之前介紹過火龍卷實驗，可以利用旋轉外罩網來增加空氣的旋度，讓上升的氣流跟火焰變成火龍卷，增加燃燒的效率。其實類似的機制也可以用在吸煙區的除煙室的設計上，在這影片中，除煙室中央有一個空氣吸入口，而除煙室周圍有一些空氣簾，然後空氣簾都朝同樣的順時針方向排氣來製造有旋度的空氣。
當這樣有旋度的空氣被中心的空氣吸入口集中到中心以後，就會產生龍卷的煙柱，讓煙很集中地快速被吸走。因為有龍捲的幫助，香菸的煙就更不會擴散到這區域以外的地方，而且排除的效率更好。同樣的設計也可以用在廚房排油煙間，或是需要控制氣流流動跟需要除塵的地方(生物實驗室，無塵室等等)， 所以同樣的原理雖然在火龍卷上可能會造成火災的蔓延，不過了解原理也會讓更多可能的應用被實現！
本文原發表於科學影像Scimage
本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文
林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。
「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。
這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。
高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？
科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。
回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。
林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。
因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。
太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。
熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。
儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。
學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。
他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。
他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。
這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。
林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。
訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？
林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。
在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。
大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。
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拖著腳步走在酷熱沙漠中的你，突然看見前方有東西出現：一片荒蕪之中竟有一池波光粼粼的水。但當你急著走向水邊，想喝點水來解渴時，那池水卻忽然消失無蹤。事實上，你看到的不是水，而是大自然以光學錯覺對你開的殘酷玩笑。
當地表溫度讓其上的空氣升溫時，就會出現海市蜃樓；路面和沙漠經常能看到此現象。吸收大量熱能的沙子和柏油會將部分熱能傳到地面上方的空氣中。暖空氣的密度比上方的冷空氣小，當光線從冷空氣進入暖空氣時，兩者的介質密度差異便會讓光線的行進路徑產生彎折。
但你的大腦並不知道光線已被彎折。當光線進入眼中時，大腦依然以為光是從前方的地面筆直地反射而來，所以我們會把被折射到地面的藍天看成地上的一池水。我們以為終於得以解渴，但一切都是錯覺。
本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 30 期（2017 年 03 月號）
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上班族閒聊的時候，只要提到搭飛機，不可免俗地都會談到機艙的空氣品質，你可以替我們解惑一下嗎？因為我們常聽到一些傳言，說機艙的空氣不僅骯髒，又充滿細菌。
骯髒、到處都是細菌、很糟糕、噁心、品質惡劣、讓人反感、不好聞、腐敗、很臭、到處都是屁味。大眾用來描述機艙空氣品質的用語中，以上這些還只是一小部分而已。外界還有為數不少的傳言，就是有些旅客聲稱，在機艙內循環的細微病菌害得他們身體不舒服，但機艙內部的空氣其實非常乾淨。
現代飛機上的旅客還有組員所呼吸的氣體，其實是由回收循環的空氣以及外界的新鮮空氣所組成。將兩種氣體混合，不單只用新鮮的空氣，這種做法更能夠調控機艙內的溫度，還可以維持一點溼度（其實只能短暫維持而已）。機艙內部的氣體是從發動機的壓縮區段而來。壓縮過後氣體溫度相當高，不過在這個區段壓縮機只是擠壓空氣，氣體並沒有跟燃料、滑油，或者是燃燒室的氣體接觸。氣體從壓縮機分流之後就會送進空調系統冷卻，隨後就由導管輸送進入機艙，中間會經過百葉窗式氣縫、通氣孔，還有旅客座位上方的冷氣口（駕駛都稱空調系統稱為「PACKs（pneumatic air cycle kit）」，這是「氣動式空氣循環裝置」的簡稱，通常一架飛機都有兩組這種裝置）。
空氣進入機艙後會持續循環，直到被吸入機身底部為止，到了這個階段，有一半的氣體被抽出機身外—由主增壓外流閥排出。這個時候，機身內的另一半氣體會跟發動機灌入的新鮮空氣混合，經過濾清器，開始新的循環。
研究顯示，跟其他密閉空間相比，擁擠的機艙內部的病菌並沒有比較多—通常還更少。製造機身底部濾清器的公司都說這些裝置屬於醫療等級，雖然我早就知道你們可能會說醫院根本是病菌的溫床，但是波音公司指出，濾清器可以捕捉空氣中百分之九十四到九十九點九的微生物，而且每兩到三分鐘就會重新換過一次空氣，遠比辦公室、電影院，或是教室的頻率高出許多。
外界一直有一個根深柢固的迷思，那就是駕駛會定時降低空氣的流量來節省燃料。令人惋惜的是，有些很可靠、頗具權威的新聞媒體也跟著附和這種無稽之談。這邊就有一個鐵證：以下這段話是取自《經濟學人》二○○九年的其中一期，裡面寫道：「一半新鮮空氣、一半則是回收循環的氣體，航空公司通常都會維持這樣子的比例。然而駕駛可以調降新鮮空氣的比例來節省燃料，有些還把新鮮空氣的比例降到只剩百分之二十。」讀到這裡的時候我都傻眼了。我特別愛這句：「有些還把新鮮空氣的比例降到只剩百分之二十。」這句話聽起來豈不是帶著濃厚的陰謀色彩嗎？
首先，駕駛無法調整飛機的空調系統，也沒辦法控制兩種氣體之間的比例。裝置的製造廠商早已設定好氣體的比例，也無法從駕駛艙來控制調整。在我駕駛的波音飛機上，我們可以直接調控溫度，但是只能間接控制氣流。如果你們請我「把新鮮空氣的比例降到百分之二十」，我還會很有禮貌的告訴你們我辦不到。開始飛行之前，調整的開關已經設定成自動模式，氣動式空氣循環裝置也會稍微掌控比例的調整。既然兩個發動機持續運轉，一切也都順利的運作，絕對不用擔心氣流有什麼狀況，唯有故障的時候設定才會更動。
我個人並不是很熟悉空中巴士的機型，不過我們可以跟空中巴士專家聊一聊。「空中巴士系列的飛機，從A320到比較大型的A380，這些機型都有讓駕駛調整氣流的方法，但是絕對不是《經濟學人》描述的那樣。」戴夫英格力須說，他是A320的駕駛，也是一名飛航作家。
戴夫解釋說空中巴士的氣流控制器有三個段位，分別標示為高（HI）、正常（NORM），還有低（LO）。「基本上大部分時間氣流控制器都是位於正常的位置，這個時候空氣流量為自動控制。如果需要快速調整氣溫，會把駕駛桿調到高的位置；位置低的功能就像名稱表示的那樣，這個段位會降低空氣流量、節省一些燃料，但是降低的幅度極小，也很少派上用場。公司會告訴我們，只有在乘客數量少於一百人的時候才能調到低。而且改變不大，乘客坐在機艙內，幾乎無法察覺任何差異。」
飛機在地面上的時候，你偶爾有可能會聞到一股強烈的氣味—飛機後推之後，機艙內很快會聞到一股刺鼻的氣味，就像是老舊的汽車或巴士排放的廢氣。通常在發動機啟動、廢氣被吸入空調組件中的時候，就會發生這種狀況。這種情況常常要怪外頭的風，風讓氣流逆向吹送，或是把煙霧吹進空調組件的進氣口。這種味道通常只會持續幾分鐘，直到發動機開始穩定運轉就會消失了。這股味道不好聞，不過這跟塞車的時候，你偶爾會在車內聞到的味道不太一樣。
如果乘客抱怨機艙的空氣太乾，這就很合情合理。沒錯，機艙內通常相當乾燥，沒什麼溼氣。機艙的溼度大概在百分之十二左右，甚至比大多數沙漠乾燥許多。飛機在高空中巡航時，機艙乾燥就是最主要的附帶結果，因為在高海拔的空中，水氣的含量很低、甚至微乎其微。提升機艙的溼度看似是一個簡單合理的解決之道，但是我們不這樣做的原因有以下幾種：首先，噴射客機需要載運大量的水，才能讓機艙充滿水氣，但是這樣不僅代價高昂，也會增加重量。加溼系統需要將水重新循環利用，水量愈多愈好，因此這個系統所費不貲，也相當複雜。這組系統確實存在：一個就要超過十萬美元，但也只能小幅提升溼度而已。腐蝕的問題也不能忽視：溼氣跟水珠會依附在機身內部，這對飛機來說傷害很大。
波音787上的濾清器能將效能發揮到百分之九十九點七，所以787的機艙空氣品質是所有商用客機中最有益人體的，溼度當然也高出許多。而且機身的整體構造較不受水氣影響，也有一個特殊的循環系統，會將乾空氣打入機艙跟外殼的夾層中。
舉出以上例子，並不是要強調旅客絕對不會在飛行時感到不適。雖然空氣很乾淨，但是太過乾燥卻對人體的鼻竇有害。乾空氣會破壞鼻黏膜的防護，病菌就更容易入侵。不過，導致乘客生病的通常不是他們所吸入的空氣，而是他們所碰的東西—廁所的門把，還有充滿細菌的托盤跟扶手等等。我不時會看到有乘客戴著口罩，跟這個方法比起來，帶一點乾洗手液在身上或許更能降低生病的機率。
如果你說飛機是散播特定疾病的潛在因素，這點我也不否認。飛機能載著我們快速地長程飛行，確實帶來很多好處，但風險也隨之而來。有一次從非洲起飛的航程結束、飛機落地之後，我發現駕駛艙內有一隻蚊子，我心想：「這隻小小的偷渡客，很容易就溜到航廈裡面咬了某個人。」想像機場內有一個毫無戒心的工作人員，他從來沒有出過國，但是卻突然染上了外來的疾病。事實上，這種情況幾年來都持續發生。這種「機場瘧疾」的案例在歐洲確實有發生過，還因為誤診或延誤就醫喪失了好幾條人命。即使這種慘劇還沒出現在美國，遲早也會發生。全球航空旅行如此有效率地把病菌從一大洲散播到另一洲，這種現象確實頗具教育意義、引人注目，但是老實說，也讓人有點心驚膽戰。
本文摘自《機艙機密：關於空中旅行，你該知道的事實》，由好人出版 出版。
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本文原發表於科學影像Scimage
