熱聲技術

熱聲技術是指由介質引起聲學自激振盪的現象。熱聲技術實質上是一項“熱機技術”。有人甚至稱熱聲熱機為“第四代熱機”（美國Swift）。如同蒸汽機或內燃機一樣，熱聲熱機可將熱轉換為機械能，或用機械能產生溫度差。

基本介紹

• 中文名：熱聲技術
• 外文名：Technology of Thermoacoustic
• 實質：熱機技術
• 結構：行波結構
• 釋義：由介質引起聲學自激振盪的現象
• 學科：機械工程

熱聲現象及熱聲效應

簡單地說，熱聲效應是由熱在彈性介質（常為高壓惰性氣體）中引起聲學自激振盪的物理現象。如下圖所示的簡單裝置，當熱量施加到熱端換熱器上，熱端換熱器所包圍的氣體被加熱。氣體膨脹並產生首個壓力擾動波前，向兩端以聲速傳播。同時由於膨脹後的氣體被推入回熱器板疊的空隙中，回熱器的溫度低於熱端換熱器，氣體換熱後體積收縮，收縮的氣體有向回運動的傾向。同時，第一個壓力波前傳播到諧振腔的端部而反射回來，反射波與氣體收縮運動相疊加。在某一頻率（由諧振管長度與聲速度決定）上產生正反饋加強，經若干個周期的重複加強後，達到飽和而形成持續的諧振波動。這個過程完成了熱到聲波形式的機械能的轉換，這一過程就是“熱聲正效應”。這個熱聲裝置就是最簡單的“熱聲發動機”。如果在諧振管中利用電聲振盪裝置產生聲壓力波，“熱聲逆效應”的結果就會使得兩個換熱器間產生溫差，即泵熱過程。利用這個泵熱過程，就可以製作由聲波進行製冷的“熱聲制冷機”。熱聲制冷機已可輕易地實現攝氏零下200度以下的低溫。

熱聲效應

此外，將上述兩套系統連線在一起。一個系統加熱，產生聲振盪，另一個系統吸收聲振盪進行製冷。這樣的系統可以實現完全無機械運動部件，由熱直接驅動的制冷機。

熱機技術

熱聲技術實質上是一項“熱機技術”。有人甚至稱熱聲熱機為“第四代熱機”（美國Swift）。如同蒸汽機或內燃機一樣，熱聲熱機可將熱轉換為機械能，或用機械能產生溫度差。因此在熱能利用和低溫製冷方面有廣泛的套用。與大量使用的內燃機不同，並不一定需要用液體或氣體燃料注入到氣缸內部燃燒做功，只要有熱量施加在熱頭就能工作。化石能源日益短缺，這就使低成本地利用太陽能熱發電或產生機械功成為可能。

現有發動機中與熱聲熱機最為接近的是斯特林熱機（Stirling Engine，最早的外燃機）。斯特林制冷機和斯特林發動機已經有多年商業套用。常規動力潛艇的靜音動力電源、當前大功率太陽能發電最高效率的保持者和深空探測器中的核衰變熱發電機都有斯特林熱機的身影。但由於造價和可靠性問題限制了其廣泛套用。熱聲熱機與斯特林熱機的不同之處，是利用聲學特性實現內部氣體的配置，而不是利用高溫或低溫處的機械活塞。這就為降低製造成本和提高可靠性提供了良好的特性。兩者有相近的套用領域和方式，本徵效率相近。但熱聲熱機可靠性更高，成本更低，壽命更長。

熱聲熱機在熱機分類中的位置

對於熱聲發動機的意義和在熱機家族中的地位，可由圖2說明。社會生活與工業已經離不開動力裝置。交通與電力生產是最重要的套用場所。由於化石燃料是以往的主導能源，化石能源的特性也就決定了動力裝置的命運。在的交通領域，航空動力以燃氣輪機為主導，其特徵是流體燃料在機內燃燒，高溫產生氣體膨脹推動旋轉的渦輪或噴射高速氣流產生推進力；汽車等相對小功率的交通工具則廣泛採用氣缸活塞結構的汽油機或柴油機，其特徵是流體或氣體燃料在氣缸內燃燒，高溫產生氣體膨脹推動往復運動的活塞再驅動曲柄連桿機構獲得動力輸出；在現代火力發電系統中，以煤炭、重油燃燒或核燃料裂變作為熱源，燃料的特性決定其為外燃方式，即在鍋爐中產生高壓水蒸汽推動汽輪機產生旋轉動力。綜合起來，我們不難發現只有內燃和外燃兩種燃燒方式，渦輪旋轉和活塞往復兩種動力產生方式，由此產生如圖2所示的四種組合。內燃-旋轉、內燃-往復與外燃-旋轉在能源工業與交通工業中大量使用，主導了熱機套用。而外燃-往複方式在歷史上曾經以瓦特的蒸汽機為代表，隨著燃料變化和技術發展而逐漸淘汰。斯特林外燃機也屬於這個形式，但因可靠性與成本問題而未得到大量使用。熱聲熱機技術克服了斯特林熱機的這些缺點，隨著能源結構的轉變，尤其是太陽能熱利用的需求增加，有望成為廣泛使用的熱機技術。

熱聲發動機技術

利用熱在壓力氣體中產生自激振盪這一熱聲現象，可以實現將熱轉換為壓力波動，也即聲波，壓力波是交變機械能，也就實現了熱-機轉換。熱聲發動機就是指通過熱聲效應由熱產生機械動力的裝置。

與傳統的熱機技術相比，熱聲技術具有以下突出優點和發展潛力：第一，可靠性高：熱聲發動機和熱聲制冷機都沒有運動部件，它們的壓縮過程和膨脹過程完全有聲波自身具有的升高和降低來實現；第二，效率高：由於沒有機械運動部件，因此常規熱機中因機械摩擦而產生的損失就可避免；第三，結構簡單、製作成本低：熱聲熱機主要由換熱器、回熱器和管道組成，其機械加工複雜程度比傳統動力機械大大降低，因此製造成本可以更低；第四，環保和廣泛的適應性：熱聲技術一般採用惰性氣體作工作介質，同時是一種外燃式的設備，因此具有更高的環保特性，可採用多種熱源驅動工作（太陽能、生物質能、工業餘熱等）。　研究熱聲效應和熱聲技術的內在物理機理和能量轉換特性，包括聲學特性、氣體傳熱特性、流動特性、熱功轉換特性等並非易事。經過很多人多年努力，迄今已經建立起來了較為系統的熱聲設計理論。在理論的指導下，已經製造出了多個熱聲發動機和制冷機產品，並逐漸形成了完整的技術體系。

為便於說明，前面用最簡單的駐波系統介紹了基本原理。實際的熱聲系統為獲得高的效率和可靠的工作特性，一般採用行波結構（如圖3左）。新近提出（中科院羅二倉）並成功運行了的雙作用多缸行波熱聲發動機，不需要諧振管，使得熱聲熱機更為高效和緊湊，極有利於實用化（見圖3中、右所示）。

熱聲制冷機技術

　與熱聲發動機相反，利用熱聲逆效應可以實現通過聲波（交變機械能），將熱從低溫輸送到高溫的泵熱過程。當高溫端固定在環境溫度時，低溫端的溫度就會持續降低而實現製冷的功能。

圖4

聲波可以通過電聲器件（或直線振盪電機）產生，也可以由前述的熱聲發動機產生。前者方便在大部分有電力供應的套用場合，而後者可以實現利用熱源直接製冷，在特定的場合有獨特的優勢。

熱聲熱泵技術

與熱聲製冷類似，但將低溫端的溫度固定為環境溫度，可以實現高效制熱，即熱泵功能。在工業過程與生活中，很多場合都需要用電力產生熱。常見的加熱方式是採用電熱元件將電力通過電阻發熱產生熱能，但這種熱產生方式不經濟，能源利用效率低。熱泵作為一種新型的加熱方式可以提高數倍的能源利用效率，如空氣源、水源或地源熱泵等。現有的熱泵利用工質的壓縮-蒸發過程（常見空調系統的逆過程）實現熱泵功能。然而，由於工質特性的限制，這種熱泵很難實現大溫差泵熱（一般低於100攝氏度），限制了在更高溫度的套用。

利用熱聲熱機，可以實現更高溫度的泵熱過程而製造熱聲熱泵。由於熱聲熱泵採用氣體工質，適宜在很寬的溫度範圍內工作，因此熱聲熱泵更適合高溫（高於150攝氏度）套用場合。