聲音的魔力-奧妙的聲波冷卻技術
（發佈日期）2004/07/09
想像一下，聲音不再只是聽覺反應，而且可以作為能量來源，進行低溫冷卻，甚至發電？甚至結合此二種特性，即可製造出無動件的低溫制冷設備。經由熱聲效應(ThermoacousticEffect)，前述情節已不是科技幻想，而是真正的物理現象，並且工研院能資所已開發可產生低溫的聲波冷卻原型機。
什麼是熱聲效應?簡單來說，就是熱能與聲能的相互轉換機制；接合兩段不同溫度的玻璃管，就會造成管內空氣膨脹和壓縮，因而發出聲音，此即為熱聲效應。聲波冷卻裝置即是應用熱聲效應產生冷卻能力的裝置，系統主要由四項元件所構成：聲波驅動器、共振管、片堆以及熱交換器。聲波驅動器在共振管中形成單一頻率(如60Hz)之共振聲波，造成工作氣體在管內往覆運動時，受到不同的壓力擾動作用，造成溫度變化，進行熱量傳遞。聲波冷卻裝置的核心元件就是片堆(stack)�***堆由一片片低導熱度的材質所堆疊而成，每片板材以特定距離隔開，工作氣體於其中往覆運動，並進行以聲制冷的熱聲效應。


聲波冷卻的工作原理基本上可分為四個步驟：

(1)工作氣體在片堆中移動，愈接近壓力波腹點(anti-node)，氣體體積壓縮，溫度升高(T0++)；

(2)氣體將熱(QH)於片堆右端釋放(T0+)；

(3)接著氣體反向往壓力波節點移動，壓力降低，體積膨脹，氣體溫度也隨之下降(To-)；

(4)氣體溫度比片堆低，因此能不斷地由片堆吸收熱量(Qc)，降低溫度，形成低溫冷卻的效果。


其實生活環境中的聲音，也會造成空氣溫度變化，但是由於聲波能量太小，因此溫度變化不明顯。但是在聲波冷卻裝置中，共振聲波可以累積聲能，聲壓值可高於120dB，遠大於飛機噴射引擎的聲音，因此可以形成明顯的溫度變化。設計良好的聲波冷卻系統，大部分的聲能用於進行制冷，逸散出管外的噪音量少；若是將聲波頻率設計於100Hz以下，系統幾乎達到安靜無聲的工作狀態。


聲波冷卻系統構造相當的簡單，但是熱聲原理卻包含了聲學、熱力學、熱傳學、流力、機-電-聲轉換機制等複雜的理論，因此設計熱聲系統時所需考慮的參數也就相當的龐雜，本文僅針對熱聲效應做初步的簡介，較為詳細的理論分析及設計方法，可參考相關文獻之內容。


由於熱聲冷卻是以聲波對氣體作功，形成制冷的作用。工作氣體可以為空氣、氦氣..等無害的氣體，因此不會危害臭氧層、產生溫室效應或是有毒氣體洩露等問題。目前聲波冷卻原型機的冷卻效率(COP)約為1.2，家用空調機COP約為2.5，因此聲波冷卻裝置雖然具有許多優勢，仍需進行效率改善，才能實際應用。


國際上聲波冷卻技術的發展趨勢可分為兩大方向，一是開發超低溫冷卻裝置，美國國家實驗室(LosAlamosNationalLaboratory)以不需動件的大型複合式聲波冷卻機作為天然氣液化裝置，系統低溫約為-200℃，冷卻能力7kW以上。另一方面為聲波冷卻裝置微型化，系統高度在10cm以下，由於聲波冷卻裝置的特性，可於高溫、高濕、無重力等嚴苛的環境下使用，再加上具低溫制冷的能力，因此可應用於電腦產品或太空產品的散熱需求，以及醫療產品的精密溫控。


工研院能資所於92年投入微型聲波冷卻技術的開發，初期已開發可製造低於環境溫度的微型聲波冷卻裝置，未來將開發制冷能力大於40watt的主動式聲波制冷裝置，預期將可協助國內資訊電子產業建立領先的散熱管理技術，提昇市場競爭力。

這是轉貼位置~經濟部技術處全球資訊網
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