理化所在室溫熱聲制冷領域獲進展

熱驅動熱聲制冷技術是新興的制冷技術。這一技術基于可壓縮性氣體工質的往復運動與鄰近固體壁面之間的復雜的熱相互作用（熱聲效應）而工作。其中，熱聲發動機利用溫差產生聲波形式的機械功（聲功），而熱聲制冷機則消耗聲功產生溫差泵熱，即產生制冷效應。該技術一般采用惰性氣體工質，沒有機械運動部件或較少運動部件，具有工質環保、可靠性高及緊湊等優點，被認為是頗具應用前景的新一代制冷技術。目前，國內外報道的室溫溫區的熱驅動熱聲制冷機的效率普遍較低，在空調制冷溫區的熱制冷系數（COP）通常不超過0.5，難以與商業化的吸收式制冷技術相比（單效溴化鋰-水吸收式制冷系統的COP在0.7左右，而雙效系統的COP可達1.2）。因此，提高熱驅動熱聲制冷系統的COP是當前實現其產業化應用的重要科學技術問題。

中國科學院理化技術研究所低溫與制冷研究中心研究員羅二倉課題組，從多場協同的原理出發，揭示了聲場、溫度場和能流場互相耦合以及實現高效熱聲轉換的工作機制，并在此基礎上提出了高效的熱驅動熱聲制冷工作流程，使得發動機和制冷機實現了高效的行波聲場轉換，實現了不同加熱溫度下發動機中聲功產生與制冷機中聲功消耗的理想匹配，進而提高了系統的整機熱制冷效率。實驗采用氦氣作為工質時，當加熱溫度為450 °C時，在標準空調制冷工況下（環境溫度35 °C，制冷溫度7 °C）獲得的COP達到1.12，制冷功率為2.53 kW。在相近的制冷工況下，該COP是以往報道同類型樣機最高水平的2.7倍，超過了現有吸附式和單效吸收式制冷技術的水平，可媲美部分雙效吸收式制冷系統。理論預測，當加熱溫度進一步提升至燃氣燃燒的溫度時（~700 °C），該系統可獲得超越直燃型雙效吸收式制冷系統的COP（1.5以上）。相關成果以A highly efficient heat-driven thermoacoustic cooling system為題，發表在《細胞報告-物質科學》（Cell Reports Physical Science）上。

此外，相比氦氣，氮氣作為更常見、經濟的工質，頗具應用前景。采用氮氣作為工質時，在標準空調制冷工況下，該系統實驗的COP仍可達到0.49，展示出與氦氣不同的工作特性。數值計算結果表明，若優化改進系統結構尤其是回熱器填料，其COP亦可提升。相關成果以An efficient and eco-friendly heat-driven thermoacoustic refrigerator with bypass configuration為題，作為亮點論文，發表在《應用物理快報》（Applied Physics Letters）上，并受到美國物理學聯合會《科學之光》（AIP Scilight）的專訪報道。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部和中國科學院等的支持。

新型熱驅動熱聲制冷系統及其實驗樣機性能