電卡制冷技術的發展與前景之我見

付宏陽

摘要：人們對于酷暑的炎熱，對于食物易變質的特性，對于冷鮮食品無法保鮮的遺憾，某些高精尖科學研究對于極低溫的精確控制都因為傳統的蒸汽壓縮制冷技術的發展迎刃而解。但是隨著近些年能源的逐步消耗，能源問題日益嚴重，還有因為氟的過量排放而產生的全球變暖現象，國際社會的環保組織等逐步提出了一系列的條約限制了HFC這類制冷劑的濫用。那么隨著傳統蒸汽壓縮制冷技術逐漸被淘汰，我們要怎樣解決繼承的問題呢——去發現一種新的環保（應對全球變暖），節能（能源危機）的新型制冷技術是解決當前世界性問題的關鍵。磁卡制冷，電卡制冷，彈卡制冷，壓卡制冷，輻射制冷等新型的制冷技術因為環保，噪音小，轉換率高等有點而被世界所關注，是最有可能取代傳統蒸汽壓縮制冷技術的新技術。接下來分析電卡制冷技術作為其中的一種有哪些優點或缺點，還有哪些面臨的技術層面的挑戰。

關鍵詞：制冷技術;能源;環保;電卡制冷

一、傳統制冷技術的局限性

空調的出現緩解了人們對于酷暑的無可奈何，人們因此可以在酷暑中享受清涼的片刻。冰箱的出現則解決了人們對于某些棘手的食品保存問題，即使在酷暑也看一看將沒有吃完的佳肴放進冰箱，等待下次臨幸。冷庫的出現則實現了內陸區域享受海鮮的夢想。也許我們普通人現在對于制冷技術的產生與發展并沒有那么的重視，但是試問若是在你的生活中，沒有了空調沒有了冰箱，沒有了冷凍海鮮，你的生活會是怎樣的乏味與痛苦。

但是隨著傳統制冷技術的使用時間逐漸久遠，局限性開始暴露出來，早在上個世紀八九十年代，人們就發現了氣候變暖這一殘酷的事實，人們對于制冷技術的依賴造成了HFC排放物的過量排放。至今這個問題仍未解決，南北極上空的臭氧層空洞甚至達到了北美洲相同大小，臭氧層對于人類乃至整個地球上的所有生物都比制冷技術要重要的多，人們對于此事件的關注度也越來越高，對于取代傳統制冷技術的欲望也越加強烈。

除此之外，近幾年全世界各種資源的匱乏問題也逐漸顯現，不僅僅是制冷行業的問題，包括與我們出行息息相關的石油資源的匱乏漲價，還有我們每天離不開的電力，國內最近的停電限電等措施更是彰顯了能源問題的嚴重。

最后一點，也可能是年輕人最注重的一點，那就是隨著移動設備技術的日漸發展，如今的手機已經不再是以前只用來打電話發短信的工具了，更多的是作為一個助手，不僅僅是幫助我們處理遠距離通信，更能夠在我們需要學習或者娛樂的時候提供我們一個便捷的渠道，讓我們可以在一個小小的手機上完成很多很多事情。但是手機芯片的日益發達，隨之而來的就是為追求性能而引起的功耗問題，功耗變大，導致芯片溫度升高，溫度升高又會導致性能降低，這樣一個死循環的解決辦法就是制冷，但是在一個移動端設備怎么可能將龐大的壓縮制冷設備置入其中呢，常見的風冷又效果一般且噪音巨大，這就是制冷技術隨著科技發展顯現的又一技術瓶頸。

這樣嚴重的兩方面問題和面臨的技術瓶頸共同加速了傳統蒸汽壓縮制冷技術局限性的暴露，也驅使人們主動去探索新的制冷技術。

二、電卡制冷技術原理

電卡制冷的原理基礎就是熱電效應?？茖W家最開始發現鯊魚的覓食方式較為特殊，鯊魚的鼻子中存在著一種膠體，這種膠體會感受到海水中細微的因其他生物游過而產生的溫度變化，這種膠體會將這種溫度的變化轉換為電信號直接傳遞給神經細胞，這樣鯊魚就可以精準的找到獵物的位置，完成狩獵。這告訴我們，熱和電是可以相互轉化的。

而在熱力學中，溫度與物質排列的整齊程度負相關，顧名思義就是，越整齊溫度會升高，并且在通電材質中存在著很多電偶極，電偶極就是有正電荷和負電荷組成的一個一個小單元，電卡效應就是利用這一個一個小單元的整齊程度完成對溫度的把控。

電卡效應是科學家在上世紀三十年代在羅息鹽中發現的一種物理現象——對某種特定的材質，給他施加一個電場，這樣材料中的電偶極子會從一種高度自由狀態轉變為低自由狀態，也就是一種有序的狀態，造成材料整體系統的熵減少，在外界溫度不變的時候，會放熱導致溫度上升，在熱量交換結束后，對指定材料進行相反的操作，即剛才施加電場，所以現在就屏蔽電場，材料中的電偶極子會從低自由狀態變為高度自由狀態，造成材料整體的熵增加，在外界溫度不變的時候，會吸熱溫度降低，這樣一整個先放熱后吸熱的循環，就是電卡制冷的工作原理。雖然這樣一個制冷過程是間歇式的，但是可以完成空間循環，讓這樣一個制冷過程變為連續式的。

三、對電卡制冷技術的個人理解

本人在網絡上搜集資料了解到了賓州州立大學研制的自回熱旋轉的多層陶瓷電卡制冷原型機還有加州大學研制的用于電池制冷的原型機，這些原型機實例都是體型較小的制冷機械。在我看來電卡制冷技術就是對某材質物體通電，與停電之間的溫度變化差，如何利用好這樣的循環就是制冷技術的關鍵，比如在上文提到的移動設備的制冷問題中，我們就可以在手機的電池以及芯片部分增加這樣的一個循環，在施加電場放熱的時候，將散熱部分導向空氣，在卸掉電場的時候再將吸熱部分通過某種特定的技術手段旋轉到手機內部，完成對手機內部的散熱功能，而且這其中需要的僅僅只是電力，也沒有消耗過多的能源，沒有造成環境污染問題，在我看來是一項很有前景技術。

四、電卡制冷技術發展需要克服的問題

在我尋找資料的時候，很多有關電卡制冷技術相關的文章中，提到最多的都是材質，也就是在原理中提到的這種通電物體，列舉了許多我并不了解的材料，我想尋找一種最適合的材料是最最需要克服的問題。

這些材料最重要的特性就是對于溫度變化的表征，也就是說這些材料可以在溫差多少的范圍內產生這種電卡效應，如果溫差過小，顯然對于我們制冷技術來說是不夠的，我們常用的冷庫需要的溫度可以從室溫到零下幾十攝氏度不等，那么我們需要的可以滿足冷庫制冷的材料就一定要滿足這樣的溫差才可以。

材料的另一個很重要的特點就是價格或者獲取方式，我相信如果新型電卡制冷的空調問世，若他的價格遠低于傳統空調，那么我們以前制冷技術面臨的問題都將迎刃而解，若價格相當或稍微高出一點，那么如若政府出手調控，也是非常理想的解決辦法，但是若是因為這種通電材質的稀缺而導致空調價格的高昂，廣大人們也是沒辦法接受的，那樣的話也許可以用來滿足一些高精尖的科學研究中的降溫系統。

還有就是材料的大小，形式，前文提到的對于手機制冷技術的技術瓶頸就是蒸汽壓縮制冷系統體積過于龐大，無法置入較小的移動設備中，電卡的大小也是問題的關鍵。

第二個問題就是電卡效應所產生的溫度變化的大小，或者說是電卡效應的強度夠不夠，如果手機耗了百分之幾十的電量，最后溫度也沒有降下去幾度，這樣的制冷效果一定是非常不實用的，所以如何用最小的電場量，創造最大的電致熵變也是發展上需要克服的重要難關。

第三個問題，就是我在關于手機制冷問題中提到的，如何將這個循環的散熱放熱時刻通過工藝進行空間循環?？梢韵胂蟮氖沁@樣的制冷技術想必一定是需要通過旋轉或者是左右橫移的方式來完成吸熱與放熱之間的循環變化的，也有很多研究人員提出通過熱二極管或者是一些其他的方式來避免運動部件，在這樣循環的過程中如何避免能量的損失也都是難題。

五、電卡制冷技術發展前景

對于電卡制冷技術我相信不僅是我，還有廣大的科研人員們一定都是秉持一種樂觀的態度的，因為它確實擁有太多的優點，如果我們能夠克服上文描述的這些技術難題，一定會成為改變世界的重要科學進步。

電卡制冷技術的優點：

1、電卡制冷沒有造成任何的污染，不可燃，沒有毒性，不會產生類似傳統制冷技術的有害物過量排放導致的環境污染。

2、電卡制冷技術需要的唯一能源就是電能，電在當今社會已經是必不可少的能源，且是可以通過環保的方式比如風能，水能，太陽能這些方式獲取的，不會存在不可再生資源的浪費。

3、電卡制冷或者說是熱電制冷，是電能轉化為熱能的一次轉換，不存在能量形式的多次轉變，能量損耗小，轉化效率高。

4、因為整體與電路相關，和電路有著相似的特點，就是易于集成，如果技術成熟，研制出的成品體積應該較小。

電卡制冷技術的缺點：

1、材料問題，能否找到轉化率高，易獲取，體積小的材料是關鍵，如若沒有合適的材料，那么高端材料制成的電卡制冷產品只能應用于一些特定場合。

六、總結

不僅是電卡制冷技術，還有磁卡制冷，電卡制冷，彈卡制冷，壓卡制冷，輻射制冷這些新型的制冷技術都是現如今科研人員努力的方向，相信有一天，會有新型的空調，冰箱走進我們的世界，屆時我們也不再害怕南北極上空的臭氧空洞，不再害怕做不成低碳人！

參考文獻：

[1]王文杰 .孟戰國 .沈貴可 .新型固態制冷技術研究進展和應用分析[博西華電器（江蘇）有限公司，210046].

[2]李子超 .施駿業 .陳江平 .錢小石 . 電卡制冷材料與系統發展現狀與展望 .0253- 4339（ 2021） 01- 0001- 13.

[3]錢小石 .韓東霖 .李強 .杜飛宏 . 新型電驅動凝聚態制冷方法：電卡制冷效應、材料與系統.