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声波冷却冰箱(Acoustic Refrigerator)

声波冷却冰箱(Acoustic Refrigerator)
国立台湾大学化学系学士生张育唐/国立台湾大学化学系陈蔼然博士责任编辑

声波冷却冰箱(Acoustic Refrigerator),是一种利用声波引起封于管内之气体压力改变,进而温度改变的原理所製做的一种环保冰箱。

人类利用低温保存食物的方式由来已久;在古代便在冬天时于地窖储存冰块,等到夏天将食物放入低温的地窖保存。而现今的冰箱,是透过气体体积改变导致温度改变来达到冷却的效果。因为当气体进行一个绝热膨胀(adiabatic expansion)的过程,即在一绝热系统中改变气体体积(与外界没有热量交换),温度与体积遵守下列关係式:

声波冷却冰箱(Acoustic Refrigerator)

T1:气体膨胀前的温度,T2:气体膨胀后的温度
V1:气体膨胀前的体积,V2:气体膨胀后的体积
n:气体分子莫耳数,R:亚佛加厥常数,CV:气体莫耳热容量(molar heat capacity)

因此当体积膨胀的时候,温度会随之而降低,如此一来,便可以达到冷却物质的效果。冰箱内的气体来源就是冷媒,冷媒为高挥发性液体,产生的蒸汽经由电力驱动帮浦压缩,气体体积变小,气体温度上升转变为热能逸散置空气中;当气体体积膨胀时,气体温度下降可用来冷却。然而冷媒的材料却多为氟氯碳化合物(Chlorofluorocarbons, CFCs),虽然CFCs无毒又不具腐蚀性,但是当它们洩漏到大气当中,会和臭氧(O3, Ozone)在紫外光的照射下进行一连串链锁反应(Chain reaction),造成臭氧层(ozone layer)的破坏。因此,从1996年起,CFCs开始被禁用起,科学家便开始找寻新的冷却方式。

声波冷却冰箱便是在这一个环保思维下诞生的产物。由于分子间有作用力的存在,气体被压缩时会产生热,反之气体膨胀时温度下降。美国加州大学Steven L. Garrett和他的同事想到利用声音来让冰箱工作。基本装置很简单:一个大的充满钝气(Inert gas)U形管,然后在开口的两端安装喇叭。完整的仪器设备可区分为两部份「Resonator」和「Driver」。其U形管部份称为Resonator,目前内部填充气体大多选择高压氦气,压力约10 bar;其他包括两个热交换器(heat exchanger)和冷却塔(stack)。Driver主要包含了扩音器,可以发出约150至200分贝的声波。声音最后则通过一较长较细的管径来到一个缓冲空腔(buffer volume),声音在此处消散,失去其能量,因此整个声波冷却冰箱并不会相当嘈杂。

声波冷却冰箱(Acoustic Refrigerator)

图一、声波冷却冰箱的原理  http://ehp.niehs.nih.gov/docs/1994/102-9/innovations.html

当声音透过喇叭传出进入U形管内时,管内气体的压力受到声音而变动。压力较低区域的气体温度降低,反之,压力变大区域的气体温度升高。变热区域的高温气体可透过散热器将热量交换出去,渐渐的整个U形管气体温度越来越低,可应用于冷却。Garrett的声波冷却冰箱需要使用205瓦特的电力将主要装置冷却到4℃,Resonator部份到-22℃。这个冷却温度需要以160分贝的声音来 维持,虽然160分贝的声音的很大声,大概是最吵最吵的重金属演唱会的声音再大上10000倍,但是隔音设备极其完善,你需要用到听筒才能判断出声波冰箱是否正在运转。

目前声波冷却冰箱还在实验室进行改良的阶段,尚未进行商业化的大量生产。

参考资料:
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

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