聲波冷卻冰箱(Acoustic Refrigerator)

聲波冷卻冰箱(Acoustic Refrigerator)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

聲波冷卻冰箱(Acoustic Refrigerator)，是一種利用聲波引起封於管內之氣體壓力改變，進而溫度改變的原理所製做的一種環保冰箱。

人類利用低溫保存食物的方式由來已久；在古代便在冬天時於地窖儲存冰塊，等到夏天將食物放入低溫的地窖保存。而現今的冰箱，是透過氣體體積改變導致溫度改變來達到冷卻的效果。因為當氣體進行一個絕熱膨脹(adiabatic expansion)的過程，即在一絕熱系統中改變氣體體積（與外界沒有熱量交換），溫度與體積遵守下列關係式：

T_1：氣體膨脹前的溫度，T_2：氣體膨脹後的溫度
V_1：氣體膨脹前的體積，V_2：氣體膨脹後的體積
n：氣體分子莫耳數，R：亞佛加厥常數，C_V：氣體莫耳熱容量(molar heat capacity)

因此當體積膨脹的時候，溫度會隨之而降低，如此一來，便可以達到冷卻物質的效果。冰箱內的氣體來源就是冷媒，冷媒為高揮發性液體，產生的蒸汽經由電力驅動幫浦壓縮，氣體體積變小，氣體溫度上升轉變為熱能逸散置空氣中；當氣體體積膨脹時，氣體溫度下降可用來冷卻。然而冷媒的材料卻多為氟氯碳化合物(Chlorofluorocarbons, CFCs)，雖然CFCs無毒又不具腐蝕性，但是當它們洩漏到大氣當中，會和臭氧(O₃, Ozone)在紫外光的照射下進行一連串鏈鎖反應(Chain reaction)，造成臭氧層(ozone layer)的破壞。因此，從1996年起，CFCs開始被禁用起，科學家便開始找尋新的冷卻方式。

聲波冷卻冰箱便是在這一個環保思維下誕生的產物。由於分子間有作用力的存在，氣體被壓縮時會產生熱，反之氣體膨脹時溫度下降。美國加州大學Steven L. Garrett和他的同事想到利用聲音來讓冰箱工作。基本裝置很簡單：一個大的充滿鈍氣(Inert gas)U形管，然後在開口的兩端安裝喇叭。完整的儀器設備可區分為兩部份「Resonator」和「Driver」。其U形管部份稱為Resonator，目前內部填充氣體大多選擇高壓氦氣，壓力約10 bar；其他包括兩個熱交換器(heat exchanger)和冷卻塔(stack)。Driver主要包含了擴音器，可以發出約150至200分貝的聲波。聲音最後則通過一較長較細的管徑來到一個緩衝空腔(buffer volume)，聲音在此處消散，失去其能量，因此整個聲波冷卻冰箱並不會相當嘈雜。

圖一、聲波冷卻冰箱的原理  http://ehp.niehs.nih.gov/docs/1994/102-9/innovations.html

當聲音透過喇叭傳出進入U形管內時，管內氣體的壓力受到聲音而變動。壓力較低區域的氣體溫度降低，反之，壓力變大區域的氣體溫度升高。變熱區域的高溫氣體可透過散熱器將熱量交換出去，漸漸的整個U形管氣體溫度越來越低，可應用於冷卻。Garrett的聲波冷卻冰箱需要使用205瓦特的電力將主要裝置冷卻到4℃，Resonator部份到-22℃。這個冷卻溫度需要以160分貝的聲音來 維持，雖然160分貝的聲音的很大聲，大概是最吵最吵的重金屬演唱會的聲音再大上10000倍，但是隔音設備極其完善，你需要用到聽筒才能判斷出聲波冰箱是否正在運轉。

目前聲波冷卻冰箱還在實驗室進行改良的階段，尚未進行商業化的大量生產。

參考資料：
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; p. 173.
2. Docstoc –Acoustic Refrigerators  http://www.docstoc.com/docs/16536544/Acoustic-Refrigerators