研究导读
制冷技术已成为当代社会不可或缺的技术之一。在双碳背景下，能源和环境的问题使得发展环保且高效的制冷技术成为迫切需求。新兴的热驱动热声制冷技术具有工质环保、无机械运动部件、可靠性高等优势，因此被认为是具有产业化潜力的新一代制冷技术。然而其在室温温区的效率较低，提高其热驱动制冷系数（COP）是实现其产业化的关键。
近期，中国科学院理化技术研究所罗二仓研究员领导的热声研究组提出了一种新型热驱动热声制冷流程，其采用功流旁通的结构，突破了传统直连型系统的加热温度的约束导致的效率限制。通过调节功流旁通的比例，使得系统在不同加热温度下发动机和制冷机子单元均能取得良好的功流匹配，在升高加热温度时实现了系统COP的大幅度提升。研究组对新型系统进行了详细的理论、数值和实验研究，系列研究工作发表于期刊Cell Rep. Phys. Sci.、Energy、Energy Convers. Manage.、Appl. Phys. Lett.，论文第一作者均为理化所博士研究生肖磊，通讯作者均为理化所罗二仓研究员和吴张华高级工程师。系列研究工作被中国科学院、科技日报、科学网等国内和美国物理联合会、EurekAlert、AZO MATERIALS、Cooling Post、Science Featured等国外科研机构和媒体广泛报道，并被选为2024年中国科学院第一季度亮点工作。
研究简介
工作机理
当前的直连型热驱动热声制冷系统已是较为先进的结构，如图1 (a) 所示，其中较合适的行波声场和较紧凑的耦合方式使得系统在一定温度范围内能取得不错的制冷性能。然而，其中的发动机子单元和制冷机子单元的直接耦合使得其中存在功流匹配的问题：在高加热温度下，发动机产生的声功显著超过制冷机消耗的声功，导致子单元之间的功流不匹配，使得系统损失加剧，从而可使COP下降。基于此，本研究提出了一种功流旁通型的热驱动热声制冷系统新流程，在发动机和制冷机之间增加一个旁通结构，使得部分声功可绕过发动机，直接进入制冷机，于是可通过调节旁通的功流比例，在不同加热温度下均可实现发动机和制冷机之间的良好功流匹配，因此消除了直连型系统中的加热温度的约束，在高加热温度下使得系统的COP大幅度提升。
图1. (a) 传统直连型热驱动热声制冷系统；(b) 新型功流旁通型热驱动热声制冷系统
系统设计
为了验证所提出的新型系统，搭建了一台4 kW级的实验样机，进行了初步的实验研究。图2展示了实验样机，其设计特点包括：
（1）采用功流旁通型结构，并使用阀门调节旁通流量，使得系统的COP在较高加热温度下大幅度提升；
（2）采用三单元的环路结构，有助于系统构建较合适的行波声场，实现回热器中的高效热功转换；
（3）采用液体振子代替传统的较长的气体谐振管，使得系统的工作频率大幅度降低，有利于降低损失，进一步提升性能，并提高系统紧凑性。
图2 功流旁通型热驱动热声制冷系统实验样机
实验中采用氦气作为工质时，当加热温度为450 ℃（723 K）时，在标准空调制冷工况下（环境温度35 ℃，制冷温度7 ℃）获得的COP达到1.12，制冷功率为2.53 kW。在相近的制冷工况下，该COP是以往报道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。数值计算结果表明，当加热温度进一步提升至燃气燃烧的温度时（700~1000 ℃），功流旁通型系统可获得超越直燃型双效吸收式制冷系统的COP（2~2.5）。
(a) (b)
图3. 系统的制冷性能：(a) 制冷功率和 (b) COP随加热温度的变化
当系统采用环保且更加经济的氮气作为气体工质时，实验中系统的COP仍可达到0.49，仍远高于传统系统（0.24）。采用氮气的实验结果更低是因为氮气的热穿透深度更低，因此设计的实验系统的结构参数并不适用氮气作为工质，比如回热器填料。数值计算结果表明，当系统进行优化改进后，其采用氮气时系统在加热温度为800 ℃时COP可达到1.8以上。
总结展望
作为一种不依赖运动部件、环境友好且可靠性高的新型制冷技术，热驱动热声制冷技术在未来的绿色可持续制冷领域中具有广阔的应用前景。本研究大幅度提高了热驱动热声制冷系统的制冷效率，在其产业化道路上迈出了关键一步。相信在未来，在热驱动热声制冷技术实现商业化应用之时，人们将深刻感受到声音中蕴含的震撼力量。
作者介绍
肖磊，2021年本科毕业于华中科技大学，现为中国科学院理化技术研究所博士研究生，师从罗二仓研究员，研究方向为热声热机。已以第一作者发表SCI论文10篇，其中8篇为中国科学院一区。
吴张华，2001年本科毕业于获浙江大学，2006年获中国科学院理化技术研究所博士学位。现为中国科学院理化技术研究所高级工程师。主要从事热声发动机（发电机）、热声制冷机（热泵）以及自由活塞斯特林发电技术的研究。已发表SCI、EI等高水平论文100余篇。
罗二仓，中国科学院理化技术研究所副所长，研究员，博士生导师，热声研究组负责人。国家杰出青年科学基金获得者，新世纪百千万人才工程国家级人选，享受国务院政府特殊津贴。兼任中国制冷学会副理事长、低温专业委员会主任委员，中国工程热物理学会常务理事等学术职务。主要从事新型制冷与发电技术的研究，包括热声/斯特林/脉冲管制冷技术、热声/斯特林热泵技术、混合工质节流制冷技术、固体制冷技术、超音速膨胀制冷技术、热声/斯特林发电技术等。已发表SCI、EI等高水平论文400余篇，获国家技术发明二等奖、中国物理学会胡刚复实验物理奖等多项国家级和省部级奖励。
中国科学院理化技术研究所热声研究组由罗二仓研究员于20世纪90年代创建，主要进行交变流动的理论与能量转换技术的研究，包括交变流动热力循环理论、热声弱非线性理论、交变流动传热、热声制冷与发电技术、斯特林制冷与发电技术、热声/斯特林热泵技术、脉冲管制冷技术等。近年来还拓展了超音速膨胀制冷等技术的研究。目前团队共80余人，其中职工15人（含研究员5人），研究生30余人（含博士研究生25人），以及工程师30余名。
论文信息
1. Xiao L., Luo K., Wu Z., Chi J., Xu J., Zhang L., Hu J. & Luo E. A highly efficient heat-driven thermoacoustic cooling system. Cell Rep. Phys. Sci. 5, 101815 (2024). https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101815
2. Xiao L., Luo K., Zhao D., Wu Z., Xu J. & Luo E. A highly efficient heat-driven thermoacoustic cooling system: Detailed study. Energy 293, 130610 (2024). https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.130610
3. Xiao L., Chi J., Luo K., Xu J., Zhao D., Wu Z. & Luo E. A highly efficient eco-friendly heat-driven thermoacoustic refrigerator using nitrogen and water. Energy Convers. Manage. 304, 118251 (2024). https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118251
4. Xiao L., Luo K., Wu Z. & Luo E. An efficient and eco-friendly heat-driven thermoacoustic refrigerator with bypass configuration. Appl. Phys. Lett. 124, 023902 (2024). (Featured Article, highlighted by AIP Scilight) https://doi.org/10.1063/5.0181579
