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热声驱动制冷技术是一项环保、可靠的新型能源转换技术，在天然气液化和储存方面具有很好的发展前景。然而，相对于其他气体液化技术来说，传统的热声制冷技术仍存在系统制冷效率较低、结构不紧凑和功率密度较低等问题。目前，国际上对热声天然气液化技术的研究还不成熟，尤其是对其高效工作机理的认识还不够深入，而我国对于热声天然气液化技术的研究还处于初始阶段。本文围绕高效热声驱动制冷流程、系统和部件的工作机理深入开展了理论与实验研究，取得以下工作进展和创新成果: 1．研究了旁接型环路热声驱动制冷系统的高效工作机理和性能，系统实测效率为国际上千瓦级热驱动制冷系统报道的最高效率。 相对于传统热声驱动制冷系统，旁接型环路热声制冷流程不仅可以实现高效的热—声—冷能量转换过程，还具有高功率密度、结构紧凑等优点，有望在天然气液化领域获得广泛应用。本文对该系统的高效工作机理进行了理论分析和实验研究。首先揭示了高效系统的热力学性能和动力学参数的沿程分布特征。理论结果表明，系统回热器和谐振管均处于行波占主的声场，有利于实现高效的能量转换与声功传输，因此系统在理论上具有较高的效率。接着，阐明了这种新型发动机回热器与谐振管面积比对热声转换特性的影响规律。理论结果表明，面积比的最优的取值范围为10～18，过大或者过小均会降低系统性能:当面积比过小时，发动机回热器声阻抗幅值较小，导致较大的(炯)损失;当面积比过大时，发动机及制冷机回热器内均存在较大的(炯)损失。实验结果很好地验证了该结论。这一研究结果揭示了面积比为1的Ceperley热声系统效率较低的原因。此外，研究指出了热声发动机与脉管制冷机之间耦合位置的影响机理。理论结果表明，当制冷机耦合于谐振管入口处或者出口时系统均能获得较好的性能。相对来说，制冷机耦合于谐振管出口时系统效率更高，此时发动机回热器内声场相位更接近行波相位，同时谐振管炯损失率更小。 研制了千瓦级天然气液化温区的热声制冷系统实验样机，并深入地考察其工作特性。当加热温度为923K时，系统在制冷温度为130K时可获得1.2kW制冷量和8％整机相对卡诺效率。这是目前同类千瓦级制冷系统获得的最高效率，相比美国LosAlamos国家实验室等三家机构联合研制的热声天然气液化装置效率提升了39％。若将该系统用来液化常温常压的天然气，相当于仅需燃烧35％天然气即可液化65％天然气。随后，将实验与模拟结果进行对了比分析，指出了一维模拟软件在计算有限换热损失、射流损失、变截面流动损失、环境漏热损失等方面的局限性。 2．提出一种可实现声功部分回收的谐振子耦合型级联脉管制冷机，揭示了系统高效工作特性与耦合机理，实验样机相对于单级结构提升了32％制冷效率。 针对旁接型热声制冷系统中脉管制冷机膨胀功耗散的问题，提出了一种可实现部分声功回收的谐振子耦合型级联制冷机，并对其高效工作特性与耦合机理展开了理论与实验研究。首先基于阻抗匹配的原则，建立了高效系统的优化设计流程。依次设计了各级制冷机、谐振子、直线压缩机，并实现了各子单元间高效耦合匹配。设计结果表明，当谐振子两端活塞等面积时一级制冷机难以实现最优阻抗，因此系统无法获得最高效率;当谐振子两端活塞面积不等时，各级制冷机均可实现最高效率，进一步当谐振子声功损失最少时，级联制冷机整机效率最高。接着，揭示了系统调相机构的作用机理。理论结果表明，谐振子可以实现两端相位差由67.9°到-31.4°的有效扭转，从而使一级制冷机回热器处于行波声场;惯性管、气库主要用来实现二级制冷机回热器的行波声场。随后，阐明了这种新型制冷机与传统单级制冷机、传输管型级联制冷机的性能差异及原因。理论结果表明，相对于前者，新型制冷机不仅能够获得额外的二级制冷量，由于谐振子更强的调相能力还可以更多的一级制冷量，因而具有更优的制冷性能;相对于后者，由于谐振子相对于传输管具有更强的声功传输和相位调节能力，因此新型制冷机效率更高。 研制了谐振子耦合型级联脉管制冷机的实验样机，考察了天然气液化温区下系统性能、谐振子两端相位关系、谐振子机械阻尼以及各子单元耗功分布，并与单级制冷机和传输管型级联制冷机进行了实验对比。实验结果表明，当压缩机输入1.9kW电功时，整机系统在130K制冷温度下可获得24.5％相对卡诺效率和371W制冷量，相比于单级脉管制冷机和传输管耦合型级联制冷机可分别提升32％和20％的制冷效率。若将这种新型系统应用到旁接型热声制冷系统中，整机热致冷效率可望提升到10％以上，从而达到与现有天然气液化系统相媲美的性能水平。 3．提出一种本征高效的新型串接型环路热声驱动制冷系统，阐明了关键参数的影响机理与系统高效的匹配规律，实验样机获得了10％的相对卡诺效率。 针对旁接型热声制冷系统中脉管制冷机膨胀功耗散的问题，提出了一种可实现声功全部回收的串接型环路热声制冷系统。这种新型结构不仅本征效率可以达到卡诺效率，还能实现声功的逐级放大和冷量的集中获取。本文对该系统的高效工作机理进行了理论分析和实验研究。首先揭示了高效系统的热力学性能和动力学参数的沿程分布特征。理论结果表明，该系统具有比旁接型系统更高的制冷效率。系统内回热器和谐振管均处于行波占主的声场，声功在多个发动机回热器中逐级放大。接着，阐明了相邻谐振管面积比对整机系统性能的影响规律与机理。计算结果表明，当谐振管面积比过小或者过大时均会对回热器和谐振管的声场相位、阻抗幅值和有效(炯)产生负面影响，进而显著降低系统性能。计算中谐振管面积比最优为1.5。这一研究结果表明了采用等直径谐振管的De Blok系统效率较低的关键原因。此外，研究揭示了相邻发动机面积比的影响规律。计算结果表明，发动机面积比最优取值范围为1～1.4，当面积比偏离该取值范围时系统性能严重下降。随后，阐明了发动机级数与工作温度之间的匹配规律。计算结果表明，需要选取发动机级数、加热温度和制冷温度，从而实现整机系统功率的最佳匹配。 研制了串接型环路热声驱动制冷系统实验样机。探究了该系统在不同工作温度下的系统性能、发动机导流机构的影响规律以及采用变温加热源时的系统性能。实验结果表明，在制冷温度为130K时整机系统最高可获得10％相对卡诺效率和378W制冷量。实验结果显示出在天然气液化领域以及能量的梯级利用方面的良好发展前景。 4．提出一种适用于大功率热声制冷系统的新型壳管式换热器，揭示了其高效换热机理与性能，在大功率脉管制冷机验证实验中可提升15％制冷效率 提出并研究了一种适用于大功率热声系统的新型壳管式换热器结构，除了具有较大的气侧换热面积和较小的水力半径，还具有均匀的径向截面温度分布，比常用的翅片式换热器具有更好传热能力。首先介绍了新型换热器结构的加工流程。接着采用计算流体动力学软件Fluent模拟了两种换热器截面温度分布。计算结果表明，新型换热器比传统翅片式换热器的径向截面温差显著降低。随后，在较大功率脉管制冷机中对比考察了两种换热器的性能。实验结果表明，采用新型壳管式水冷器的制冷机效率可提升15％。进一步考察可得，新型换热器入口气体温度更接近冷却水温度。随后，通过实验验证了换热器径向温度的均匀性对换热性能具有重要影响，解释了新型换热器换热性能更优的主要原因。