當(dāng)今的制冷設(shè)備使用可轉(zhuǎn)化成氣體的冷卻劑。盡管這種類型的冷卻劑是有效制冷過程的基礎(chǔ)，但可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。那么，如果我們可以使用固體材料而不是液體材料作為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方式來對(duì)食品、飲料、藥物甚至電子設(shè)備進(jìn)行制冷呢？這正是盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所（LIST）正在研究的課題。該研究所的研究人員利用FLIR紅外熱像儀深入研究這一課題。

LIST的研究人員測(cè)量電熱效應(yīng)，并希望更好地了解其制冷應(yīng)用的可用性。

盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所（LIST）是一家研究和技術(shù)機(jī)構(gòu)，位于Esch-Belval鎮(zhèn)的盧森堡新研究與創(chuàng)新園區(qū)的中心位置。園區(qū)匯集了大學(xué)、研究中心、聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、初創(chuàng)企業(yè)以及孵化器的強(qiáng)大創(chuàng)新潛力。

LIST的其中一個(gè)部門為材料研究與技術(shù)（MRT）小組。該部門正在研究如何將納米技術(shù)/納米材料轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用驅(qū)動(dòng)解決方案的方法。其中一個(gè)研究主題是如何將表現(xiàn)電熱效應(yīng)的固體材料用于電子設(shè)備等的制冷系統(tǒng)。

研究電熱效應(yīng)

電熱效應(yīng)是可極化物質(zhì)隨著施加或去除電場(chǎng)而經(jīng)歷可逆溫度變化的現(xiàn)象。

薄膜中的電熱效應(yīng)有可能用于高功率電子設(shè)備的高效制冷設(shè)備和制冷系統(tǒng)。對(duì)電熱材料施加電場(chǎng)會(huì)提高其溫度，減少電場(chǎng)則會(huì)降低溫度。

薄膜中的電熱效應(yīng)有可能用于高功率電子設(shè)備的高效制冷設(shè)備和制冷系統(tǒng)。

“在博士研究人員的納米材料和納米技術(shù)部門，我們一直在建造電熱制冷設(shè)備的原型，以便將其與傳統(tǒng)制冷設(shè)備進(jìn)行比較，”LIST研究員Romain Faye說。“這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于電熱制冷設(shè)備具有更高的能效，并使我們能夠避免使用潛在的有害液體。”

具體來說，傳感器用鐵性材料組的研究人員正在使用多層電容器來測(cè)試制冷設(shè)備的冷卻速率。多層電容器由數(shù)十層至數(shù)百層約10至40微米的陶瓷層組成，10到40微米的陶瓷層被幾微米的金屬電極隔開，金屬電極交替連接至2個(gè)外部端子。

通過增加電場(chǎng)頻率從而產(chǎn)生電熱效應(yīng)，輕松實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備的冷卻速率提升。在這個(gè)過程中重要的是在去除電場(chǎng)之前將產(chǎn)生的熱量與環(huán)境進(jìn)行交換的能力。這樣，就可達(dá)到比環(huán)境溫度更低的溫度。

“我們想盡快進(jìn)行熱交換，”Romain Faye說。“我們?cè)噲D確定這種熱交換過程如何受到材料本身的限制，例如在導(dǎo)熱性方面或材料的形狀方面。如果熱交換足夠快，我們可以每秒多次開關(guān)電場(chǎng)。”

高效、直接測(cè)量

通過測(cè)量電熱效應(yīng)，LIST研究人員希望能夠更好地了解這種現(xiàn)象在制冷應(yīng)用中的可用性。

“過去，研究人員主要使用間接測(cè)量，這種方法通過對(duì)極化進(jìn)行測(cè)量，并將極化測(cè)量值作為溫度和電壓的函數(shù)推導(dǎo)得出電熱效應(yīng)，而不是實(shí)際的溫度測(cè)量結(jié)果，”Romain Faye說。“然而，間接測(cè)量并不總是能夠得出正確的解釋。因此，我們的團(tuán)隊(duì)一直在尋找更有效的直接溫度測(cè)量方法。”

直接測(cè)量溫度變化最常用的方法是使用熱電偶和紅外熱像儀。熱電偶是測(cè)量與溫度變化相關(guān)的電壓變化的電子設(shè)備，而紅外熱像儀則測(cè)量與溫度變化相關(guān)的紅外輻射變化。

“熱電偶對(duì)于我們來說未證明其實(shí)用性，”Romain Faye說。“我們?cè)跇O小表面上研究由電流引起的非常快速的溫度變化。熱電偶不能提供進(jìn)行這類測(cè)量所需的精度。另一方面，熱成像技術(shù)使我們能夠以可視化的方式顯示材料和環(huán)境之間的快速熱交換。”

LIST研究人員在極小表面上研究由電流引起的非常快速的溫度變化。

熱效應(yīng)熱成像

體積小巧的高頻紅外熱像儀，如FLIR X6580sc，可在時(shí)間和空間上提供準(zhǔn)確而靈敏的熱效應(yīng)和材料熱行為成像。LIST一直使用FLIR X6580sc紅外熱像儀（結(jié)合使用一款能獲得3倍放大倍率的鏡頭）研究氧化物材料的熱行為。測(cè)得的熱變化（作為所施加電場(chǎng)的函數(shù)）具有從20mK到4K的熱靈敏度。

“我們需要一臺(tái)能夠以極高頻率測(cè)量極小溫差的紅外熱像儀，”Romain Faye說，“FLIR X6580sc做到了這一點(diǎn)，我們對(duì)這款熱像儀的性能印象深刻。”

FLIR X6580sc準(zhǔn)確拍攝了材料在時(shí)間和空間上的熱效應(yīng)和熱行為圖像。

FLIR X6580SC

FLIR X6580sc是一款適用于研究人員和科學(xué)家的高端紅外熱像儀，可提供640×512像素的熱圖像并能夠記錄高達(dá)355Hz的快速動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。紅外熱像儀還提供出色的熱對(duì)比度（NETD=20 mK）。

LIST研究人員已將FLIR X6580sc紅外熱像儀與FLIR的ResearchIR軟件結(jié)合使用，進(jìn)行熱測(cè)量、記錄及實(shí)時(shí)分析。這款軟件使研究人員能記錄電場(chǎng)引起的溫度變化，并在圖像上更好地區(qū)分哪些是由于電場(chǎng)引起的，哪些是由圖像噪音引起的。這就使他們能夠以更豐富的細(xì)節(jié)展示熱圖像。

“來自FLIR團(tuán)隊(duì)的支持令人驚嘆，”Romain Faye說。“他們幫助我們實(shí)現(xiàn)了高效的熱像儀設(shè)置，并調(diào)整熱像儀設(shè)置以獲得最佳效果。對(duì)我們來說幸運(yùn)的是，由于我們使用FLIR熱像儀獲得了令人滿意的結(jié)果，我們將在幾個(gè)月內(nèi)啟動(dòng)一項(xiàng)新的后續(xù)研究項(xiàng)目。”

產(chǎn)生這些結(jié)果的研究工作通過項(xiàng)目COFERMAT FNR/P12/4853155獲得盧森堡國家研究基金（FNR）撥款資助。