什麼?愛因斯坦還發明過不用插電的冰箱?

2021-02-08 中科院物理所

大家都知道愛因斯坦是一名偉大的物理學家，他突破性地提出了「光子」的概念，解釋光電效應並獲得1921年的諾貝爾物理學獎。
此外，愛因斯坦還解釋了布朗運動的本質、提出了新的固體比熱容理論、創立了狹義相對論與廣義相對論……1905年，愛因斯坦提出光量子假說、完整的狹義相對性原理，因此這一年被稱為「愛因斯坦奇蹟年」。因為愛因斯坦等人的孜孜不倦，20世紀的物理學得到飛速發展。然而，鮮有人知道，這樣偉大的物理學家還發明過一種不用插電的冰箱！

故事發生在1926年的柏林，愛因斯坦在報紙上看到因冰箱冷凝管破裂，製冷劑二氧化硫、氯甲烷等氣體洩漏，致使一家人中毒身亡的事件。愛因斯坦開始思考是否可以製作一種無毒冰箱，於是他去找列奧·西拉德（L.Szilard）商討尋找可行的方法。

列奧·西拉德這個名字你可能不熟悉，但說起他參與發明的兩樣東西你一定不陌生——原子彈與核反應堆。

西拉德是美籍匈牙利核物理學家，他構想並討論了維持核裂變中鏈式反應的原理，提出了臨界質量的概念，曾參與曼哈頓計劃（美國陸軍部研製原子彈計劃），與恩利克·費米等人在芝加哥大學建立了人類第一臺核反應堆「芝加哥一號堆」（Chicago Pile-1）。

1958年，西拉德獲得「阿爾伯特·愛因斯坦獎」（Albert Einstein Award），1959年獲得「原子能和平利用獎」（Atoms for Peace Award），1961年被選為美國國家科學院院士。

讓我們回到故事中，當時愛因斯坦和西拉德會面後，仔細討論了當時冰箱的工作原理：這類冰箱都是通過製冷劑蒸汽在冷凝器中液化放熱後，導入與冰室交換熱量的蒸發器中，蒸發吸收熱量重新變為蒸汽，如此循環工作實現製冷。

製冷劑的沸點與壓強有關，壓強越高，沸點越高；壓強越低，沸點越低。只有控制好冷凝器與蒸發器中的壓強，才能讓製冷劑在指定的溫度下液化或蒸發，達到循環放熱、吸熱的目的。

愛因斯坦和西拉德

來源 | ATOMIC HERITAGE FOUNDATION

因此，這種冰箱中最重要的結構就是用於減壓的膨脹閥（節流器）和用於加壓的壓縮機，而那一家的喪命便於壓縮機有關。

壓縮機在給製冷劑加壓時，需要往復不停地做機械運動。愛因斯坦和西拉德認為，這會導緻密封部件的損耗和老化，最終使有毒的製冷劑——二氧化硫、氯甲烷等氣體洩漏，毒害了報紙中提到的一家人。

上世紀的冰箱

來源 | 海報時尚網

於是，愛因斯坦和西拉德打算設計一款吸收式冰箱，不需要運動部件的冰箱，沒有了部件之間機械運動帶來的損耗，製冷劑自然可以牢牢地被密封在內部。

不同於普通的冰箱，這款冰箱不需要通電，僅通過液體和氣體間氣壓的改變來降低溫度，從而達到製冷的目的。

愛因斯坦與西拉德設計的吸收式冰箱原理圖

來源 | wikipedia

他們在生成蒸汽的步驟處進行改變：通過加熱低沸點氨水的方式來替換機械運轉，提供高溫高壓的壓縮機來產生製冷劑蒸汽。

此外，愛因斯坦和西拉德不再使用具有毒性的氯甲烷和二氧化硫，而嘗試用氨水、丁烷和水，將氨氣通入裝有丁烷的長頸瓶，吸收氨氣的丁烷沸點會降低到室溫以下發生沸騰，丁烷沸騰的過程會吸收大量熱量，達到製冷的效果。

隨後，沸騰產生的混合氣體會通入水中，來實現氨與丁烷的分離，並讓它們進入下一個製冷循環。

愛因斯坦與西拉德設計的冰箱冷卻系統專利圖

來源 | 遇燕.愛因斯坦的冷卻機[J].大科技·科學之謎,2013,(5):34-35.

不過，這個設計成本過高，考慮到商業化生產的成本和收益，並沒有投入大規模、工業化的生產。

愛因斯坦也認為這個吸收式冰箱結構過於複雜，還需要尋找結構更簡單的制冷機。

於是他們又提出了一套新的方案：擴散式冰箱。

擴散式冰箱原理圖

來源 | Alefeld G. Einstein as inventor [J]. Physics Today, 1980, 33(5): 9-13

擴散式冰箱的原理和裝置都更加簡單，它以甲醇作為製冷劑，利用自來水自身的水壓讓高速水流噴射到甲醇附近，在甲醇液面上方形成一個低壓區，促進甲醇蒸發，實現製冷。

當然他們並沒有在此止步，愛因斯坦和西拉德隨後提出了第三種冰箱的可能：電磁式冰箱（AEG式制）。

他們將液態金屬密封在不鏽鋼氣缸中，並在缸外加裝能產生磁場的線圈。

工作時，缸外線圈電流變化激發的磁場，缸中的液體金屬在磁場的作用下做往復的直線運動，給製冷劑加壓，達到與壓縮機相同的加壓6效果，但卻不需要任何機械傳動裝置，不必擔心洩漏。

愛因斯坦與西拉德設計的電磁式壓縮機原理圖（左）及實物圖（右）來源 | Alefeld G. Einstein as inventor [J]. Physics Today, 1980, 33(5): 9-13

不過，液態金屬在運動時會發出較大的噪聲，因此這種冰箱也未走入市場。

不過，這種電磁式壓縮機冰箱並沒有就此被人遺忘，多年後根據這一設計，人們發明了電磁感應原理的磁泵。這種電磁泵隨後廣泛地應用在了核電站中。

雖然愛因斯坦及西拉德研製了三款環境友好、創意新穎的冰箱，但卻都沒有成功走入市場。

這是因為當時一種新型的無毒製冷劑面世了，沒錯，它就是大家熟悉的氟利昂。由於不用擔心有毒物質洩漏，人們依然可以採用傳統的壓縮機結構，愛因斯坦和西拉德發明的新型冰箱自然就沒了市場。

隨著時間流逝，人們漸漸認識到氟利昂破壞臭氧層的弊端，開發了一代代新型的製冷制，並將氟利昂禁用。同時，壓縮機的結構也被優化，冰箱逐漸成為我們今天見到的樣子。

不過，愛因斯坦和西拉德研製的冰箱真的就此消失了嗎？並沒有！

隨著全球氣候變遷及能源緊張問題愈加嚴重，愛因斯坦和西拉德研製的冰箱重新獲得研究者們的關注。

牛津大學的馬爾科姆·麥克洛克（Malcolm McCulloch）工程師以愛因斯坦冰箱為基礎展開了研究，致力於開發出代替現有產品的新一代無需用電的冰箱，並於2008年宣布成功復原了擁有1930年專利認證的愛因斯坦冰箱。其可採用太陽能來提供能源，還便於攜帶。

他表示有望在此基礎上改進技術、重選製冷劑、添加配置等，讓它優化成為製冷效率高且對環境友好的冰箱。

此外，以愛因斯坦電磁式冰箱為原型的電磁泵也依舊在各大核電站中日日夜夜地工作著。

來源：數字北京科學中心

原文標題：早期的冰箱竟然會致人中毒？愛因斯坦為此發明了一款不用插電的冰箱

編輯：fengyao

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