聲能冰箱

生活科學趣談

除了熱電效應、磁熱效應、熱彈效應可運用於致冷用途,今天再來聊另一種 熱聲效應 ( Thermoacoustic effect )

熱聲致冷技術是以高強度的聲波來取代壓縮機的角色,藉由揚聲器所產生特定頻率的聲音來形成振盪的壓力波,從而對共振腔內的高壓氦氣產生壓縮與膨脹作用。由於氣體絕熱壓縮時溫度會上升,絕熱膨脹時溫度則下降,經由片堆與熱交換器即可傳遞熱量而形成致冷循環(refrigeration cycle),熱聲致冷器就是利用此原理的應用

Thermoacoustic-effect1

 

Thermoacoustic-effect2

Thermoacoustic-effect3

2004年的原型機則具有119瓦的冷卻能力,溫度可達 -24.6℃的冰淇淋冷凍櫃→《SOUNDS COOL!

Thermoacoustic-effect4

聲能冰箱是焦耳循環(氣體制冷循環)的應用,其循環的四個過程與使用傳統壓縮機的電冰箱相似,二者的區別在於前者不發生相變
1. 絕熱壓縮:當氣體團移動到片堆左側時,會經歷絕熱壓縮的過程,壓縮時溫度升高。
2. 等壓冷卻:因為氦氣在片堆左側的溫度升高,於是可藉由放熱而由工作流體將熱量帶走,這時的氦氣冷卻過程屬於等壓冷卻。
3. 絕熱膨脹:當氣體團移動到片堆右側時,則是經歷絕熱膨脹過程,膨脹時溫度下降。
4. 等壓吸熱:氦氣在片堆右側的溫度下降,於是在這個冷端吸收來自工作流體的熱量,使得流出冷端的流體溫度下降,這時的氦氣則處於等壓吸熱過程。
這種經由聲波振盪而形成溫差的現象稱為「熱聲逆效應」,利用這種泵熱過程,就可以製作由聲波致冷的「熱聲致冷機」,目前的技術已可實現攝氏零下200度以下的低溫。

相對的,「熱聲正效應」則是由於熱在氣體中所引起的聲波自激振盪現象,例如 Rijke Tube。當熱量施加於管內的熱交換器(鐵網)時,附近的氣體被加熱,產生膨脹並發出壓力擾動波前而向兩端傳播。當第一個壓力波前傳播到管腔的開口端時會反射回來,然後與後續抵達的波動相疊加。在某一特定頻率(由共振腔管長與聲速決定)產生正回饋加強,經若干個週期的重複加強後達到飽和而形成持續的諧振波動,這個過程是將熱轉換成聲波形式的機械能,故稱「熱聲正效應」。

延伸閱讀

熱聲發動機是指經由熱聲效應,由熱產生機械動力的裝置。現有發動機中與熱聲熱機最為接近的是史特林引擎(Stirling Engine)。與傳統的熱機技術相比,熱聲技術具有下列優點與發展潛力:
1. 耐用性高:熱聲發動機和熱聲致冷機都沒有運動元件,它們的壓縮過程和膨脹過程完全由聲波本身的振盪來實現
2. 效率高:由於沒有機械運動部件,因此傳統熱機中因機械摩擦而產生的損耗即可避免
3. 結構簡單:熱聲熱機主要由熱交換器和管道組成,其機械加工複雜程度比傳統動力機械低,因此製造成本可以降低
4. 環保:熱聲技術通常採用惰性氣體當介質,因此具有環保特性,並且可採用多種熱源驅動工作(太陽能、生質能、工業餘熱等)。
研究熱聲效應和熱聲技術的物理機制與能量轉換特性,在經過多年努力後,迄今已建立更為健全的熱聲設計理論,在理論架構下逐漸形成完善的技術體系,並發展出許多熱聲發動機和致冷機產品。