一個多世紀(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)，它依賴于對環(huán)境構(gòu)成重大風(fēng)險的制冷劑。這些制冷劑會導(dǎo)致全球碳排放，并在泄漏時釋放出對人類和生態(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，它們的每一個分子對大氣層的加熱效率要比一個二氧化碳分子至少高1，000倍。

　　美國能源部艾姆斯國家實驗室的Slaughter 研究團(tuán)隊開發(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，該泵實現(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：美國能源部艾姆斯國家實驗室

　　磁熱熱泵通過消除制冷劑排放并以更高的能源效率運行，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，同時泵送流體以移動熱量，這通常是用永磁體完成的。該設(shè)備的核心包括相對于磁熱材料旋轉(zhuǎn)永磁體，并使用磁鋼來保持磁場。這三個部分的排列在團(tuán)隊的研究中起著重要作用，因為他們研究了如何使熱泵的功率密度更高。

（注：從某種程度上來說，所有磁性材料都會在被置入磁場后升溫，在移出磁場后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應(yīng)”(magnetocaloric effect)。原子通過自身振動貯存能量；而當(dāng)外加磁場將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動時，金屬原子的振動就會加強(qiáng)，溫度隨之增加。移除磁場后，溫度則會降低。雖然這一效應(yīng)早在1881年就被發(fā)現(xiàn)，但它的商用價值卻一直被人忽視。這是因為，從理論上來說，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，美國能源部愛艾姆斯實驗室(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)。自那時起，美國宇航公司還陸續(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）

　　提高材料使用和效率

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

　　Slaughter 的團(tuán)隊專注于更有效地利用空間和材料，并減少泵高效運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，磁致熱熱泵是有競爭力的，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。