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(shù)多為通過(guò)壓縮機(jī)由制冷劑制冷。長(zhǎng)期以來(lái)得到廣泛應(yīng)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(lái)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(yīng)太陽(yáng)益明顯，人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重的危害。國(guó)際上已制定了控制氟利昂使用的“蒙特利爾議定書(shū)”。一些國(guó)家相繼宣布，到本世紀(jì)末，將全部停止氟利昂的使用。因此，制冷技術(shù)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(guó)內(nèi)外正在進(jìn)行大量的試驗(yàn)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(rùn)滑油的兼容性并不理想，而且這些替代物是否對(duì)人類生存環(huán)境絕對(duì)無(wú)害，還要經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)，才能下定論；另一條途徑則是廣泛地開(kāi)發(fā)新的制冷技術(shù)。在此情況下，聲制冷技術(shù)是值得關(guān)注和研究的課題之一。歷史聲波制冷的研究和開(kāi)發(fā)興起于20世紀(jì)80年代。在這方面工作的主要有美國(guó)LosAlamos實(shí)驗(yàn)室及美國(guó)海軍研究生院。LosAlamos于1990年展示了一臺(tái)聲波制冷機(jī)，制冷最低溫度達(dá)89K，在制冷溫度為120K時(shí)，制冷功率為5W。美國(guó)加州的海軍研究生院于80年代曾研制了一臺(tái)熱聲冰箱（STAR）用于1992年1月發(fā)射的“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)上，在地面產(chǎn)生比室溫低80K的溫度，當(dāng)制冷功率為3W時(shí)，峰值效率為卡諾熱機(jī)的20%。這兩臺(tái)聲制冷機(jī)都使用電動(dòng)聲源，工作頻率在400—500Hz之間。2000年以后，美國(guó)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(kāi)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(dá)-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(yīng)，熱聲效應(yīng)機(jī)理可以簡(jiǎn)單的描述為在聲波稠密時(shí)加入熱量，在聲波稀疏時(shí)排出熱量，則聲波得到加強(qiáng)；反之聲波稠密時(shí)排出熱量，在聲波稀疏時(shí)吸人熱量，則聲波得到削弱。當(dāng)然，實(shí)際的熱聲理論遠(yuǎn)比這復(fù)雜的多，熱聲制冷的設(shè)計(jì)水平及制造工藝也在不斷的提高。優(yōu)點(diǎn)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(jī)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。1、無(wú)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(huì)導(dǎo)致使用的CFCS或HFCS臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)而危害環(huán)境；2、其基本機(jī)構(gòu)非常簡(jiǎn)單和可靠，無(wú)需貴重材料，成本上具有很大的優(yōu)勢(shì)；3、它們無(wú)需振蕩的活塞和油密封或潤(rùn)滑，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)使得其壽命大大延長(zhǎng)。應(yīng)用范圍聲波制冷技術(shù)應(yīng)用于家用冰箱當(dāng)中。現(xiàn)在冰箱中普遍使用的氟制冷劑是導(dǎo)致臭氧層空洞擴(kuò)大和全球變暖的原因之一，氟氣體進(jìn)入空氣當(dāng)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(shù)將很快成為環(huán)保冰箱的重要標(biāo)志。除了應(yīng)用于冰箱制造行業(yè)之外，聲波制冷技術(shù)還可以為包括空調(diào)在內(nèi)的其他家電及計(jì)算機(jī)芯片行業(yè)所利用。聲波制冷技術(shù)的問(wèn)世將使得未來(lái)冰箱的體積更小巧，因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī)的尺寸變小了。此外這種技術(shù)還將有助于空調(diào)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，聲波制冷技術(shù)將使得空調(diào)工作時(shí)功率保持平穩(wěn)，這有助于延長(zhǎng)空調(diào)主機(jī)的壽命。應(yīng)用舉例自從1987年蒙特利爾議定書(shū)規(guī)定在近期內(nèi)完全禁用氟利昂以來(lái)，尋找替代物來(lái)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(shù)已引起高度關(guān)注。它使用的介質(zhì)如He、Ne等對(duì)環(huán)境完全無(wú)害，并且除了類似于揚(yáng)聲器的振動(dòng)外，沒(méi)有曲軸活塞運(yùn)動(dòng)，不需要密封。這種技術(shù)展現(xiàn)誘人的前景。操作時(shí)產(chǎn)生聲波駐波，在活模處為壓力波腹，接近球體的擴(kuò)張部位是壓力節(jié)點(diǎn)，頻率約500Hz。其效果是以消耗激發(fā)聲波所需的功為代價(jià)，從低溫?zé)嵩次鼰幔艧峤o高溫?zé)嵩?。右圖表達(dá)了這一裝置的性能，橫坐標(biāo)CQ&是輸出的致冷功率。圖上部的縱坐標(biāo)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(qiáng)（聲波振幅愈大），輸出致冷功率愈大。圖下部的縱坐標(biāo)是致冷因子ξ與可逆時(shí)的ξR之比，ξ=QCW，ξR=TC(TH?TC)，可見(jiàn)隨輸出致冷功率增大，ξ有極大值出現(xiàn)，壓力振蕩愈強(qiáng)，極大值時(shí)的輸出致冷功率愈大。ξ

加雷特教授說(shuō)，他和同事們首先制造出高振幅的聲波，使其頻率達(dá)到165分貝左右。而在搖滾樂(lè)聲震耳欲聾的歌廳里，聲波的分貝數(shù)也不過(guò)只有120，距離一架直升機(jī)升空30米開(kāi)外時(shí)聽(tīng)到的直升機(jī)起飛噪音也僅有140分貝，因此，當(dāng)聲波頻率達(dá)到165時(shí)，聲音之間的相互摩擦和振動(dòng)就會(huì)達(dá)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(jī)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(dāng)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(qiáng)大。

與此同時(shí)，這些科學(xué)家還根據(jù)空氣在受壓后升溫，