No38 5年后“日本冰箱”会占领世界吗？

No38 5年后“日本冰箱”会占领世界吗？

自从七万年前出现以来，人类对地球造成了很大的破坏，现在我们在很多方面都面临着针锋相对的反应，我们被迫重新考虑我们过去的做事方式。冰箱就是这样的一个例子，它已成为现代人不可或缺的工具。传统的“冷却方式”已经不能接受了！在日本，有一些研究人员热衷于领先于世界其他地区创造颠覆性创新。

发布于 2023 年 2 月 24 日
Bluebacks 编辑部深川俊太郎的采访和文字

冰箱里即将发生什么事

我想每个家庭都是如此，但我们的冰箱还兼作公告板。冰箱可用于磁性吸附物品，例如纳税单、附近建筑工程的通知、活动门票以及最近的冠状病毒疫苗优惠券。冰箱所在的地方有一块磁铁。两人非常契合。

然而，公告牌只是冰箱的一个“副业”。然而，我们了解到磁铁现在被用于冰箱的“真正用途”。冰箱的历史即将通过“磁制冷”的颠覆性创新彻底改写。

4475_4621磁粉冶金研究中心）。

冰箱为什么会变冷？

为了理解新技术的意义，我们首先必须了解冰箱为什么会“冷”。是的，我什至不知道。

实际上，现代冰箱之所以凉爽，得益于“蒸汽压缩”的基本原理。据藤田介绍，这一原理最早是由电磁学领军人物之一迈克尔·法拉第发现的，法拉第也因其代表作《蜡烛的科学》而闻名。这是一个发生在19世纪的故事。

“当液体汽化时，它会从周围吸收热量。这就是汽化热。当这种气体被压缩时，它的温度升高，吸收的热量被散失。这是在20世纪初期使用的。电冰箱是在20世纪70年代发明的。它利用汽化气体吸收热量的循环来降低冰箱内的温度，在压缩机中将其液化，将热量散发到冰箱外，然后在冰箱内再次蒸发液体。”（藤田先生）

电冰箱通过这个循环“冷却”物体的基本机制似乎200年来都没有改变。

然而，到了 20 世纪末，环境问题开始被指出，并且必须重新考虑用于冷却循环的气体，即所谓的“制冷剂气体”。据说，此前一直使用的氟氯化碳如果泄漏到大气中会破坏臭氧层，因此发达国家已停止生产。此后，替代性氟氯化碳的开发和使用取得了进展，但很明显，这些氟氯化碳的温室效应比二氧化碳大许多倍，导致全球变暖。

“全球趋势是淘汰 CFC 替代品。但是，很难找到一种制冷剂气体来替代它们。即使它们具有制冷能力，但价格昂贵，性能不稳定，而且已经有 10 年没有使用了。问题是，目前日本家用冰箱中使用的气体每天都符合安全标准，但如果大量收集并点燃它，就会燃烧。”

如果能避免使用那种气体，那肯定更好。因此，人们开始讨论一种与蒸汽压缩完全不同的方法，该方法使用气体和液体。电冰箱诞生已有200年了，第一次有机会改变游戏规则。然后，一种称为“固态冷冻”的方法被设计出来。

磁铁与温度之间令人惊讶的关系

但是，“使用固体材料冷却”到底是什么意思？由于它是固体，我知道它与汽化热无关，但是这就是磁铁发挥作用的地方，在此之前磁铁仅充当冰箱的“副业”。

实际上，磁铁具有磁力随着温度升高而减弱的特性。正如液体超过一定温度时会变成气体一样，磁铁当温度超过一定阈值时就会失去磁性。用稍微复杂一点的术语来说，当“铁磁材料”（磁力很强的磁体）的温度升高时，它就会变成“顺磁材料”（磁力很弱的磁体）。

``铁磁材料具有磁力，因为电子沿同一方向排列。当电流通过缠绕在其上的电线制成的线圈时，环形电流（电子的圆周运动）会产生磁力，并成为电磁体。因此，每个电子都有一个北极和一个南极。然而，在宏观物体中，许多电子的北极和南极朝向不同的方向，因此磁力相互抵消。顺磁材料就处于这种状态。

当物体中的电子沿同一方向排列时，整个物体就变成铁磁材料，即所谓的磁铁。

当铁磁材料的温度升高时，电子逐渐朝不同方向定向，失去磁力并变得顺磁性。换句话说，它几乎不再是磁铁了。铁磁材料转变为顺磁材料的温度称为“居里温度”。 “居里”并不是以这位著名的妻子的名字命名的，而是以她的丈夫皮埃尔·居里命名的。

从“蒸汽循环”到“磁循环”

“正如沸点因物质而异一样，居里温度也因物体而异。冰箱上贴有注释的磁铁的居里温度非常高，因此在日常室温下您将无法使它们松动。但是，如果是居里温度接近室温的磁性材料，你可能会看到这种现象。”

我在网上查了一下，发现铁是一种常见的磁铁材料，其居里温度约为770摄氏度。当然，至少比我家日常室温高很多。

“当液体变成气体时，它会吸收热量，因为松散结合的分子分裂。换句话说，当有序物体，无论是分子还是电子，分裂时，它会引起热变化。在热力学中，这种分散称为“熵”。当它分解时，熵会增加并吸收热量。” （藤田先生）

电子在超过其居里温度时被分解的顺磁材料会失去磁场，而是以热量的形式吸收增加的熵。这种现象称为“磁热效应”。这类似于汽化气体从周围环境吸收热量的方式。相反，当顺磁性材料中的电子在磁场中排列时，它们会释放热量，就像压缩液化气体一样。

换句话说，蒸气压缩中的汽化（蒸发）对应于成为顺磁性物质，而液化对应于成为铁磁性物质！

磁制冷充满了好东西

Fujita 表示，除了不使用 CFC 之外，磁制冷循环与蒸汽压缩相比还有其他优点。

“在蒸汽压缩循环中，循环过程中不可避免地会出现气体和液体的混合物。很难对其进行压缩和控制，使其均匀地携带热量，并且必须牺牲能源效率。但是，对于固体，不会发生这种混合物，因此可以提高效率。”

提高冷却效率将节省能源，进一步减轻环境负担。此外，还具有以下优点。

“蒸汽压缩中压缩制冷剂气体所需的设备（压缩机）在运行过程中会产生大量振动噪音。另一方面，改变磁性材料的磁场可以安静地进行，振动较小。根据情况对温度进行微调也可以比蒸汽压缩更连续、更智能地进行。”

无氟、节能、安静、智能！磁制冷充满了美好的事物。我很兴奋我的家人将从明天开始改用这个。

当我研究相反的方向时，一个伟大的发现正在等待着我。

然而，在实际的冰箱中实现磁制冷似乎仍然不容易。这是因为对于能够在该循环中使用的磁性材料有非常严格的条件。

“为了产生强到足以让人类感受到变化的磁热效应，需要使用一种磁性材料，其磁力会随着温度的轻微变化而突然消失，并且其熵会增加。但是，大多数磁性材料由于从磁性开始下降到完全消失之间存在很宽的温度范围，因此无法获得这样的效果。要在冰箱中实际使用，我们需要找到一种磁性材料，其磁力会突然消失在狭窄的温度范围内消失。”（藤田先生）

事实上，正是藤田先生的研究小组发现了这种宝贵的材料！这就是原因。

然而，令人惊讶的是，藤田先生从一开始就没有在寻找用于磁制冷的材料。 “这就是我们所说的机缘巧合，”藤田说。对磁铁的研究与冰箱有关，这是一个意想不到的巧合。

``基本上，我们的研究领域自然需要开发坚固且高度稳定的磁体。如果温度稍有变化，磁铁就会失去磁力，那么它就会变得不稳定而无法使用。

然而，为了制造稳定的磁铁，我们还需要知道如何使其不稳定。因此，当我研究这个问题时，我发现了一种材料，即使在室温下，只要温度发生最轻微的变化，它也会迅速失去磁力。那是在 2000 年左右。”（藤田先生）

当然，如果冰箱里有一块磁铁，温度稍有变化就会脱落，那么冰箱就不能用作公告板了，那就成问题了。然而，他对这种无用磁铁的“逆向”研究结果证明对他的冰箱“主要业务”有用。

大约在同一时间，与磁制冷循环相关的问题正在得到解决。磁制冷技术已经应用于处理极低温度的物理领域，但在像冰箱这样的室温水平实际应用之前，还必须克服某些挑战。

“与极低温度不同，在室温下，热量会积聚在磁性材料中。固体所持有的部分热量是由原子晶格振动（原子围绕其稳定位置产生的微小振动）产生的。这是因为这种热量不会对磁场做出反应，从而导致温度升高，因此即使热量因磁场而改变，这种变化也不会被人类察觉。”（藤田先生）

解决这个问题的制冷循环的想法出现在2000年左右。藤田发现的材料具有在室温下变化的特性，因此它可以用于制冷循环。

“磁性材料和制冷循环技术两个领域同时出现突破，实用化进程迅速推进。国际磁制冷学会也在这个时候成立。” （藤田先生）

当时，磁性材料的候选材料有很多，其中包括藤田等人发现的一种。然而，其中一些含有磷和砷化合物，使得它们难以在处理食物的冰箱中使用。除了安全性之外，实际应用还面临许多其他挑战，包括成本和供应稳定性。然而，藤田等人发现的材料。度过了这些挑战。

“我们开发的磁性材料是镧、铁和硅的组合。镧是一种稀土元素，产量很少，但其构成元素大约90%是铁，因此在成本或供应方面不存在问题。铁也是人体的组成部分，因此是安全的。”

像这样结合稀土、铁和轻元素的磁铁并不罕见。例如，钕磁铁被认为是目前使用的最强磁铁。发明者佐川正人已被提名为诺贝尔奖候选人，而这种磁铁似乎也是稀土钕、铁和轻元素硼的组合。

“有趣的是，世界上最强的磁铁，以及因温度变化而迅速失去磁力的磁铁，可以通过这三种元素的组合来创造。”（藤田先生）

5年后创新仍将持续！？

磁冰箱和冰箱的发展似乎在2000年前后势头强劲，但什么时候才能投入实际应用呢？还有更换的时间，所以这是需要注意的。

“我们目前正在与制造商合作开发，但由于这个概念与传统冰箱完全不同，因此还有很多问题需要解决。从如何安装磁性材料以实现高效热交换开始，我们仍然不知道冰箱的最佳形状。”

藤田先生回答后，语气更加用力。

但是，现在社会对环境问题，包括SDGs有诉求，所以我不想在这些问题上花费10年。减少碳氟化合物和防止全球变暖也是重大政治主题，因此有顺风车。大约五年后，我希望展示出能够得到市场认可的具体成果。''

哦，五年后了！

``日本的产品开发一向谨慎，传统的方法是仔细考虑并确认没有问题后才向全世界发布。但这可能不会让你顺风顺水。我认为也可以采取欧洲和美国的做法，先制定它，向世界发布，然后进一步完善它。''（藤田先生）

如果藤田先生的梦想成真，世界各地的家用冰箱可能会被更换。到那时，希望我们的冰箱不会出故障，期待新一代冰箱登场的那一天。