早期的冰箱竟然会致人中毒?爱因斯坦为此发明了一款不插电的冰箱

  来源:数字北京科学中心

  大家都知道爱因斯坦是一名伟大的物理学家,他突破性地提出了“光子”的概念,解释光电效应并获得1921年的诺贝尔物理学奖。

  此外,爱因斯坦还解释了布朗运动的本质、提出了新的固体比热容理论、创立了狭义相对论与广义相对论……

  1905年,爱因斯坦提出光量子假说、完整的狭义相对性原理,因此这一年被称为“爱因斯坦奇迹年”。

  因为爱因斯坦等人的孜孜不倦,20世纪的物理学得到飞速发展。然而,鲜有人知道,这样伟大的物理学家还发明过一种不用插电的冰箱!

  一次事故,三项发明

  故事发生在1926年的柏林,爱因斯坦在报纸上看到因冰箱冷凝管破裂,制冷剂二氧化硫、氯甲烷等气体泄漏,致使一家人中毒身亡的事件。爱因斯坦开始思考是否可以制作一种无毒冰箱,于是他去找列奥·西拉德(L.Szilard)商讨寻找可行的方法。

  列奥·西拉德这个名字你可能不熟悉,但说起他参与发明的两样东西你一定不陌生——原子弹与核反应堆。

  西拉德是美籍匈牙利核物理学家,他构想并讨论了维持核裂变中链式反应的原理,提出了临界质量的概念,曾参与曼哈顿计划(美国陆军部研制原子弹计划),与恩利克·费米等人在芝加哥大学建立了人类第一台核反应堆“芝加哥一号堆”(Chicago Pile-1)。

  1958年,西拉德获得“阿尔伯特·爱因斯坦奖”(Albert Einstein Award),1959年获得“原子能和平利用奖”(Atoms for Peace Award),1961年被选为美国国家科学院院士。

  让我们回到故事中,当时爱因斯坦和西拉德会面后,仔细讨论了当时冰箱的工作原理:这类冰箱都是通过制冷剂蒸汽在冷凝器中液化放热后,导入与冰室交换热量的蒸发器中,蒸发吸收热量重新变为蒸汽,如此循环工作实现制冷。

  制冷剂的沸点与压强有关,压强越高,沸点越高;压强越低,沸点越低。只有控制好冷凝器与蒸发器中的压强,才能让制冷剂在指定的温度下液化或蒸发,达到循环放热、吸热的目的。

爱因斯坦和西拉德 来源 | ATOMIC HERITAGE FOUNDATION

  因此,这种冰箱中最重要的结构就是用于减压的膨胀阀(节流器)和用于加压的压缩机,而那一家的丧命便于压缩机有关。

  压缩机在给制冷剂加压时,需要往复不停地做机械运动。爱因斯坦和西拉德认为,这会导致密封部件的损耗和老化,最终使有毒的制冷剂——二氧化硫、氯甲烷等气体泄漏,毒害了报纸中提到的一家人。

上世纪的冰箱 来源 | 海报时尚网

  于是,爱因斯坦和西拉德打算设计一款吸收式冰箱,不需要运动部件的冰箱,没有了部件之间机械运动带来的损耗,制冷剂自然可以牢牢地被密封在内部。

  不同于普通的冰箱,这款冰箱不需要通电,仅通过液体和气体间气压的改变来降低温度,从而达到制冷的目的。

爱因斯坦与西拉德设计的吸收式冰箱原理图 来源 | wikipedia

  他们在生成蒸汽的步骤处进行改变:通过加热低沸点氨水的方式来替换机械运转,提供高温高压的压缩机来产生制冷剂蒸汽。

  此外,爱因斯坦和西拉德不再使用具有毒性的氯甲烷和二氧化硫,而尝试用氨水、丁烷和水,将氨气通入装有丁烷的长颈瓶,吸收氨气的丁烷沸点会降低到室温以下发生沸腾,丁烷沸腾的过程会吸收大量热量,达到制冷的效果。

  随后,沸腾产生的混合气体会通入水中,来实现氨与丁烷的分离,并让它们进入下一个制冷循环。

爱因斯坦与西拉德设计的冰箱冷却系统专利图 来源 | 遇燕。爱因斯坦的冷却机[J]。大科技·科学之谜,2013,(5):34-35。

  不过,这个设计成本过高,考虑到商业化生产的成本和收益,并没有投入大规模、工业化的生产。

  爱因斯坦也认为这个吸收式冰箱结构过于复杂,还需要寻找结构更简单的制冷机。

  于是他们又提出了一套新的方案:扩散式冰箱

扩散式冰箱原理图来源 | Alefeld G。 Einstein as inventor [J]。 Physics Today, 1980, 33(5): 9-13

  扩散式冰箱的原理和装置都更加简单,它以甲醇作为制冷剂,利用自来水自身的水压让高速水流喷射到甲醇附近,在甲醇液面上方形成一个低压区,促进甲醇蒸发,实现制冷。

  当然他们并没有在此止步,爱因斯坦和西拉德随后提出了第三种冰箱的可能:电磁式冰箱(AEG式制)。

  他们将液态金属密封在不锈钢气缸中,并在缸外加装能产生磁场的线圈。

  工作时,缸外线圈电流变化激发的磁场,缸中的液体金属在磁场的作用下做往复的直线运动,给制冷剂加压,达到与压缩机相同的加压6效果,但却不需要任何机械传动装置,不必担心泄漏。

爱因斯坦与西拉德设计的电磁式压缩机原理图(左)及实物图(右)来源 | Alefeld G。 Einstein as inventor [J]。 Physics Today, 1980, 33(5): 9-13

  不过,液态金属在运动时会发出较大的噪声,因此这种冰箱也未走入市场。

  不过,这种电磁式压缩机冰箱并没有就此被人遗忘,多年后根据这一设计,人们发明了电磁感应原理的磁泵。这种电磁泵随后广泛地应用在了核电站中。

  渐渐被遗忘

  虽然爱因斯坦及西拉德研制了三款环境友好、创意新颖的冰箱,但却都没有成功走入市场。

  这是因为当时一种新型的无毒制冷剂面世了,没错,它就是大家熟悉的氟利昂。由于不用担心有毒物质泄漏,人们依然可以采用传统的压缩机结构,爱因斯坦和西拉德发明的新型冰箱自然就没了市场。

  随着时间流逝,人们渐渐认识到氟利昂破坏臭氧层的弊端,开发了一代代新型的制冷制,并将氟利昂禁用。同时,压缩机的结构也被优化,冰箱逐渐成为我们今天见到的样子。

  昔日冰箱重现风采

  不过,爱因斯坦和西拉德研制的冰箱真的就此消失了吗?并没有!

  随着全球气候变迁及能源紧张问题愈加严重,爱因斯坦和西拉德研制的冰箱重新获得研究者们的关注。

  牛津大学的马尔科姆·麦克洛克(Malcolm McCulloch)工程师以爱因斯坦冰箱为基础展开了研究,致力于开发出代替现有产品的新一代无需用电的冰箱,并于2008年宣布成功复原了拥有1930年专利认证的爱因斯坦冰箱。其可采用太阳能来提供能源,还便于携带。

  他表示有望在此基础上改进技术、重选制冷剂、添加配置等,让它优化成为制冷效率高且对环境友好的冰箱。

  此外,以爱因斯坦电磁式冰箱为原型的电磁泵也依旧在各大核电站中日日夜夜地工作着。

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