廢熱驅動手機揚聲器發電實驗設計

戴瑩 趙小娟

摘 要：熱聲效應是指可壓縮流體的聲振蕩與固體介質之間換熱而產生的能量效應。本項研究嘗試利用普遍存在的溫度在300℃左右的工業或民用設施的低品質非集中廢熱資源，通過加熱封閉小空間的空氣介質，使其產生熱致聲波，并通過推動串聯在一起的手機微型揚聲器的動圈，從而感生出電流發電。

關鍵詞：熱聲效應;廢熱;揚聲器;發電

一、前言

熱致聲驅動裝置采用手機揚聲器作為功能轉換器，用熱產生聲波來驅動與微制造技術結合的熱聲元件（手機揚聲器）和諧振腔，利用高頻熱聲過程來實現由聲振蕩引起工質壓力和溫度的振蕩，驅動手機揚聲器音圈運動，從而實現廢熱發電。其工作頻率一般較高，應用于非集中的低品質廢熱回收利用，也可通過陣列化方式實現較大規模的工業廢熱回收發電。其特點是體積小，無振動、無精密運動部件、成本低。圖1所示為一熱致聲驅動發電裝置示意圖。

熱致聲驅動發電裝置根據波形式的不同，有駐波型和行波型兩種形式。目前大部分是以駐波型為主的結構。

二、需求分析

隨著微電子技術的進步，在單位面積上可集成的芯片和電路越來越多，因此在系統尺寸不斷縮小的同時，單位面積的散熱功率也在不斷增大（10～50W/cm^2）。由此帶來的過高溫度會降低芯片的工作穩定性，增加出錯率，同時模塊內部與其外部環境間所形成的熱應力會直接影響到芯片的電性能、工作頻率、機械強度及可靠性。電子元器件的壽命與其工作溫度具有直接的關系，元件PCB板的熱循環和熱梯度所產生的熱應力與變形最終導致疲勞失效。把工作溫度與溫度梯度降到最低限度是電子產品設計人員面臨的最大挑戰。因此微電子元件和系統的散熱問題已成為了制約其發展的主要障礙之一。

現代復雜裝置，電子化程度的高低在一定程度上決定了先進性，在實際較為苛刻的使用環境中，如果使用微型熱回收裝置作為微電子芯片和電路系統的熱量管理手段，將會大大提高設備的性能。所以研制熱致聲驅動裝置，并將集成電路芯片與微型熱聲發電系統集成在一起，是解決未來集成電子電路的冷卻及散熱問題的理想方案。圖2為熱致聲驅動發電裝置與電子芯片的耦合示意圖。

三、研究步驟

熱致聲驅動發電裝置，具有熱聲元件的微型化特點，作為原理性工作，為簡化設計，在設計、制造和測試方面盡量采用成熟材料和工藝，首先實現原理性突破，以下問題是在熱致聲驅動發電裝置研究中需要解決的關鍵問題：

熱聲板疊的間隙與聲頻成反比，因此尋找適合的板疊材料和微加工技術是微型熱聲發電裝置的關鍵，如圖3;

聲驅動系統與熱聲諧振腔系統的阻抗匹配，以及熱聲諧振腔系統、發電負荷的阻抗匹配及聲功輸出界面的耦合也是重要的問題。本項目發電裝置中使用的手機揚聲器為音圈式結構，它是阻性的，阻抗較小，相比之下，與氣體工作介質的熱聲諧振腔的阻抗有一定差距，因此優化系統部件間阻抗的匹配，才能使聲驅動器輸出最大的聲功率、發電負荷得到最大的輸出功率，提高整個裝置系統的性能。

本項研究針對以上關鍵問題和目前的條件，研究了如下內容：

進行熱致聲驅動發電裝置試驗研究，結構簡圖如圖4所示。

四、結論

利用現代規模量產技術得到的低成本功能轉換器-手機揚聲器，結合古老的熱致聲物理原理，將工民用生產中產生的廢熱加以回收利用發電，為廢舊物資和低品位熱源的綜合利用提供了思路，通過進一步的研究和開發，具有良好的商業化應用前景。

參考文獻

[1]于可利，邱金鳳，張艷會，劉強，我國廢舊手機回收行業現狀、挑戰及對策，資源再生，2016（10）

[2]葉滴清，淺談電腦手機等電子廢棄物的回收利用，資源節約與環保，2014（1）

本文系2018年度蘭州市“十三五”教育科學規劃課題《廢棄手機揚聲器用于廢熱回收發電裝置的研究》研究成果，課題立項號LZ〔2018〕GH639