制冷快報(bào) - 當(dāng)前低溫制冷技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品及生物材料低溫冷凍儲(chǔ)存、氣體低溫液化分離（如空分行業(yè)、航天應(yīng)用）、低溫氣體能源、超導(dǎo)應(yīng)用、紅外探測(cè)器件冷卻、半導(dǎo)體工業(yè)、低溫生物醫(yī)療等領(lǐng)域，該技術(shù)當(dāng)前的研究方向主要是“雙高”：即高效率和高穩(wěn)定性。而低溫工程學(xué)是指研究物質(zhì)在低溫下的客觀規(guī)律以及如何獲知和應(yīng)用低溫的一門學(xué)科，其中包括低溫計(jì)量、低溫物性、低溫材料、低溫物理四個(gè)方面。
    低溫制冷的基本方法是指低溫的獲取，而低溫的獲取有兩種方式：流體制冷和固體制冷。低溫制冷機(jī)的基本原理是由穩(wěn)定流動(dòng)回?zé)嶂评溲�環(huán)即節(jié)流、膨脹+回?zé)岬难�環(huán)構(gòu)成。目前國內(nèi)研究較多的低溫制冷技術(shù)主要包括三種：深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)、熱聲制冷技術(shù)、高頻脈沖管制冷技術(shù)。

    一、混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)成就高效制冷 提高制冷機(jī)系統(tǒng)可靠性及效率

    據(jù)制冷快報(bào)記者從制冷學(xué)會(huì)年會(huì)技術(shù)講座上了解到，中國科學(xué)院公教授表示，當(dāng)前這種混合工質(zhì)制冷技術(shù)的應(yīng)用可以獲得極為缺乏的熱物性，傳熱的數(shù)據(jù)及其規(guī)律，對(duì)于制冷機(jī)的精確設(shè)計(jì)具有直接的幫助，也加深了行業(yè)對(duì)制冷機(jī)理的認(rèn)識(shí)，，對(duì)于提高系統(tǒng)可靠及效率意義重大，而由此技術(shù)所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也豐富了對(duì)于相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，公教授表示：不同循環(huán)的*優(yōu)混合工質(zhì)配比不同，在各自優(yōu)化的情況下，一次節(jié)流循環(huán)具有*高的熱力學(xué)效率。而實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的循環(huán)流程則需要考慮更多的因素。

    實(shí)際打造一種高效制冷技術(shù)流程結(jié)構(gòu)還需要考慮眾多因素，使用混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)針對(duì)不同需求已經(jīng)發(fā)展了相應(yīng)的高效可靠的制冷流程，公教授在報(bào)告上表示：在綜合考慮效率和可靠性的基礎(chǔ)上提出的一種帶分凝分離結(jié)構(gòu)的回?zé)嶂评淞鞒探Y(jié)構(gòu)，可以完美的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效和高可靠的結(jié)合。據(jù)制冷快報(bào)記者了解，目前混合工質(zhì)核心制冷技術(shù)主要結(jié)合普冷和低溫技術(shù)的各自特點(diǎn)，以普冷制冷系統(tǒng)的硬件，高效、可靠和低成本的實(shí)現(xiàn)深冷溫區(qū)制冷，另一方面這樣的技術(shù)也易于規(guī)模推廣。

據(jù)公教授介紹，當(dāng)前混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)可應(yīng)用于混合工質(zhì)低溫冰箱，采用此技術(shù)實(shí)際上是高效回?zé)崾交旌瞎べ|(zhì)節(jié)流制冷和完全環(huán)保工質(zhì)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)從—86至—186攝氏度全溫區(qū)覆蓋。在順應(yīng)節(jié)能低碳環(huán)保的時(shí)代主流下，該項(xiàng)技術(shù)目前已成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并獲得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益；顯著提升了我國低溫冰箱行業(yè)的發(fā)展水平。

    二、熱聲制冷技術(shù)創(chuàng)無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

    縱觀熱聲制冷機(jī)的發(fā)展歷程，2004年采用聚能諧振管行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種新型的低溫?zé)崧曋评錂C(jī)面世，其在平均壓力為2.1MPa,工作頻率為91Hz時(shí)可達(dá)到75K，首次突破液氮溫度；2005年中科院理化所提出的“聲學(xué)壓力波放大器”，實(shí)驗(yàn)獲得證實(shí)；2005年研發(fā)的雙行波熱聲制冷流程及效率*高、冷量*大的室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，實(shí)現(xiàn)了以氦氣為工質(zhì)在平均壓力為3MPa，工作頻率為67.5Hz、2.2KW的輸入功率情況下，在—22攝氏度時(shí)有250W的制冷量，其實(shí)現(xiàn)的雙行波流程結(jié)構(gòu)為世界首臺(tái)；2006年研究出的“二介質(zhì)耦合聲學(xué)放大器”實(shí)現(xiàn)了不僅可降低工作頻率，且可同時(shí)提高壓比，用于聚能型發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的二次二級(jí)脈沖管制冷機(jī)，獲得18.3K的*低溫度，首次突破液氫溫度，率先在國際上取得了中等頻率熱聲制冷的突破，目前已達(dá)到63K；2008年—2009年，新結(jié)構(gòu)行波熱聲制冷可實(shí)現(xiàn)*低溫度—80攝氏度，在340W@—20攝氏度的制冷量，加熱量降低到2.2KW以下，效率有30%以上的提高。

    熱聲效應(yīng)包括熱致聲效應(yīng)和聲制冷效應(yīng)。利用熱致聲效應(yīng)可制作熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)（即熱聲壓縮機(jī)），利用聲制冷效應(yīng)可制造熱聲制冷機(jī)，將二者結(jié)合可形成完全沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)。據(jù)介紹，當(dāng)前熱聲壓縮機(jī)主要有兩種形式：一是駐波型，此波型壓力波和速度波相位接近90度，主要為駐波場(chǎng)，熱聲轉(zhuǎn)換，需要固有的不可逆換熱；一是行波型，此波型壓力波和速度波接近0度，主要為行波聲場(chǎng)，熱力轉(zhuǎn)換，追求可逆熱力過程。而熱聲制冷機(jī)的主要形式有三種：駐波熱聲制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)、熱聲斯特林熱聲制冷機(jī)。

    對(duì)于熱聲制冷技術(shù)，存在以下五個(gè)方面的特點(diǎn)：*，高度的可靠性，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件；第二，高度的環(huán)保性，因其技術(shù)運(yùn)用中采用的是He、N2等惰性氣體；第三，高度的適應(yīng)性，其運(yùn)行中使用的熱能驅(qū)動(dòng)可以是余熱、太陽能等；第四，寬廣的制冷溫區(qū)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)室溫低至低溫4K，；第五，潛在的高效率，行波熱聲循環(huán)的本征效率與卡諾循環(huán)相同。目前在低溫制冷方面使用的機(jī)械式低溫制冷技術(shù)可靠性低，在室溫制冷方面使用的氟利昂制冷技術(shù)因環(huán)保問題需要替代，相比較之下，熱聲制冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已逐漸顯現(xiàn)出來，其應(yīng)用發(fā)展空間不言而喻。

    三、高頻脈沖管制冷技術(shù)獨(dú)具緊湊和高效的發(fā)展?jié)摿?/p>

    高頻脈沖管制冷在低溫下沒有運(yùn)動(dòng)部件，可靠性得到大幅度的提高。高頻脈沖管由高頻直線壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有緊湊和高效的發(fā)展?jié)摿Γ�近年來成為脈沖管制冷研究的重點(diǎn)和前沿方向，高頻脈沖管制冷技術(shù)又分為單級(jí)高頻脈沖管制冷和多級(jí)高頻脈沖管制冷技術(shù)。

    當(dāng)前單級(jí)高頻脈沖管制冷技術(shù)相關(guān)研究單位已經(jīng)提出弱非線性理論模型，并開發(fā)出性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化軟件，研制出當(dāng)前國際效率*高的低溫脈沖管熱聲制冷系統(tǒng)，20W@@77K整機(jī)效率22.2%，而多級(jí)高頻脈沖管制冷技術(shù)的研究相關(guān)單位提出采用SAGE軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化由兩臺(tái)直線壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的三級(jí)高頻脈沖管制冷系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中成功獲得5K以下的無負(fù)荷溫度，這是目前三級(jí)高頻脈沖管制冷獲得的*低溫度。