理化所在室温热声制冷领域取得重要突破

热驱动热声制冷技术是一种新兴的制冷技术，它基于可压缩性气体工质的往复运动与邻近固体壁面之间的复杂的热相互作用（热声效应）而工作。其中，热声发动机利用温差产生声波形式的机械功（声功），而热声制冷机则消耗声功产生温差泵热，即产生制冷效应。该技术一般采用惰性气体工质，没有机械运动部件或运动部件极少，因而具有工质环保、可靠性高以及紧凑等优点，被认为是一种具有巨大应用前景的新一代制冷技术。然而截至目前，国内外报道的室温温区的热驱动热声制冷机的效率普遍较低，在空调制冷温区的热制冷系数（COP）通常不超过0.5，难与商业化的吸收式制冷技术相比（单效溴化锂-水吸收式制冷系统的COP在0.7左右，而双效系统的COP可达1.2）。因此，提高热驱动热声制冷系统的COP是当前实现其产业化应用的重大科学技术问题。

理化所低温与制冷研究中心罗二仓研究员课题组从多场协同的原理出发，首次揭示了声场、温度场以及能流场互相耦合以及实现高效热声转换的工作机制，在此基础上提出了高效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，而且实现了不同加热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，当加热温度为450 °C时，在标准空调制冷工况下（环境温度35 °C，制冷温度7 °C）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。理论预测当加热温度进一步提升至燃气燃烧的温度时（~700 °C），该系统可获得超越直燃型双效吸收式制冷系统的COP（1.5以上）。该研究为热声制冷技术的产业化进程迈出了关键一步。相关研究以A highly efficient heat-driven thermoacoustic cooling system为题发表在Cell旗下期刊Cell Reports Physical Science上，论文第一作者为理化所2021级直博生肖磊，通讯作者为理化所罗二仓研究员与吴张华高级工程师。

图1. 新型热驱动热声制冷系统及其实验样机性能

此外，相比氦气，氮气作为一种更常见、经济的工质，亦十分具有应用前景。采用氮气作为工质时，在标准空调制冷工况下该系统实验的COP仍能达到0.49，且展示出与氦气不同的工作特性。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。相关研究以An efficient and eco-friendly heat-driven thermoacoustic refrigerator with bypass configuration为题发表在物理学期刊Applied Physics Letters上，并被编辑选为亮点论文（Featured Article），且受到美国物理学联合会《科学之光》（AIP Scilight）的专访报道。论文第一作者为理化所2021级直博生肖磊，通讯作者为理化所罗二仓研究员与吴张华高级工程师，理化所为第一兼通讯作者单位。

上述研究工作得到国家自然科学基金委、科技部以及中国科学院等单位的项目支持。

图2. Scilight专访报道

Cell Rep. Phys. Sci.文章链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101815

Appl. Phys. Lett.文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0181579

Scilight专访报道链接：https://doi.org/10.1063/10.0024392