01 無氣體冷卻

包括金屬、陶瓷和塑料等越來越多的候選熱效應(yīng)材料相繼出現(xiàn)。熱效應(yīng)材料的溫度變化是由于材料的微觀結(jié)構(gòu)熵在循環(huán)磁場、電場或應(yīng)力場作用下發(fā)生變化而引起的。例如，可以通過將磁疇與外加磁場對齊來降低磁熱材料中的磁熵。原子晶格振動的熵增加以補(bǔ)償，這導(dǎo)致了加熱；去除順序強(qiáng)化場，磁疇吸收了振動晶格的熵，使磁疇變得更加隨機(jī)排列(更高的熵)，溫度會下降。

訣竅是使用傳熱流體將循環(huán)的低磁熵階段產(chǎn)生的熱量分流到外部。然后，在高磁熵階段，熱交換系統(tǒng)必須改變方向，將已冷卻的傳熱流體輸送到制冷室或空調(diào)機(jī)組的冷卻盤管中。

U.S. Dept. of Energy, Ames Laboratory; APS/D. Ehrenstein

在磁熱冷卻循環(huán)開始時(shí)（頂行），施加的磁場使材料中的磁疇取向一致，從而降低了其磁熵。為了補(bǔ)償，與晶格振動相關(guān)的熵增加，材料升溫；用熱交換流體去除這些額外的熱量，然后降低材料的溫度（右下）；移除磁場，磁疇失去取向一致性，磁熵上升，降低了晶格的振動熵和溫度（左下）。冷工質(zhì)在冷卻熱交換流體時(shí)升溫，熱交換流體流向冰箱或空調(diào)的線圈，最后工質(zhì)從低溫端環(huán)境吸熱，使得空調(diào)或電冰箱可以源源不斷地將熱量從低溫端輸送到高溫端。

研究人員對電、磁或彈性等類型的熱效應(yīng)材料哪種最具前景看法不一。Takeuchi 現(xiàn)在押注于一類銅基材料，這些材料屬于所謂的形狀記憶合金 (SMA) 家族的一部分，可以通過相對溫和的擠壓產(chǎn)生彈性熱量溫度變化。Takeuchi 從一家日本公司獲得了合金樣品，該公司正在開發(fā)此種合金以幫助抑制地震中建筑物的運(yùn)動。他說，這些材料將會以合理的價(jià)格大量供應(yīng)，“你可以想象，如果材料是規(guī)模化生產(chǎn)的，那么我們就可以開展業(yè)務(wù)了。” 

目前，他和研究生 David Catalini 正在將鉛筆粗細(xì)大小的空心 SMA管簇應(yīng)用于他們的 A 型樣機(jī)中試驗(yàn)，努力開發(fā)具有適度冷卻需求的原型設(shè)備，比如葡萄酒柜。這些管簇經(jīng)歷了被（活塞）擠壓和釋放的循環(huán)，中空形式使得熱交換流體很容易通過它們。

使用當(dāng)前蒸汽壓縮技術(shù)運(yùn)行的冷卻設(shè)備總共消耗了全球約 20% 的電量。他們的溫室氣體制冷劑通常會泄露并加劇全球變暖。在未來幾十年中，除非創(chuàng)新者能夠開發(fā)出更環(huán)保的冷卻技術(shù)，否則預(yù)計(jì)還會有數(shù)十億臺此類設(shè)備被人們安裝使用。

參考文獻(xiàn)

1. I. Campbell et al., Solving the Global Cooling Challenge, report from the Rocky Mountain Institute (2018).

2. P. Lloveras et al., “Colossal barocaloric effects near room temperature in plastic crystals of neopentylglycol,” Nat. Commun. 10, 1803 (2019).

3. B. Li et al., “Colossal barocaloric effects in plastic crystals,” Nature 567, 506 (2019).

Ivan Amato，In Hot Pursuit of 21st Century Cooling，February 20, 2020, Physics 13, 21.