製冷快報 - 製冷快報訊：現代工業生產、空間技術以及軍事工程等都對低溫制冷機的可靠性和壽命提出了很高的要求，而高效率熱聲發動機的問世，給長壽命低溫制冷機的研究和發展指出了新路。這場「動力機械發展史上的革命」，必將以其「無運動部件」的突出特點，一舉改變人們對動力機械的傳統觀念。
就熱聲學的發展歷史、熱聲發動機及其驅動脈管制冷機研究的關鍵技術、熱聲學理論和實驗研究的最新進展與典型樣機以及這一研究領域今後的發展方向和工業應用前景等問題，陳國邦接受了本報記者的採訪。
據製冷快報記者了解，美國洛斯－阿拉莫斯國家實驗室的Backhaus和Swift,於1999年在《自然》上發表論文報導製成一臺熱聲斯特林發動機，熱效率高達0．30，完全可以同內燃機和傳統的活塞式斯特林發動機相媲美，從而使熱聲機械有望真正成為21世紀沒有運動部件的動力機械「新貴」。但這一突破性進展並不「神奇」，其取得實際上源自200多年來熱聲學理論和實驗的穩步發展。
作為熱聲機械基本工作原理的「熱聲效應」，簡單地說就是熱能與聲能之間相互轉換的現象。從聲學角度講，則是由處於聲場中的固體介質與振蕩流體之間的相互作用，導致在距固體壁面一定範圍內產生定向的時均熱流和時均功流。按能量轉換方向的不同，又分為從熱能轉換為聲功的「熱聲發動機」和由聲能轉換為熱能的「熱聲制冷機」。
人們開始熱聲效應的探索之旅，其實源於相當偶然的一些發現。早在1777年，Byron Higgins就在實驗中發現，將氫火焰放在兩端開口的垂直管的適當位置，管中會激發出聲音。吹玻璃工人則發現當將一個玻璃球連接到一根中空玻璃管上時，管子的尖端處有時會發出聲音。善於創造的人類由此開發捉摸：好有意思的「加熱發聲」現象，能不能用它做些有用的事呢？
隨後的19世紀50年代，駐波型和行波型熱聲機械的雛形「Sondhauss管」和「Rijke管」相繼問世。1962年，美國科學家Carter和同事一起研製出世界上第一臺有顯著聲功輸出的駐波型熱聲發動機，以600W的加熱功率獲得了27W的聲功率，熱聲機械研究進入了實用階段。而熱聲學的相關理論研究，也從1868年開始迅速發展起來。1969～1983年間，瑞士蘇黎士聯邦技術研究所的N. Rott提出熱聲振蕩定量理論，最終奠定現代線性熱聲理論的基礎。熱聲學的理論和實踐研究終於蓬勃發展起來。
相關理論和實驗研究的持續深入，促成了眾多熱聲發動機及其驅動脈管制冷機樣機性能的不斷提高，「低品位能源驅動」、「無運動部件機械」的概念正逐漸變成現實。熱聲驅動脈管制冷技術已成為當前製冷與低溫領域的研究熱點，它在車用清潔發動機燃料、天然氣和石油氣的液化及分離、掩埋式垃圾場可燃性氣體回收利用以及普通製冷和空調等工業領域的應用前景日益明朗化。
眾多有代表意義的樣機相繼出現，首先基於近20年內相關理論上的突破。1988年，Swift等人在之前理論的基礎上，系統地闡述了線性熱聲理論，並在後續研究工作中對其進行了發展和完善。這一理論假設振動的壓力、速度等參數均隨時間按正弦規律變化，簡化了相關的動量和能量方程，提高了線性熱聲理論模擬和熱聲機械設計的準確性，對於推廣線性熱聲理論的工程應用具有重要意義。由於線性熱聲理論表達熱聲轉換過程的物理機制不夠清晰，最近10年來非線性熱聲理論也開始起步發展並逐步完善。
當然，裡程碑式熱聲樣機的出現，實驗研究者的努力更加功不可沒。20世紀80年代，美國洛斯－阿拉莫斯國家實驗室製成一臺駐波型熱聲發動機，諧振管內徑127毫米，長4．32米，熱效率為9％。1998年，美國Pennsylvania State大學的Chen和Garrett建成世界上第一臺太陽能驅動的駐波型熱聲發動機,驗證了熱聲發動機以太陽能作為驅動源的可行性。在國內，陳國邦等人所開展的駐波型熱聲發動機研究較具代表性，在一系列實踐和理論進展的基礎上，具備了製造驅動斯特林型脈管制冷機的能力。
同時，首臺環路行波型熱聲發動機於1998年問世，但由於工作氣體振動速度較大，限制了發動機效率的持續提高。1999年,Backhaus和Swift設計製作新型行波熱聲發動機「熱聲斯特林發動機」，使相同壓力振幅條件下速度振幅減小到純行波的1/30，並有效抑制了「聲直流」造成的附加熱損失，最終將熱效率提高到0．30。由於這一成果的開創性，兩位發明者榮獲1999年美國「R&D100」獎，並促成了行波型熱聲發動機研究的迅速興起。
此外，在Swift和美國國家標準技術研究所Radebaugh的聯合努力下,世界上第一臺完全無運動部件的低溫制冷機也於1990年研製成功,並獲得同年的美國"R&D100"獎.到1998年,美國新製成的一臺熱聲驅動脈管制冷樣機，製冷量大約達到1990年作品的400倍，證明熱聲驅動脈管制冷技術可以提供滿足實用天然氣液化所需的製冷量。在中國，浙江大學陳國邦教授研究小組從1998年以來，也在這一領域進行了一系列的優化設計，特別是在低品位熱源的應用方面突破了原有的溫度瓶頸。他們研製的熱聲驅動脈管制冷機的最低製冷溫度已低達81K，進入液氮溫區。
陳國邦表示，熱聲發動機及其驅動脈管制冷機研究雖然獲得了巨大發展，但仍然存在很多問題，這同時也為下一步研究指明了方向：
首先，針對小振幅振動的線性熱聲理論已比較完善，非線性熱聲理論將是今後熱聲學理論研究的重點，現代系統科學中協同學，特別是其中最精髓的自組織理論的引入，成為熱聲學研究的重要任務。其次，為滿足現代工業以及某些特殊應用場合的要求，熱聲發動機及其驅動脈管制冷機需沿「大型化」和「微型化」兩個方向發展，這對其整體結構和部件的設計及加工製造都提出了新的挑戰。同時，降低熱聲系統的起振溫度和穩定工作溫度，實現熱聲機械對低品位能源的利用，更是值得高度關注的重中之重。
陳國邦相信，隨著熱聲學理論和實驗研究的繼續深入，利用低品位能源驅動的無運動部件新型動力機械，必將在本世紀內在現代工業中得以實際應用。
「以熱聲效應為工作原理的脈管制冷機，在從室溫轉變到低溫的過程中，完全去除機械運動部件，很自然就擁有了結構簡單、運行穩定可靠、壽命長等一系列優點。這一新型機械以燃氣、太陽能、廢熱等低品位能源為驅動源，並採用氦、氬、氮等氣體為工作介質，避免了環境汙染，完全順應當前環保製冷發展的『綠色』趨勢。」