一個(gè)多世紀(jì)以來，蒸汽壓縮技術(shù)一直是加熱和冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它依賴于對(duì)環(huán)境構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)的制冷劑。這些制冷劑會(huì)導(dǎo)致全球碳排放，并在泄漏時(shí)釋放出對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)有害的化學(xué)物質(zhì)。

　　大多數(shù)商業(yè)化制冷機(jī)，都是通過反復(fù)壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來制冷。隨著制冷劑的循環(huán)，能將熱量從房間或設(shè)備中吸出帶走。然而，壓縮機(jī)的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個(gè)分子對(duì)大氣層的加熱效率要比一個(gè)二氧化碳分子至少高1，000倍。

　　美國(guó)能源部艾姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Slaughter 研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種磁熱熱泵，它在成本、重量和性能方面與傳統(tǒng)系統(tǒng)相匹配，消除了有害制冷劑。通過優(yōu)化材料和設(shè)計(jì)，該泵實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)?shù)墓β拭芏龋瑸榧訜岷屠鋮s提供了更環(huán)保、更高效的替代方案。

帶有楔形切口的基線模型，圖片來源：美國(guó)能源部艾姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

　　磁熱熱泵通過消除制冷劑排放并以更高的能源效率運(yùn)行，為加熱和冷卻提供了一種很有前途的替代方案。然而，到目前為止，磁熱裝置在所有三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域都難以與蒸汽壓縮系統(tǒng)相匹配：重量、成本和性能。這一新進(jìn)展標(biāo)志著朝著更可持續(xù)的加熱和冷卻技術(shù)邁出了重要一步。

　　磁熱熱泵的工作原理是改變施加在磁熱材料的磁場(chǎng)，同時(shí)泵送流體以移動(dòng)熱量，這通常是用永磁體完成的。該設(shè)備的核心包括相對(duì)于磁熱材料旋轉(zhuǎn)永磁體，并使用磁鋼來保持磁場(chǎng)。這三個(gè)部分的排列在團(tuán)隊(duì)的研究中起著重要作用，因?yàn)樗麄冄芯苛巳绾问篃岜玫墓β拭芏雀摺?/p>

（注：從某種程度上來說，所有磁性材料都會(huì)在被置入磁場(chǎng)后升溫，在移出磁場(chǎng)后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應(yīng)”(magnetocaloric effect)。原子通過自身振動(dòng)貯存能量；而當(dāng)外加磁場(chǎng)將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動(dòng)時(shí)，金屬原子的振動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)，溫度隨之增加。移除磁場(chǎng)后，溫度則會(huì)降低。雖然這一效應(yīng)早在1881年就被發(fā)現(xiàn)，但它的商用價(jià)值卻一直被人忽視。這是因?yàn)椋瑥睦碚撋蟻碚f，只有在極低的溫度下使用超導(dǎo)磁體，才能將這種效應(yīng)最大化到產(chǎn)生可利用的效果。在1997年，美國(guó)能源部愛艾姆斯實(shí)驗(yàn)室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)，一種由釓、硅和鍺構(gòu)成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應(yīng)。自那時(shí)起，美國(guó)宇航公司還陸續(xù)把注意力集中在具有同樣性質(zhì)的其他合金上。*科普中國(guó)）

　　提高材料使用和效率

　　研究團(tuán)隊(duì)研究重點(diǎn)還包括評(píng)估這些熱泵中使用的兩種最常見的磁熱材料。釓和鑭鐵硅氫化物基材料。

　　研究團(tuán)隊(duì)表示，在他們的基線設(shè)備中，使用單一材料釓來保持簡(jiǎn)單。鑭鐵硅材料具有比釓更高的功率能力。因此，這自然會(huì)增加功率密度。它們不是那么容易獲得，并且需要在一臺(tái)設(shè)備中使用多種材料才能獲得良好的性能。在研究團(tuán)隊(duì)的評(píng)估中，包括了對(duì)功率密度最高的器件的性能的估計(jì)。

　　Slaughter 的團(tuán)隊(duì)專注于更有效地利用空間和材料，并減少泵高效運(yùn)行所需的永磁材料和磁鋼的數(shù)量。這些努力有助于使核心系統(tǒng)部件與當(dāng)今可用的壓縮機(jī)的重量相匹配。

　　研究團(tuán)隊(duì)表示，他們能夠證明，與當(dāng)今一些壓縮機(jī)的功率密度相比，磁致熱熱泵是有競(jìng)爭(zhēng)力的，永磁體和磁鋼構(gòu)成了大部分質(zhì)量，而不是昂貴的磁熱材料，這確實(shí)有助于負(fù)擔(dān)得起。如果設(shè)備的重量大致相同，那么大規(guī)模生產(chǎn)的成本也將大致相同。