聲波制冷課件

聲波制冷

摘要目前的電冰箱及空調(diào)器所使用的制冷技術多為通過壓縮機由制冷劑制冷。長期以來得到廣泛應用的制冷劑是氟利昂，它被稱為電冰箱和空調(diào)器中不可缺少的“血液”，但近年來人們發(fā)現(xiàn)由于全世界大量使用氟利昂已使地球臭氧層變得稀薄，溫室效應太陽益明顯，人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境受到嚴重的危害。國際上已制定了控制氟利昂使用的“蒙特利爾議定書”。一些國家相繼宣布，到本世紀末，將全部停止氟利昂的使用。因此，制冷技術科技界將面臨兩條途徑：一是尋求氟利昂的替代物，這方面國內(nèi)外正在進行大量的試驗研究工作。就目前情況看，這些替代物并不十分理想，例如它的制冷效率以及和潤滑油的兼容性并不理想，而且這些替代物是否對人類生存環(huán)境絕對無害，還要經(jīng)歷很長時間的考驗，才能下定論；另一條途徑則是廣泛地開發(fā)新的制冷技術。在此情況下，聲制冷技術是值得關注和研究的課題之一。歷史聲波制冷的研究和開發(fā)興起于20世紀80年代。在這方面工作的主要有美國LosAlamos實驗室及美國海軍研究生院。LosAlamos于1990年展示了一臺聲波制冷機，制冷最低溫度達89K，在制冷溫度為120K時，制冷功率為5W。美國加州的海軍研究生院于80年代曾研制了一臺熱聲冰箱（STAR）用于1992年1月發(fā)射的“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機上，在地面產(chǎn)生比室溫低80K的溫度，當制冷功率為3W時，峰值效率為卡諾熱機的20%。這兩臺聲制冷機都使用電動聲源，工作頻率在400—500Hz之間。2000年以后，美國海軍研究生正致力于聲波制冷的家用電冰箱和空調(diào)器的研究和開發(fā)。聲波制冷的家用電冰箱（TALSR）已研制成功，冷藏室溫度為4℃，冷凍室的溫度可達-22℃。原理所有的聲波制冷的工作原理都基于所謂的熱聲效應，熱聲效應機理可以簡單的描述為在聲波稠密時加入熱量，在聲波稀疏時排出熱量，則聲波得到加強；反之聲波稠密時排出熱量，在聲波稀疏時吸人熱量，則聲波得到削弱。當然，實際的熱聲理論遠比這復雜的多，熱聲制冷的設計水平及制造工藝也在不斷的提高。優(yōu)點聲波制冷與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，熱聲熱機具有無可比擬的優(yōu)勢。1、無需使用污染環(huán)境的制冷劑，而是使用惰性氣體或其混合物作為工質(zhì)，因此不會導致使用的CFCS或HFCS臭氧層的破壞和溫室效應而危害環(huán)境；2、其基本機構非常簡單和可靠，無需貴重材料，成本上具有很大的優(yōu)勢；3、它們無需振蕩的活塞和油密封或潤滑，無運動部件的特點使得其壽命大大延長。應用范圍聲波制冷技術應用于家用冰箱當中?，F(xiàn)在冰箱中普遍使用的氟制冷劑是導致臭氧層空洞擴大和全球變暖的原因之一，氟氣體進入空氣當中后使得空氣升溫的效率是二氧化碳的3000倍，因此一旦氟制冷劑遭到封殺，聲波制冷技術將很快成為環(huán)保冰箱的重要標志。除了應用于冰箱制造行業(yè)之外，聲波制冷技術還可以為包括空調(diào)在內(nèi)的其他家電及計算機芯片行業(yè)所利用。聲波制冷技術的問世將使得未來冰箱的體積更小巧，因為空氣壓縮機的尺寸變小了。此外這種技術還將有助于空調(diào)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，聲波制冷技術將使得空調(diào)工作時功率保持平穩(wěn)，這有助于延長空調(diào)主機的壽命。應用舉例自從1987年蒙特利爾議定書規(guī)定在近期內(nèi)完全禁用氟利昂以來，尋找替代物來生產(chǎn)所謂的綠色制冷裝置，已經(jīng)取得初步效果。另一方面，人們正致力于從根本上改變這種局面。新興的熱聲致冷技術已引起高度關注。它使用的介質(zhì)如He、Ne等對環(huán)境完全無害，并且除了類似于揚聲器的振動外，沒有曲軸活塞運動，不需要密封。這種技術展現(xiàn)誘人的前景。操作時產(chǎn)生聲波駐波，在活模處為壓力波腹，接近球體的擴張部位是壓力節(jié)點，頻率約500Hz。其效果是以消耗激發(fā)聲波所需的功為代價，從低溫熱源吸熱，放熱給高溫熱源。右圖表達了這一裝置的性能，橫坐標CQ&是輸出的致冷功率。圖上部的縱坐標是低溫與高溫之比TC/TH，正如所期待的，低溫愈低，輸出致冷功率愈小，而壓力振蕩愈強（聲波振幅愈大），輸出致冷功率愈大。圖下部的縱坐標是致冷因子ξ與可逆時的ξR之比，ξ=QCW，ξR=TC(TH?TC)，可見隨輸出致冷功率增大，ξ有極大值出現(xiàn)，壓力振蕩愈強，極大值時的輸出致冷功率愈大。ξ

加雷特教授說，他和同事們首先制造出高振幅的聲波，使其頻率達到165分貝左右。而在搖滾樂聲震耳欲聾的歌廳里，聲波的分貝數(shù)也不過只有120，距離一架直升機升空30米開外時聽到的直升機起飛噪音也僅有140分貝，因此，當聲波頻率達到165時，聲音之間的相互摩擦和振動就會達到非常激烈的程度，幾乎可以使人的頭發(fā)自行著火。

這次加雷特教授及其同事研制出的聲波制冷機原型高40厘米寬23厘米，里面盛滿了被壓縮的空氣，在利用聲波制冷的流程當中，加雷特教授和他的同事們使用的是173分貝的聲波，因此聲波產(chǎn)生的熱量極其強大。

與此同時，這些科學家還根據(jù)空氣在受壓后升溫，