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(guò)程中，完全去除機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，很自然就擁有了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。這一新型機(jī)械以燃?xì)?、太?yáng)能、廢熱等低品位能源為驅(qū)動(dòng)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(shì)。
關(guān)鍵詞：脈管制冷機(jī) 熱聲制冷機(jī) 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī) 熱聲學(xué)
陳國(guó)邦 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所原所長(zhǎng)，教授、博導(dǎo)；現(xiàn)任國(guó)際制冷學(xué)會(huì)?ＩＩＲ?Ａ２委員會(huì)副主席，國(guó)際低溫制冷機(jī)委員會(huì)?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(guò)程中，完全去除機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，很自然就擁有了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。這一新型機(jī)械以燃?xì)?、太?yáng)能、廢熱等低品位能源為驅(qū)動(dòng)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(shì)?！?nbsp;
浙江大學(xué)陳國(guó)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(duì)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(dòng)機(jī)的問(wèn)世，給長(zhǎng)壽命低溫制冷機(jī)的研究和發(fā)展指出了新路。這場(chǎng)“動(dòng)力機(jī)械發(fā)展史上的革命”，必將以其“無(wú)運(yùn)動(dòng)部件”的突出特點(diǎn)，一舉改變?nèi)藗儗?duì)動(dòng)力機(jī)械的傳統(tǒng)觀念。
就熱聲學(xué)的發(fā)展歷史、熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)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(wèn)題，陳國(guó)邦接受了本報(bào)記者的采訪。
200年“循序漸進(jìn)
陳國(guó)邦教授介紹，美國(guó)洛斯－阿拉莫斯國(guó)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(tái)熱聲斯特林發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)部件的動(dòng)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(lái)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(jiǎn)單地說(shuō)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(chǎng)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(shí)均熱流和時(shí)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(dòng)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(guó)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(huì)激發(fā)出聲音。吹玻璃工人則發(fā)現(xiàn)當(dāng)將一個(gè)玻璃球連接到一根中空玻璃管上時(shí)，管子的尖端處有時(shí)會(huì)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(wèn)世。1962年，美國(guó)科學(xué)家Ｃａｒｔｅｒ和同事一起研制出世界上第一臺(tái)有顯著聲功輸出的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)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(lái)。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(lái)。
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(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)樣機(jī)性能的不斷提高，‘低品位能源驅(qū)動(dòng)’、‘無(wú)運(yùn)動(dòng)部件機(jī)械’的概念正逐漸變成現(xiàn)實(shí)?！标悋?guó)邦教授說(shuō)，熱聲驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)燃料、天然氣和石油氣的液化及分離、掩埋式垃圾場(chǎng)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(duì)其進(jìn)行了發(fā)展和完善。這一理論假設(shè)振動(dòng)的壓力、速度等參數(shù)均隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，簡(jiǎn)化了相關(guān)的動(dòng)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(duì)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(guò)程的物理機(jī)制不夠清晰，最近10年來(lái)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(guó)洛斯－阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制成一臺(tái)駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，諧振管內(nèi)徑127毫米，長(zhǎng)4．32米，熱效率為9％。1998年，美國(guó)Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ Ｓｔａｔｅ大學(xué)的Ｃｈｅｎ和Ｇａｒｒｅｔｔ建成世界上第一臺(tái)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，驗(yàn)證了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)以太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)源的可行性。在國(guó)內(nèi)，陳國(guó)邦等人所開展的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)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(dòng)斯特林型脈管制冷機(jī)的能力。
同時(shí)，首臺(tái)環(huán)路行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)于1998年問(wèn)世，但由于工作氣體振動(dòng)速度較大，限制了發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)“熱聲斯特林發(fā)動(dòng)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(guó)“Ｒ＆Ｄ100”獎(jiǎng)，并促成了行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)研究的迅速興起。
此外，在Ｓｗｉｆｔ和美國(guó)國(guó)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(tái)完全無(wú)運(yùn)動(dòng)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(guó)“Ｒ＆Ｄ100”獎(jiǎng)。到1998年，美國(guó)新制成的一臺(tái)熱聲驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(guó)邦研究小組從1998年以來(lái)，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(dòng)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(guó)邦表示，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)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(wèn)題，這同時(shí)也為下一步研究指明了方向：
首先，針對(duì)小振幅振動(dòng)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(chǎng)合的要求，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)需沿“大型化”和“微型化”兩個(gè)方向發(fā)展，這對(duì)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(shí)，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(duì)低品位能源的利用，更是值得高度關(guān)注的重中之重。
陳國(guó)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(dòng)的無(wú)運(yùn)動(dòng)部件新型動(dòng)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。