一個(gè)多世紀以來(lái)，蒸汽壓縮技術(shù)一直是加熱和冷卻系統的基礎，它依賴(lài)于對環(huán)境構成重大風(fēng)險的制冷劑。這些制冷劑會(huì )導致全球碳排放，并在泄漏時(shí)釋放出對人類(lèi)和生態(tài)系統有害的化學(xué)物質(zhì)。

　　大多數商業(yè)化制冷機，都是通過(guò)反復壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來(lái)制冷。隨著(zhù)制冷劑的循環(huán)，能將熱量從房間或設備中吸出帶走。然而，壓縮機的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話(huà)，它們的每一個(gè)分子對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。

　　美國能源部艾姆斯國家實(shí)驗室的Slaughter 研究團隊開(kāi)發(fā)出了一種磁熱熱泵，它在成本、重量和性能方面與傳統系統相匹配，消除了有害制冷劑。通過(guò)優(yōu)化材料和設計，該泵實(shí)現了相當的功率密度，為加熱和冷卻提供了更環(huán)保、更高效的替代方案。

帶有楔形切口的基線(xiàn)模型，圖片來(lái)源：美國能源部艾姆斯國家實(shí)驗室

　　磁熱熱泵通過(guò)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(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域都難以與蒸汽壓縮系統相匹配：重量、成本和性能。這一新進(jìn)展標志著(zhù)朝著(zhù)更可持續的加熱和冷卻技術(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。該設備的核心包括相對于磁熱材料旋轉永磁體，并使用磁鋼來(lái)保持磁場(chǎng)。這三個(gè)部分的排列在團隊的研究中起著(zhù)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(lái)說(shuō)，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(chēng)為“磁致熱效應”(magnetocaloric effect)。原子通過(guò)自身振動(dòng)貯存能量；而當外加磁場(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，溫度隨之增加。移除磁場(chǎng)后，溫度則會(huì )降低。雖然這一效應早在1881年就被發(fā)現，但它的商用價(jià)值卻一直被人忽視。這是因為，從理論上來(lái)說(shuō)，只有在極低的溫度下使用超導磁體，才能將這種效應最大化到產(chǎn)生可利用的效果。在1997年，美國能源部愛(ài)艾姆斯實(shí)驗室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科學(xué)家偶然發(fā)現，一種由釓、硅和鍺構成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應。自那時(shí)起，美國宇航公司還陸續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

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

　　研究團隊表示，在他們的基線(xiàn)設備中，使用單一材料釓來(lái)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，并且需要在一臺設備中使用多種材料才能獲得良好的性能。在研究團隊的評估中，包括了對功率密度最高的器件的性能的估計。

　　Slaughter 的團隊專(zhuān)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量。這些努力有助于使核心系統部件與當今可用的壓縮機的重量相匹配。

　　研究團隊表示，他們能夠證明，與當今一些壓縮機的功率密度相比，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)有助于負擔得起。如果設備的重量大致相同，那么大規模生產(chǎn)的成本也將大致相同。