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制冷散热技术[5]: 热声制冷

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发表于 2021-8-28 15:09:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
    热声制冷技术是依托于热声效应的一种新型制冷技术。它通过声波将热量从低温端(冷端)送到高温端(热端),当高温端固定为环境温度时,低温端就可以持续降低温度来实现制冷。如图1所示,谐振管内气体受声压的作用,会发生绝热压缩和膨胀。在热声板叠左端,气团受驻波压缩,温度升高,向板叠放热。在热声板叠右端,驻波低压相绝热膨胀,使得气团温度低于板叠温度,气团从板叠吸热。因此,声波每做一个循环,气团就将热量从热声板叠的右端向左端传递,使两端温差增大。最终,热量Qc从冷端换热器(Tc)被输送到热端换热器(Th),并释放热量Qh。
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图1 热声制冷原理
虽然热声现象200多年前就已发现,但热声技术在近二三十年内才获得较快发展,其应用领域大多集中在冷却红外传感器、超导电子器件等低温固体器件。热声制冷可使用惰性气体或其混合物作为工质,利用热声压缩机代替常规的机械压缩机来驱动制冷机,无需使用污染环境的制冷剂,因而具有结构简单、可靠性强的独特优点。图2中展示了一种热声制冷装置。虽然目前热声制冷的效率还有待提高,但是此项革新性制冷技术有望为科研人员解决特殊场景下的制冷散热瓶颈问题提供了新的思路。
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图2 热声制冷装置(源于网络)
近几年,国内外已尝试将热声制冷技术应用于微电子元件散热。最具代表性的装置是一种应用于微电子芯片和电路系统散热冷却的微型热声制冷样机(如图3)。该样机以一个标准大气压下的空气作为工质,压电喇叭作为声驱动器,可获得11℃的制冷温差。此外,还尝试将热声制冷技术应用于太阳能光热发电领域。利用热声制冷机来冷却太阳能热声发动机,以达到降温散热效果。但由于气体泄漏与热损失等原因,目前散热温差仅1.8 K。
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图3 微型热声制冷样机(源于网络)
需指出的是,热声制冷技术离商业化应用仍有一段距离,尚许多瓶颈技术问题需要解决,如寻找合适工质、板叠尺寸优化以及提高制冷量等。伴随研究的深入和新材料的使用,热声制冷将有很大的发展空间,我们拭目以待此项制冷技术的变革性发展。

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