陳 茂 巨永林

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

溫室效應(yīng)和臭氧層破壞成為全球性問題，尋找高效、對環(huán)境友好的熱機(jī)成為迫切的需求[1]，在過去的三十年里，熱聲學(xué)成為該領(lǐng)域探究的重點(diǎn)之一。以熱聲效應(yīng)為基礎(chǔ)的熱聲機(jī)械，無運(yùn)動部件，使用低品位熱源，用氮?dú)饣蚝庾鳛楣べ|(zhì)，具有可靠性和穩(wěn)定性高，可實(shí)現(xiàn)廢熱再利用及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用前景十分廣闊。從聲學(xué)角度講，熱聲效應(yīng)是由于聲場中的固體介質(zhì)與振蕩流體之間的相互作用，使得距固體壁面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生沿著或逆著聲傳播方向的時均熱流和時均功流[2]。按能量轉(zhuǎn)換方向的不同，熱聲效應(yīng)可分為熱能產(chǎn)生聲功、聲功產(chǎn)生熱能兩類。前者為熱聲發(fā)動機(jī)(亦稱熱聲驅(qū)動器或熱聲壓縮機(jī))，后者為熱聲制冷機(jī)或熱聲熱泵。按照熱聲板疊或回?zé)崞魉幝晥龅念愋?，熱聲機(jī)械又可分為駐波型熱聲機(jī)械和行波型熱聲機(jī)械。

從二十世紀(jì)八十年代到二十世紀(jì)末，人們在熱聲方面的關(guān)注主要集中在駐波型熱聲機(jī)械上[3-8]。駐波中壓力與速度的相位差接近90°，駐波發(fā)動機(jī)只能依靠不可逆的傳熱過程來實(shí)現(xiàn)熱向聲功的轉(zhuǎn)換，限制了駐波發(fā)動機(jī)的效率。而行波中壓力與速度的相位一致，回?zé)崞髦邪l(fā)生的是類似Stirling熱機(jī)的熱力循環(huán)，本征可逆使得行波發(fā)動機(jī)理論上能達(dá)到卡諾循環(huán)的效率[9]。駐波熱機(jī)的研究較行波熱機(jī)的研究要早，理論上相對成熟，但由于行波發(fā)動機(jī)內(nèi)在可逆的優(yōu)勢，目前很多研究單位已逐漸把行波熱機(jī)作為研究的重點(diǎn)。

文章介紹了近十年來行波熱聲發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展與典型樣機(jī)，并對熱聲發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)作了分析與總結(jié)，最后展望了行波熱聲發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

1 研究進(jìn)展與典型樣機(jī)介紹

1979年，Ceperley意識到Stirling機(jī)回?zé)崞髦泄べ|(zhì)振蕩過程中壓力與速度的相位同行波的相位是一致的，以此為基礎(chǔ)提出了行波型熱聲機(jī)械的概念[9]，為提高熱聲機(jī)械的效率提供了新的思路。

1998年，Yazaki等首先實(shí)現(xiàn)了這一類型的驅(qū)動器，在回路中觀察到行波形式的自發(fā)氣體振蕩[10]，但效率很低，以一個大氣壓的氣體為工質(zhì)時的壓比僅為1.02，主要是由于低聲阻抗導(dǎo)致高速時的粘性損失所致。

1999年，美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室Backhaus和Swift成功研制了一臺行波熱聲發(fā)動機(jī)[11-12]，由環(huán)路和一段諧振管直路構(gòu)成，見圖1所示。這是Ceperley的設(shè)想和現(xiàn)代熱聲理論結(jié)合的成果。表1列出各主要部件的結(jié)構(gòu)及功能。

圖1 Los Alamos實(shí)驗(yàn)室的行波熱聲發(fā)動機(jī)Fig.1 The traveling-wave thermoacoustic heat engine in Los Alamos National laboratory

表1 Los Alamos實(shí)驗(yàn)室的行波熱聲發(fā)動機(jī)的主要部件及功能Tab.1 Main components and their functions of the traveling-wave thermoacoustic heat engines in Los Alamos National laboratory

該行波熱聲發(fā)動機(jī)的熱聲轉(zhuǎn)換效率高達(dá)30%，相對卡諾效率41%，比當(dāng)時的駐波發(fā)動機(jī)高出50%，可以同內(nèi)燃機(jī)(0.25～0.40)和活塞式斯特林發(fā)動機(jī)(0.20～0.38)[13]相媲美。

這主要?dú)w功于：1) 回?zé)崞魈幱谛胁ㄏ辔弧?)引入駐波支路，明顯增加回?zé)崞髀曌杩?，降低速度振幅，減少粘性耗散。3) 采用噴射泵和帶錐度的熱緩沖管抑制Gedeon流和Rayleigh流。將行波和駐波兩種波形巧妙結(jié)合是提高熱聲效率的有效方法，因此行波-駐波混合熱聲發(fā)動機(jī)，簡稱行波熱聲發(fā)動機(jī)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

2002年后，Yazaki和Ueda等在測量行波熱聲發(fā)動機(jī)聲場的基礎(chǔ)上，相繼提出熱聲回路中存在合適的位置點(diǎn)放置第二回?zé)崞?，形成熱聲制冷機(jī)[14-16]。

2003年，Gardner和Swift等考慮到帶有環(huán)路的行波熱聲發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)制約發(fā)動機(jī)性能的直流[12,17]，提出級聯(lián)式熱聲發(fā)動機(jī)的構(gòu)想[18]，利用駐波和行波各有的特性，免除環(huán)路的同時又能實(shí)現(xiàn)行波相位，即利用駐波發(fā)動機(jī)作為級聯(lián)發(fā)動機(jī)的初級，取代原行波發(fā)動機(jī)的反饋端，成為直線形的發(fā)動機(jī)。圖2是級聯(lián)式發(fā)動機(jī)的示意圖。

圖2 級聯(lián)式發(fā)動機(jī)示意圖Fig.2 Schematic of the cascade thermoacoustic heat engine

2004年，Sugita等在行波熱聲發(fā)動機(jī)上引入固體排出器[19]作為諧振器，使得發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊。他們在回?zé)崞骼涠擞镁€性壓縮機(jī)提供壓力波，熱端安置聲功接收裝置，當(dāng)回?zé)崞骼錈岫藴囟确謩e達(dá)到355K和576K時，輸入聲功和接收聲功分別為6.68W和10.61W，聲功放大率為1.6。

荷蘭能源研究中心Tijani等[20]在2008年也設(shè)計了一臺行波熱聲發(fā)動機(jī)，諧振管由漸擴(kuò)管、等直徑管、漸擴(kuò)管、等直徑管四段構(gòu)成，見圖3所示。裝置產(chǎn)生190W的聲功，轉(zhuǎn)換效率22.5%，相對卡諾效率36%，壓比1.153。

圖3 Tijani等設(shè)計的行波熱聲發(fā)動機(jī)Fig.3 The thermoacoustic heat engine designed by Tijani et al.

總地來說，國外在熱聲方面的研究較國內(nèi)起步早。但近十年來，國內(nèi)一些高校和研究所紛紛開始熱聲發(fā)動機(jī)或制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)方面的研究工作，其中，中科院理化所和浙江大學(xué)制冷研究所在這方面開展了大量工作，并取得了出色的成績。

2000年，中科院劉海東、羅二倉等研制了一臺半波長的行波熱聲發(fā)動機(jī)，分別以氮?dú)夂秃庾鞴べ|(zhì)，觀察到了頻率跳變現(xiàn)象[21-23]，以氦氣作工質(zhì)，壓力1.56MPa，熱端氣體溫度615℃時得到壓比1.083。2002年，他們還研制成同軸型行波熱聲發(fā)動機(jī)[24]。2005年在CFD數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上提出了采用錐形諧振管的新改進(jìn)，研制了“聚能型發(fā)動機(jī)”，見圖4所示。該裝置能抑制非線性波的產(chǎn)生，減少粘性耗散，使得熱聲轉(zhuǎn)換集中于基頻模式，提高整個系統(tǒng)的共振品質(zhì)因子，可以明顯提高壓比到1.3[25-26]。

2006年，羅二倉、于國瑤等又對上述“聚能型發(fā)動機(jī)”諧振管的長度和錐度進(jìn)行了改進(jìn)[27]，壓比達(dá)到1.4以上，而且起振溫度只有73℃，便于利用低品位熱能。

圖4 羅二倉等人的聚能型發(fā)動機(jī)機(jī)Fig.4 The energy-focused thermoacoustic heat engine designed by Luo Ercang et al.

浙江大學(xué)在行波熱聲發(fā)動機(jī)方面開展的研究也較深入。2000年，邱利民等研制的行波熱聲發(fā)動機(jī)，以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，充氣壓力2.0MPa，加熱功率4kW，壓比達(dá)到1.19[28]。2005年，通過采取措施抑制Gedeon直流，以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，在1.56MPa的工作壓力下最大壓比達(dá)到1.302[29]，同年還通過外加壓力擾動的方法降低了行波熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的起振溫度，為熱聲發(fā)動機(jī)采用低品位熱能提供了啟發(fā)[30]。2007年孫大明等提出在發(fā)動機(jī)上設(shè)置兩處R-C負(fù)載，可以增加聲功輸出，提高火用效率[31]。邱利民、孫大明等還提出雙向驅(qū)動行波發(fā)動機(jī)、帶旁通的行波發(fā)動機(jī)、用多個諧振管增大聲功等做法[32-34]。另外，金滔等也早在2001年成功自主研制了行波熱聲發(fā)動機(jī)[35]，以氮?dú)夂秃庾龉べ|(zhì)，分別獲得了66Hz和23Hz的振蕩，之后還進(jìn)行了相關(guān)性能分析[36]。2007年還考察了環(huán)路直流抑制裝置-膜片對系統(tǒng)起振和消振溫度的影響[37]，發(fā)現(xiàn)膜片的位置靠近主冷器冷端時，在較高壓力下可獲得較低的起振溫度和更優(yōu)的壓比。

另外，華中科技大學(xué)[38-40]、東南大學(xué)[41]、北京航空航天大學(xué)[42]、西安交通大學(xué)[43]等研究單位也開展了相關(guān)工作。

2 性能參數(shù)

人們對熱聲機(jī)械關(guān)注的主要性能參數(shù)有頻率、壓比、起振溫度、轉(zhuǎn)換效率等。下面逐一簡單介紹。

2.1 頻率

現(xiàn)有的行波熱聲發(fā)動機(jī)的尺寸普遍較大，要實(shí)現(xiàn)幾十赫茲頻率，諧振管通常需要若干米。頻率除了與工作介質(zhì)有關(guān)外，一般還與系統(tǒng)的軸向尺寸關(guān)聯(lián)較大。采用氦氣做工質(zhì)時的頻率較用氮?dú)鈺r的要高。諧振管越長越細(xì)，頻率越低。

目前對于駐波和行波發(fā)動機(jī)的頻率，仍較多采用近似計算方法：

式中，f是諧振頻率，c是聲速，L是諧振管的長度，對于不帶諧振腔的近1/2波長聲學(xué)系統(tǒng), n取2；對于帶大諧振腔的近1/4波長聲學(xué)系統(tǒng), 取4。這種方法簡單，但缺乏足夠的精度，尤其對于小尺寸的系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)的整體尺寸變小后，徑向尺寸對頻率也有明顯影響[44-45]。胡劍英，凌虹等[45]曾通過傳輸矩陣計算熱聲發(fā)動機(jī)的頻率。

戴巍[46]也曾通過數(shù)值計算得到一系列頻率下的體積流速分布曲線，如果在體積流速節(jié)點(diǎn)處即封閉端，出現(xiàn)拐點(diǎn)，那么認(rèn)為此時的頻率是有效的。對于沒有明顯封閉端的系統(tǒng)，比如行波發(fā)動機(jī)系統(tǒng)或更復(fù)雜的熱聲驅(qū)動的熱聲制冷雙環(huán)路系統(tǒng)，提出一種假想的帶封閉端短管，作為體積流速的節(jié)點(diǎn)邊界條件。根據(jù)文獻(xiàn)，他們的頻率計算值與實(shí)驗(yàn)值誤差在1%之內(nèi)，準(zhǔn)確性較高。

2.2 壓比

目前國內(nèi)外報道的行波熱聲發(fā)動機(jī)中，裝置本身壓比最高的為中科院于國瑤、羅二倉等報道的聚能型熱聲發(fā)動機(jī)，為1.40[27]，如果采用“聲學(xué)泵”[47]放大壓比，可以至1.47左右。“聲學(xué)泵”實(shí)際上是一段一端開口與行波發(fā)動機(jī)壓力腹點(diǎn)區(qū)相連接、另一端封閉的空管子，見圖4中所示。其聲學(xué)原理是1/4波長系統(tǒng)的封閉端會產(chǎn)生遠(yuǎn)高于開口端的壓比。雖然合適的聲學(xué)泵可以顯著放大壓比，便于與脈管制冷機(jī)等耦合，但目前還沒有實(shí)現(xiàn)聲學(xué)泵的優(yōu)化，管子的形狀、長度等會對壓比產(chǎn)生影響，基于線性理論的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍有很大的差距。2009年孫大明等在他們的行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置的環(huán)路上連接一種新型的亥姆霍茲諧振管[48]，見圖5所示，將壓比從1.22提高到1.49。該新型的亥姆霍茲諧振管與“聲學(xué)泵”類似，只是封閉端采用了諧振腔，諧振腔體積大，壓比放大效果在管子短時有一定優(yōu)勢，但在腔體體積一定改變管長的情況下所能達(dá)到的最大壓比放大效果不及長的不帶腔體的管子。

圖5 孫大明等提出的新型亥姆霍茲諧振管Fig.5 The novel Helmholtz resonator designed by Sun Daming et al

2.3 起振溫度

熱聲發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵是在回?zé)崞鲀啥水a(chǎn)生足夠的溫度梯度，只有超過了臨界溫度梯度，系統(tǒng)才開始自激振蕩，此時回?zé)崞鲀啥说臏夭罴礊槠鹫駵夭?。一般熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)里，回?zé)崞骼涠私咏覝?。起振溫度即回?zé)崞鳠岫藴囟龋瑳Q定了熱聲發(fā)動機(jī)是否可以利用低品位熱源。目前，熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度大多數(shù)還比較高，羅二倉等的聚能型發(fā)動機(jī)[27]的起振溫度相對較低，只有73℃。準(zhǔn)確預(yù)算行波發(fā)動機(jī)的起振溫差還是較為困難的。胡劍英、羅二倉等[49]曾在這方面進(jìn)行了理論探索，認(rèn)為回?zé)崞鳒囟染€性分布，利用回?zé)崞骼涠藴囟忍荻鹊贸稣麄€回?zé)崞魃系钠鹫駵夭睿?/p>

式(2)中的具體參數(shù)說明見文獻(xiàn)[49]。但在文獻(xiàn)[49]中沒有說明該起振溫差計算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差距。盡可能降低起振溫度便于更廣范圍內(nèi)的低品位熱源得以利用，因此如何降低起振溫度仍然是一個重要的研究課題。

2.4 轉(zhuǎn)換效率

熱聲發(fā)動機(jī)效率的定義主要有以下幾種：

1999年Backhaus和Swift等研制的熱聲發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)換效率30%至今仍然是較高的。據(jù)報道，羅二倉等的聚能型發(fā)動機(jī)在加熱溫度達(dá)到650℃，熱聲效率也能達(dá)到30%[50]。近十年來，行波熱聲發(fā)動機(jī)的性能在熱聲轉(zhuǎn)換效率方面，未有明顯發(fā)展，主要原因可能有：1)行波熱聲發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)雖簡單，但在降低系統(tǒng)的功耗散、提高回?zé)崞鳠岫说臒崂?、減少漏熱等方面仍存在較大的困難；2)目前人們較多關(guān)心熱聲發(fā)動機(jī)的壓比、頻率、起振溫度等性能參數(shù)，因?yàn)闊崧暟l(fā)動機(jī)驅(qū)動制冷機(jī)可以帶來高穩(wěn)定性的系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。3)不少學(xué)者仍然著重研究熱聲發(fā)動機(jī)內(nèi)的機(jī)理等基礎(chǔ)問題。

表2歸納了典型行波熱聲發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)。

表2 典型行波熱聲發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)Tab.2 Main performance parameters for some representative traveling-wave thermoacoutic heat engines

3 發(fā)展趨勢

熱聲發(fā)動機(jī)目前有大型化和微型化兩大發(fā)展趨勢。大型熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動制冷機(jī)可用于液化天然氣等工業(yè)場合。圖6為美國行波熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動脈管制冷機(jī)用于液化天然氣的樣機(jī)。將熱聲發(fā)動機(jī)與脈管制冷機(jī)等耦合用于空間場合或低溫電子學(xué)器件等時，則需要發(fā)動機(jī)的尺寸盡量小。微型化是熱聲發(fā)動機(jī)發(fā)展的另一個重要方向。大型發(fā)動機(jī)的研究較微型化發(fā)動機(jī)要廣泛，前者的整體性能也要優(yōu)于后者。微型化后熱聲發(fā)動機(jī)的頻率較高，在與脈管制冷機(jī)等耦合時存在困難，在滿足驅(qū)動制冷機(jī)所需壓比的前提下，努力降低發(fā)動機(jī)頻率十分關(guān)鍵。

圖6 行波熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動脈管制冷機(jī)用于液化天然氣的樣機(jī)Fig.6 The prototype of the pulse tube refrigerator for liquefaction of natural gas, which is driven by the travelingwave thermoacoustic heat engine

已有不少學(xué)者研究駐波型熱聲發(fā)動機(jī)的微型化。2004年，Symko等[51]研制了微型化的熱聲發(fā)動機(jī)和熱聲制冷機(jī)，頻率高達(dá)上千赫茲，面向冷卻微電子線路的應(yīng)用。熱聲發(fā)動機(jī)利用微電子線路的散熱維持振動，起振溫差只有25℃，顯著低于常規(guī)熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫差，有望把起振溫差降到10℃。微型熱聲制冷機(jī)用擴(kuò)音器驅(qū)動，能達(dá)到10℃的溫降，并有1W的制冷量。戴巍等[52]也研制出300Hz，可獲得80K以下溫區(qū)的微型熱聲驅(qū)動制冷機(jī)。但有關(guān)行波熱聲發(fā)動機(jī)的微型化研究相對欠缺，還需進(jìn)一步從理論中尋求指導(dǎo)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。不過也有學(xué)者成功設(shè)計了相對小的行波熱聲發(fā)動機(jī)。

中科院理化所李青和華中科技大學(xué)的研究人員2003年就設(shè)計了一臺小型高頻的行波熱聲發(fā)動機(jī)[53]，長142cm，環(huán)路高36cm，研究了起振模態(tài)，振蕩模態(tài)的穩(wěn)定性及模態(tài)間的轉(zhuǎn)換，諧振管的調(diào)相作用等。2006年李青等也提出了級聯(lián)式的高頻微型熱聲發(fā)動機(jī)[54-55]，總長1.2m左右，獲得壓比1.1。同年，周剛、李青等又報道了一臺尺寸更小的行波熱聲發(fā)動機(jī)[56]，諧振管直徑20mm，長只有0.35m，環(huán)路總長0.6m，氦氣作工質(zhì)，2MPa，加熱功率637W，壓比為1.116，是目前已見報道的最小行波熱聲發(fā)動機(jī)。他們根據(jù)線性熱聲理論和實(shí)驗(yàn)研究了小型發(fā)動機(jī)聲場的分布，諧振管直徑對系統(tǒng)頻率、壓力振幅、起振溫度等的影響，認(rèn)為微型熱聲發(fā)動機(jī)中的聲場不能簡單視為1/2波長或1/4波長的系統(tǒng)，頻率不能簡單用諧振管的長度來估計；如果縱向尺寸一定，合適的諧振管直徑對于降低頻率和起振溫度有利。

Matsubara和戴巍等提出采用對稱布置的由彈簧支撐的固體活塞代替諧振管和反饋回路慣性管，為行波熱聲發(fā)動機(jī)的微型化提供了新思路[57]。

不管是大型化還是微型化都將對熱聲發(fā)動機(jī)本身的設(shè)計、性能優(yōu)化提出更高的要求，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場合來合理設(shè)計，充分體現(xiàn)熱聲發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢。

4 應(yīng)用前景

作為比駐波型熱機(jī)更為有效的行波型熱機(jī)，在工業(yè)、民用、航天軍事等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。按照耦合對象的不同，目前的應(yīng)用主要有兩大類。

4.1 驅(qū)動制冷機(jī)

熱聲發(fā)動機(jī)可用來驅(qū)動脈管制冷機(jī)和熱聲制冷機(jī)等，實(shí)現(xiàn)從驅(qū)動源到冷端都沒有任何運(yùn)動部件的熱聲系統(tǒng)，從根本上消除了常規(guī)機(jī)械制冷機(jī)存在的機(jī)械振動和磨損問題，在天然氣、石油伴生氣液化分離、電子元件冷卻等方面具有廣闊的應(yīng)用。在美國，熱聲驅(qū)動的低溫制冷機(jī)已經(jīng)開始用來液化天然氣，并已經(jīng)開始設(shè)計與傳統(tǒng)天然氣液化器液化能力相當(dāng)?shù)拇笮蜔崧曇夯鱗58]。駐波型熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動的脈管制冷機(jī)能夠燃燒30%～40%的天然氣來液化其余60%～70%的天然氣。而行波型熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動的脈管制冷機(jī)可望達(dá)到燃燒15%的天然氣來液化其余85%的水平。中國學(xué)者在熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動脈管制冷機(jī)方面的研究已處于世界先進(jìn)水平。2005年戴巍、羅二倉等用熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動脈管制冷機(jī)達(dá)到68.8K的低溫[59]； 他們還用雙Stirling循環(huán)[60]，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)熱聲行波發(fā)動機(jī)驅(qū)動室溫?zé)崧曅胁ㄖ评錂C(jī)，在平均壓力3.0MPa、頻率57.7Hz、輸入功率2.2kW的情況下，獲得-64.4℃的低溫，在-22.1℃時有250W的制冷量，在室溫家電制冷方面有發(fā)展?jié)摿?；后來他們又研制出“二介質(zhì)耦合聲學(xué)放大器”，不僅降低工作頻率，且提高壓比，與二級脈管制冷機(jī)耦合獲得了18.1K的最低溫度，突破了液氫溫度[61]。

圖7 雙環(huán)路耦合系統(tǒng)Fig.7 Thermoacoustically refrigerator with double thermoacoustic Stirling cycles

4.2 驅(qū)動發(fā)電機(jī)

熱聲發(fā)動機(jī)可以用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)。2003年，Tward和Backhaus等[62]用一臺小型Stirling熱聲發(fā)動機(jī)與線性交流發(fā)電機(jī)結(jié)合，以放射性同位素238Pu作為熱源，獲得百瓦級的電能。2004年，他們又報道了類似的空間熱聲裝置[63]，以0.18的熱電轉(zhuǎn)換效率獲得了39W的電功。2007年，羅二倉等[50]將聚能型發(fā)動機(jī)用來驅(qū)動直線發(fā)電機(jī)，也獲得了百瓦級的電能，成為目前國際上研制出行波熱聲發(fā)電原理樣機(jī)的兩家機(jī)構(gòu)之一。

由于熱聲發(fā)動機(jī)熱源的可選擇性豐富，因此熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)，簡稱熱聲發(fā)電，可用于太陽能、余熱等低品位資源豐富但地理位置偏遠(yuǎn)的地方。熱聲發(fā)電技術(shù)雖然有著可使用低品位熱源的優(yōu)勢，但熱電效率與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比還有一定的差距，并且隨著水力、風(fēng)力、核能等新型發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，熱聲發(fā)電技術(shù)的民用發(fā)展必然要受到限制，但在太空探索等人類航天活動中可以提供電動力。

如前所說，本征可逆的行波熱聲發(fā)動機(jī)具有無機(jī)械運(yùn)動部件，可使用低品位熱源等傳統(tǒng)熱機(jī)沒有的特點(diǎn)，為其自身的發(fā)展帶來很多的優(yōu)勢，但目前還沒有能力替代傳統(tǒng)熱機(jī)，原因有幾點(diǎn)：1)盡管報道中少數(shù)高性能的熱聲發(fā)動機(jī)效率可以與內(nèi)燃機(jī)，活塞式壓縮機(jī)等傳統(tǒng)機(jī)器相媲美，但熱聲發(fā)動機(jī)的效率的整體水平仍然與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)、熱機(jī)等有著明顯的差距。2)熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度、穩(wěn)定工作溫度仍然普遍較高，限制了廢熱利用，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室仍是采用電加熱方式來進(jìn)行研究。3)很多場合，如電子冷卻，太空開發(fā)等，需要微型化的熱聲裝置，而微型化仍處于初級階段，壓比、頻率等關(guān)鍵問題尚未解決。4)熱聲機(jī)理還沒有完全成熟，在很多問題，如相位等方面仍有分歧。熱聲發(fā)動機(jī)要獲得長足的發(fā)展，還必須在理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合中進(jìn)一部深入研究。

5 結(jié)語

熱聲發(fā)動機(jī)是人們對自然現(xiàn)象長久[64]觀察累積研究的結(jié)晶，是“二十一世紀(jì)的綠色機(jī)械”。行波熱聲發(fā)動機(jī)由于其內(nèi)在熱力學(xué)可逆的優(yōu)勢，將會顯示出更強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Γ瑸槿祟惖陌l(fā)展做出貢獻(xiàn)。但目前熱聲機(jī)械還沒有進(jìn)入實(shí)用化過程，熱聲裝置的性能，尤其是在提高壓比、降低頻率、降低起振溫度等方面仍有待改進(jìn)，仍需各國學(xué)者不懈的努力才能把熱聲機(jī)械推向真正的實(shí)用化階段。

(本文受上海市科學(xué)技術(shù)委員會浦江計劃資助(06P140 52). The project was supported by Pujiang Project of Shanghai Science and Technology Commission(06P14052).)

[1]Fitzgerald R. Traveling-wave thermoacoustic engines attain high ef fi ciency[J]. Physics Today, 1999, 18-19.

[2]Swift G W. Thermoacoustic engines[J]. J. Acoust. Soc.Am, 1988, 84(4): 1145-1180.

[3]Wheatley J C, Hofler T, Swift G W. An intrinsically irreversible thermoacoustic heat engine[J]. J. Acoust. Soc.Am, 1983, 74(1): 153-170.

[4]Wheatley J C, Ho fl er T, Swift G W. Understanding some simple phenomena in thermoacoustics with applications to acoustical heat engines[J]. Am. J Phys, 1985, 53(2):147-162.

[5]Swift G W. Analysis and performance of a large thermoacoustic engine[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1992,92(3): 1551-1563.

[6]白烜, 金滔, 陳國邦. 熱聲壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J], 低溫與超導(dǎo), 1997, 25:(4), 10-17. (Bai Xuan, Jin Tao,Chen Guobang. Experimental study of a thermoacoustic driver[J]. Cryogenics and Superconductivity, 1997, 25(4):10-17. )

[7]金滔, 陳國邦, 應(yīng)哲強(qiáng). 關(guān)于熱聲驅(qū)動脈管匹配問題的討論[J]. 低溫工程, 1999, 109: 27-31. (Jin Tao, Chen Guobang, Ying Zheqiang. Discussion on the matching in the thermoacoustically driven pulse tube[J]. Cryogenics,1999, 109: 27-31. )

[8]Chen G B, Jin T. Experimental Investigation on the onset and damping behavior in the thermoacoustic oscillation[J].Cryogenics, 1999, 39(10): 843-846.

[9]Ceperley P H. A pistonless Stirling engine-the traveling wave heat engine[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1979, 66(5):1508-1513.

[10]Yazaki T, Iwata A, Maekawa T, et al. Traveling wave thermoacoustic engine in a looped tube[J]. Physical Review Letters, 1998, 81(15): 3128-3131.

[11]Backhaus S, Swift G W. A thermoacoustic-Stirling heat engine [J]. Nature, 1999, 399: 335-338.

[12]Backhaus S, Swift G W. A thermoacoustic-Stirling heat engine: detailed study[J]. J. Acoust. Soc. Am, 2000,107(6): 3148-3166.

[13]Garrett S. Reinventing the engine[J]. Nature, 1999, 399:303-305.

[14]Yazaki T, Biwa T, Tominaga A. A pistonless Stirling cooler[J]. Appl. Phys. Lett, 2002, 80(1): 157-159.

[15]Ueda Y, Biwa T, Yazaki T, et al. Acoustic field in a thermoacoustic Stirling engine having a looped tube and resonator[J]. Appl. Phys. Lett, 2002, 81(27): 5252-5254.

[16]Ueda Y, Biwa T, Yazaki T, et al. Experimental studies of a thermoacoustic Stirling prime mover and its application to a cooler [J]. J. Acoust. Soc. Am, 2004, 115(3):1134-1141.

[17]Biwa T, Ueda Y, Yazaki T. Work fl ow measurements in a thermoacoustic engine[J].Cryogenics, 2001, 41:305-310.

[18]Gardner D L, Swift G W. A cascade thermoacoustic engine[J]. J. Acoust. Soc. Am, 2003, 114(4):1905-1919.

[19]Sugita H, Matsubara Y, Kushino A, et al. Experimental study on thermally actuated pressure wave generator for space cryocooler[J].Cryogenics, 2004, 44: 431-437.

[20]Tijani H, Spoelstra S, Poignand G. Study of a thermoacoustic-stirling engine[J]. J. Acoust. Soc. Am,2008, 123: 3541.

[21]劉海東, 羅二倉, 梁驚濤, 等. 高效熱致聲發(fā)動機(jī)的新方案探索及其熱力分析[J]. 低溫工程, 1999, 4: 90-94.(Liu Haidong, Luo Ercang, Liang Jingtao, et al. A proposal for high ef fi ciency thermoacoustic engine and its thermodynamic analysis[J]. Cryogenics, 1999, 4:90-94. )

[22]劉海東, 羅二倉, 梁驚濤, 等. 行波熱聲發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J], 低溫工程, 2000, 115(3):23-28. (Liu Haidong,Luo Ercang, Liang Jingtao, et al. Experimetal study of a traveling wave thermoacoustic prime engine[J].Cryogenics, 2000, 115(3):23-28.)

[23]孫力勇, 羅二倉, 梁驚濤, 等. 行波熱聲發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)研究[J]. 低溫工程, 2001,121(3):8-12.(Sun Liyong,Luo Ercang, Liang Jingtao, et al. Experimetal study of a traveling wave thermoacoustic prime engine[J].Cryogenics, 2001, 121(3):8-12.)

[24]楊梅, 羅二倉, 李曉明, 等. 同軸型行波熱聲熱機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 低溫與超導(dǎo), 2002, 30(4):5-8. (Yang Mei,Luo Ercang, Li Xiaoming, et al. Experimental study on a coaxial traveling wave thermoacoustic engine[J].Cryogenics and Superconductivity, 2002, 30(4):5-8.)

[25]Luo Ercang, Ling Hong, Dai Wei, et al. Energy-focused thermoacoustic heat engine with a tapered resonator[J].Chin. Sci. Bull, 2005, 50 (3): 284-286.

[26]Luo Ercang, Ling Hong, Dai Wei, et al. Experimental study of the influence of different resonators on thermoacoustic conversion performance of a thermoacoustic-stirling heat engine [J]. Ultrasonics, 2006,44: e1507-e1509.

[27]Yu Guoyao, Luo Ercang, Dai Wei, et al. An energyfocused thermoacoustic-stirling heat engine reaching a high pressure above 1.40[J]. Cryogenics, 2007, 47:132-134.

[28]邱利民, 孫大明, 張武, 等. 大型多功能熱聲發(fā)動機(jī)的研制及初步實(shí)驗(yàn)第一部分 熱聲發(fā)動機(jī)的研制[J]. 低溫工程, 2003, 2: 1-7. (Qiu Limin, Sun Daming, Zhang Wu, et al. Study of a large-scale multiple-function thermoacoustic heat engine with high efficiency. Part I.Design and construction of the engine[J]. Cryogenics,2003, 2: 1-7.)

[29]Qiu Limin, Sun Daming, Tan Yongxiang, et al.Investigation on Gedeon streaming in a traveling wave thermoacoustic engine[J]. Advances in Cryogenic Engineering: 2006, 823:1115-1122.

[30]Qiu Limin, Sun Daming, Tan Yongxiang, et al. Effect of pressure disturbance on onset processes in thermoacoustic engine[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47:1383-1390.

[31]Sun Daming, Qiu Limin, Wang Bo, et al. Output characteristics of Stirling thermoacoustic engine[J]. Energy Conversion and Management, 2008, 49: 1265-1270.

[32]孫大明, 邱利民, 肖勇, 等. 多諧振管熱聲發(fā)動機(jī), 中國: 200710068642[P]. 2007-10-17. (Sun Daming,Qiu Limin, Xiao Yong, et al. A thermoacoustic heat engine with multiple resonators, China: 200710068642[P].2007-10-17.)

[33]邱利民, 孫大明, 陳萍, 等. 雙端驅(qū)動的混合型行波熱聲發(fā)動機(jī), 中國: 200410016691.0[P]. 2005-01-5. (Qiu Limin, Sun Daming, Chen Ping, et al. A symmetrical traveling-wave thermoacoustic engine, China: 200410 016691.0 [P]. 2005-01-5. )

[34]邱利民, 孫大明, 嚴(yán)偉林, 等. 具有旁通結(jié)構(gòu)的混合型行波熱聲發(fā)動機(jī), 中國: 200410016685.5[P]. 2005-01-5.(Qiu Limin, Sun Daming, Yan Weilin, et al. A travelingwave thermoacoustic heat engine with a bypass, China:200410016685.5[P]. 2005-01-5. )

[35]金滔, 陳國邦, M X Francois, 等. 斯特林型熱聲驅(qū)動器的實(shí)驗(yàn)研究[C]// 第五屆全國低溫工程大會, 2001,10-14.(Jin Tao, Chen Guobang, M X Francois, et al.Experimental study of a thermoacoustic Stirling heat engine[C]// The Fifth National Conference on Cryogenic Engineering, 2001, 10-14. )

[36]金滔, 陳國邦. 行波熱聲驅(qū)動器的性能分析[J]. 低溫工程, 2002, 127:16-22. (Jin Tao, Chen Guobang.Performance analysis of a traveling wave thermoacoustic prime mover[J]. Cryogenics, 2002, 127:16-22.)

[37]金滔, 毛長松, 湯珂, 等. 彈性膜位置對熱聲斯特林發(fā)動機(jī)起消振特性的影響[C]// 中國工程熱物理學(xué)會工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會議, 2007, 504-508. (Jin Tao,Mao Changsong, Tang Ke, et al. The impact of the elastic membrane's position on the onset and damping behavior in the thermoacoustic Stirling engine[C]// Conference on Engineering Thermodynamics and Energy Utilization,Chinese Society of Engineering Thermophysics, 2007,504-508. )

[38]伍繼浩, 李青, 郭方中. 高頻行波熱聲熱機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[C]// 第五屆全國低溫工程大會, 2001, 20-24. (Wu Jihao, Li Qing, Guo Fangzhong, et al. Experimental study of a high-frequency traveling-wave thermoacoustic heat engine[C]// The Fifth National Conference on Cryogenic Engineering, 2001, 20-24. )

[39]郭方中, 趙玲, 胡興華, 等. 熱聲諧振管材質(zhì)的優(yōu)選設(shè)計[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報, 2006, 34(5): 108-110.(Guo Fangzhong, Zhao Ling, Hu Xinghua, et al. Optimal design of the materials for thermoacoustic resonators[J]. J.Huazhong Univ. of Sci. & Tech., 2006, 34(5): 108-110.)

[40]張曉青, 陳宇, 郭方中, 等. 熱聲系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計[J].低溫工程, 2004, 3: 35-40. (Zhang Xiaoqing, Chen Yu,Guo Fangzhong, et al. Engineering optimization design of thermoacoustic system[J]. Cryogenics, 2004, 3: 35-40.)

[41]吳棟, 董衛(wèi). 行波型熱聲熱機(jī)中回?zé)崞髦泄べ|(zhì)熱力學(xué)特性模擬及分析[J]. 中國科技信息, 2008, 17: 53-54,57. (Wu Dong, Dong Wei. Simulation of thermodynamic characteristics in thermoacoustic regenerator[J]. China Science and Technology Information, 2008, 17: 53-54,57.)

[42]徐珊姝, 景曉東,孫曉峰. 熱聲現(xiàn)象的一種非線性模型[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2005, 26(3): 413-416. (Xu Shanshu, Jing Xiaodong, Sun Xiaofeng. The study of a nonlinear thermoacoustic model[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2005, 26(3): 413-416.)

[43]劉迎文, 何雅玲. 熱聲發(fā)動機(jī)起振、消振行為的試驗(yàn)研究[C]// 中國工程熱物理學(xué)會工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會議, 2007, 656-660. (Liu Yingwen, He Yaling.Experimental study of the onset and offset processes of a thermoacosutic heat engine[C]// Conference on Engineering Thermodynamics and Energy Utilization,Chinese Society of Engineering Thermophysics, 2007,656-660. )

[44]Zhou Gang, Li Qing, Li Zhengyu, et al. Influence of resonator diameter on a miniature thermoacoustic Stirling heat engine[J]. Chin. Sci. Bull, 2008, 53(1): 145-154.

[45]胡劍英, 羅二倉, 凌虹, 等. 熱聲斯特林發(fā)動機(jī)的頻率計算[J]. 低溫工程, 2004, 6: 20-23. (Hu Jianying, Luo Ercang, Ling Hong, et al. Calculation resonant frequency of a thermoacoustic Stirling prime mover by using transmission matrix method[J]. Cryogenics, 2004, 6:20-23. )

[46]Dai Wei, Luo Ercang, Yu Guoyao. A simple method to determine the frequency of engine-included thermoacoustic systems [J]. Crogenics, 2006, 46:804-808.

[47]羅二倉, 胡劍英, 戴巍, 等. 一種大幅度提高熱聲發(fā)動機(jī)壓比的“聲學(xué)泵”[J]. 科學(xué)通報, 2005, 50(17):1926-1928. (Luo Ercang, Hu Jianying, Dai Wei, et al. An acoustic amplifier used to amplify pressure in a thermoacoustic prime mover[J]. Chin. Sci. Bull, 2005,50(17):1926-1928. )

[48]Sun Daming, Qiu Limin, Wang Bo, et al. Novel Helmholtz resonator used to focus acoustic energy of thermoacoustic engine[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29:945-949.

[49]胡劍英, 羅二倉, 凌虹. 行波型熱聲發(fā)動機(jī)起振溫差的研究[J], 低溫與超導(dǎo), 2004, 32(2): 64-67. (Hu Jianying,Luo Ercang, Ling Hong. Study on the onset temperature difference of thermoacoustic Stirling prime movers[J].Cryogenics and Superconductivity, 2004, 32(2): 64-67. )

[50]羅二倉. 熱聲技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國基礎(chǔ)科學(xué),2007, 9(4): 14-15. (Luo Ercang. Development of thermoacoustic technology[J]. China Basic Science, 2007,9(4): 14-15. )

[51]Symko O G, Abdel-Rahman E, Kwon Y S, et al. Design and development of high-frequency thermoacoustic engines for thermal management in microelectronics[J].Microelectronics Journal, 2004, 35: 185-191.

[52]Dai Wei, Yu Guoyao, Zhu Shanglong, et al.300 Hz thermoacoustically driven pulse tube cooler for temperature below 100K[J]. Appl. Phys. Lett, 2007, 90:0241041.

[53]Yu Zhibin, Li Qing, Chen Xi, et al. Investigation on the oscillation modes in a thermoacoustic Stirling prime mover: mode stability and mode transiton[J]. Cryogenics,2003, 43: 687-691.

[54]Hu Zhongjun, Li Qing, Li Qiang, et al. A high frequency cascade thermoacoustic engine[J].Cryogenics, 2006, 46:771-777.

[55]Hu Zhongjun, Li Qing, Xie Xiujuan, et al. Design and experiment on a mini cascade thermoacoustic engine[J].Ultrasonics, 2006, 44: e1515-e1517.

[56]Zhou Gang, Li Qing, Li Zhengyu, et al. A Miniature thermoacoustic stirling engine[J]. Energy Conversion and Management, 2008, 49: 1785-1792.

[57]Matsubara Y, Dai Wei, Onishi T, et al. Thermally actuated pressure wave generators for pulse tube cooler[C]//Proceedings of ICCR’2003, 2003, 57-60.

[58]Arman B, Wollan J, Kotsubo V, et al. Operation of thermoacoustic Stirling Heat Engine Driven Large Multiple Pulse Tube Refrigerators[J]. Cryocooler, 2005,13:181-187.

[59]Dai Wei, Luo Ercang, Hu Jianying, et al. A heat-driven thermoacoustic cooler capable of reaching liquid nitrogen temperature[J]. Appl. Phys. Lett, 2005, 86:224103.

[60]Luo Ercang, Dai Wei, Zhang Yong, et al. Thermoacoustically refrigerator with double thermoacoustic Stirling cycles[J]. Appl. Phys. Lett, 2006, 88: 074102.

[61]Hu Jianying, Luo Ercang, Li Shanfeng, et al. Heat-driven thermoacoustic cryocooler operating at liquid hydrogen temperature with a unique coupler[J]. Journal of Applied physics, 2008, 103, 104906.

[62]Tward E, Petach M, Backhaus S. Thermoacoustic space power converter[J]. AIP Conf. Proc, 2003, 654: 656-661.

[63]Backhaus S, Tward E, Petach M. Traveling-wave thermoacoustic electric generator[J], Appl. Phys. Lett,2004, 85(6): 105-107.

[64]Putnam A A, Dennis W R. Survey of organ-pipe oscillations in combustion systems[J]. J. Acoust. Soc. Am,1956, 28(2): 246-259.