热驱动热声空调制冷研究取得重要突破

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近日，中国科学院理化技术研究所科研团队在《细胞通讯·物理科学》和《应用物理快报》上先后发表论文，提出一类新型高效热声制冷机的流程设计方案，有望使热声制冷技术的产业化进程迈出关键一步。利用该方案开发的热驱热声制冷机，其能效比远超同类型系统，可媲美部分双效吸收式制冷系统。

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新型高效热驱动热声制冷系统实验样机。中国科学院理化技术研究所供图

热驱动热声制冷机是一种新兴的制冷技术，它基于气体工质的交变流动与邻近固体壁面之间的热相互作用而工作。其中，热声发动机利用温差产生声波传递机械功，而热声制冷机则消耗声功产生温差和泵热，即制冷效应。热声制冷技术一般采用惰性气体工质，被认为是一种具有巨大应用前景的新一代制冷技术。

但是，目前国内外报道的室温温区的热驱动热声制冷机的效率仍然较低，是当前实现其产业化应用的重大科学技术问题。

中国科学院理化技术研究所低温与制冷研究中心罗二仓团队从多场协同的原理出发，首次揭示了高效热驱动热声制冷系统中声场、温度场以及能流场互相耦合及最佳匹配工作机制，在此基础上提出了新型的热驱动热声制冷工作流程，使得发动机和制冷机不仅实现了高效的行波声场转换，而且实现了不同热源温度下发动机中声功产生与制冷机中声功消耗的理想匹配，进而大幅度提高了系统的整机热制冷效率。

实验中采用氦气作为工质时，当热源温度为450摄氏度，在环境温度35摄氏度、制冷温度7摄氏度的标准空调制冷工况下，性能系数（COP）达到1.12，制冷功率为2.53 千瓦。在相近的工况下，该COP是以往报道的同类型样机最高水平的2.7倍，并超过了现有吸附式和单效吸收式制冷技术的水平，可媲美部分双效吸收式制冷系统。

科研人员根据理论预测，当热源温度进一步提升至燃气燃烧的700摄氏度时，该系统的COP可以达到1.5以上，超越直燃型双效吸收式制冷系统的COP值。该成果于2月1日发表于《细胞》子刊《细胞通讯·物理科学》。

采用比氦气更经济的氮气作为工质时，在标准空调制冷工况下该系统实验的COP可达0.49，且展示出与氦气作为工质时不同的工作特性。数值计算结果表明，如对系统结构尤其是回热器填料进行优化改进后，其COP还可大幅提升。相关研究近日发表于《应用物理快报》，并被选为亮点论文，受到美国物理学联合会《科学之光》专访报道。 

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101815