)及加工制造都提出了新的挑戰(zhàn)。同時，降低熱聲系統(tǒng)的起振溫度和穩(wěn)定工作溫度，實(shí)現(xiàn)熱聲機(jī)械對低品位能源的利用，更是值得高度關(guān)注的重中之重。 
陳國邦相信，隨著熱聲學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究的繼續(xù)深入，利用低品位能源驅(qū)動的無運(yùn)動部件新型動力機(jī)械，必將在本世紀(jì)內(nèi)在現(xiàn)代工業(yè)中得以實(shí)際應(yīng)用。