目前，全球運(yùn)行著約五十億臺(tái)制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)。如果考慮車載冰箱或者空調(diào)系統(tǒng)，這一數(shù)值還會(huì)更高。這些系統(tǒng)消耗了全球電力的約 20%，并且大多通過含有(氫)氟碳化合物的蒸發(fā)壓縮技術(shù)來運(yùn)作。

盡管人們也開發(fā)了環(huán)保型制冷劑例如丙烷。考慮到電力生產(chǎn)的間接二氧化碳排放，以及氟化制冷劑的直接泄漏，空調(diào)制冷及其相關(guān)應(yīng)用所導(dǎo)致的溫室氣體排放，累計(jì)占據(jù)全球溫室氣體排放總量的 10%。

后來，人們發(fā)現(xiàn)基于固態(tài)卡材料的制冷技術(shù)，可以作為一種替代方案，因?yàn)樗鼈兙哂懈咝�率，并且不�?huì)直接導(dǎo)致氣候變暖。

在外部應(yīng)用場的作用下，卡材料會(huì)經(jīng)歷可逆的絕熱溫度變化，這些場可以是磁場、靜水壓力，也可以是單軸應(yīng)力和電場。

說到這里就不得不提電卡效應(yīng)，它是指電介質(zhì)在外加電場的作用下，會(huì)產(chǎn)生放熱或者吸熱的物理現(xiàn)象。

而卡材料的一大優(yōu)勢是，驅(qū)動(dòng)這些變化所輸入的大部分能量，都會(huì)存儲(chǔ)起來然后被回收利用，因此設(shè)備的性能系數(shù)和工作效率能被顯著提高。

然而，當(dāng)前電卡設(shè)備的性能仍然未能滿足制冷應(yīng)用的需求。以制冷功率為例，目前實(shí)驗(yàn)室的最高功率仍然不到 1 瓦，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通商用制冷機(jī)的百瓦量級(jí)。

基于以上背景，盧森堡科學(xué)與技術(shù)研究院的研究人員優(yōu)化了可再生式制冷機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)。

基于課題組的前期工作，他們了解到可再生式電卡制冷器件的溫跨能夠達(dá)到 10 開爾文以上，其理論制冷功率可達(dá) 1.2 瓦。

因此，本次課題的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)溫跨在 20 開爾文以上、并且制冷功率達(dá)到瓦級(jí)別的器件。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們采用許多單個(gè)工作介質(zhì)堆垛的方式來制備器件，并重點(diǎn)研究了幾何堆垛方式和理論模擬的結(jié)合。

同時(shí)，他們還借鑒了雙回路的方法，測試了不同溫跨之下的器件制冷功率。研究中，該團(tuán)隊(duì)還研究了幾何參數(shù)對(duì)于性能的影響。在最優(yōu)的結(jié)構(gòu)下，得到了一個(gè)溫跨可以達(dá)到 20 開爾文的器件。

然后，他們利用雙回路的方法，測試了這款原型機(jī)的制冷功率。在溫跨達(dá)到 2.2 開爾文的條件下，制冷功率達(dá)到 4.2 瓦。

這一成果表明電卡制冷器件可以實(shí)現(xiàn)瓦級(jí)別的制冷。同時(shí)，當(dāng)輸入電能被回收利用的時(shí)候，器件工作效率達(dá)到 64%，非常接近理論數(shù)值。

毫無疑問，這項(xiàng)工作是領(lǐng)域內(nèi)一大突破，讓電卡制冷器件能夠走向?qū)嶋H應(yīng)用成為可能，并有望實(shí)現(xiàn)芯片和電池的高效冷卻。

同時(shí)，還有望替代車載空調(diào)和家用空調(diào)。憑借固態(tài)電卡材料的特殊性質(zhì)，未來還可能被用于特殊場合的制冷，例如全固態(tài)制冷設(shè)備在空間站的應(yīng)用等。

(關(guān)鍵字：制冷)