热声效应是指可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的时均能量效应。声能是一种振荡形式的能量,声波在空气中传播时会产生压力的波动和位移的波动,还会引起温度的波动。当声波所引起的压力、位移、温度波动作用到固体边界时,就会发生明显的声波能量与热能的相互转化,这就是热声效应。如果能够实现热能与声能的相互转化并与外界热源的热量交换,即可制成热声制冷机。
声波制冷的研究和开发兴起于20世纪80年代。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室于1990年展示了一台声波制冷机,制冷最低温度达89开,在制冷温度为120开时,制冷功率为5瓦。美国加州的海军研究生院于80年代曾研制了一台热声冰箱(STAR)用于1992年1月发射的“发现”号航天飞机上,在地面产生比室温低80开的温度,当制冷功率为3瓦时,峰值效率为卡诺热机的20%。这两台声制冷机都使用电动声源,工作频率在400~500赫兹。2000年以后,美国海军研究生院致力于声波制冷的家用电冰箱和空调器的研究和开发。声波制冷的家用电冰箱(TALSR)已研制成功,冷藏室温度为4摄氏度,冷冻室的温度可达-22摄氏度。声波制冷已用于红外传感、雷达及其他低温电子器件的降温。低温电子器件的制冷问题与常规民用制冷相比,有自己的独特之处,它要求制冷温度低(-50~200摄氏度)。但制冷量不大,要求制冷机的机械振动小、可比性高和小型轻量化。声波制冷技术刚好适合这些方面的要求。因此可以期望声制冷技术在低温电子学器件制冷方面有好的应用前景。
声波制冷与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比,热声热机具有无可比拟的优势:①无须使用污染环境的制冷剂,而是使用惰性气体或其混合物作为工质,因此不会导致使用的氯氟烃或氢氟烃臭氧层的破坏和温室效应而危害环境;②基本机构非常简单和可靠,无须贵重材料,成本上具有很大的优势;③它们无须振荡的活塞和油密封或润滑,无运动部件的特点使得其寿命大大延长。