來源 | Science，西安交通大學

01

背景介紹

從空調到食品保鮮，制冷是現(xiàn)代生活中無處不在且不可或缺的一部分。蒸汽壓縮循環(huán)主導著所有冷卻技術，占全球能源消耗的20%左右。在蒸汽壓縮系統(tǒng)中用作制冷劑的氫氟碳化物是超級污染的溫室氣體——它們的全球變暖潛能值(GWP)是CO2的數(shù)百到數(shù)千倍，但目前沒有理想的低GWP制冷劑替代品，需要在環(huán)境影響和安全問題（例如易燃性）之間進行權衡。

在零GWP、不易燃和無毒的蒸汽壓縮替代品中，熱量冷卻（和加熱）是潛在的領跑者。其中彈熱制冷是利用形狀記憶合金在單軸應力作用下發(fā)生可逆相變，并利用該相變潛熱制冷的新型固態(tài)制冷技術。與傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷相比，彈熱制冷具有零溫室氣體排放、高體積能量密度、易于回收利用等突出優(yōu)勢。

目前，全世界有20余臺公開報道的彈熱制冷機，它們主要采用單級循環(huán)和主動回熱循環(huán)兩種技術路線：單級循環(huán)在低制冷溫差條件下效率高、制冷量大，但無法獲得高制冷溫差；主動回熱循環(huán)是獲得高制冷溫差的主要途徑，但代價是受限的效率和制冷量。

02

成果掠影

西安交通大學錢蘇昕副教授和美國馬里蘭大學Ichiro Takeuchi教授等研究者，使用4組管內流動、軸向加載的抗疲勞彈性鎳鈦合金管（NiTi）管束，研制的多模式彈熱制冷機實現(xiàn)了22.5 K的最大制冷溫差和 260 W的最大制冷量。通過傳熱流體管網流路的切換，可以充分發(fā)揮單級循環(huán)和主動回熱循環(huán)兩種技術路徑的優(yōu)勢。本文的研究有望推進彈熱制冷及其它固態(tài)相變制冷（caloric cooling）技術的商業(yè)化應用進程。研究成果以“High-performance multimode elastocaloric cooling system”為題發(fā)表于《Science》。

03

圖文導讀

圖1. 多模彈熱制冷機的工作原理圖、核心部件及實物圖。

為了在單級原型中捕捉主動再生循環(huán)和大利用率操作的最佳性能，研究人員開發(fā)了一種多模式彈性冷卻系統(tǒng)，利用主動回熱模式的大溫跨度（圖1A）和單級循環(huán)模式的高效冷卻（圖1B）。

彈性材料的理想幾何形狀不僅在循環(huán)壓縮下表現(xiàn)出強大的機械完整性，還有利于材料與傳熱流體（蒸餾水）之間的熱交換。在設計彈熱材料的場驅動和循環(huán)壽命時，需要考慮與彈熱材料相變相關的偏應力狀態(tài)。彈熱材料在壓縮模式下可承受大于1000萬次循環(huán)，即每天12小時和每年180天的使用模式下，0.1 Hz運行和1000萬次循環(huán)相當于12.8年，超出了商用電器的標準使用壽命。

圖2. 多模彈性高熱量制冷系統(tǒng)的性能。

相比僅運行單級循環(huán)8 K的制冷溫差和僅運行主動回熱循環(huán)不足30 W的制冷量取得了顯著的提升。研究表明，利用因子決定了管束工質中彈熱效應兩種釋放途徑的比例，其中一部分彈熱效應可被傳熱流體帶走用于制冷，而另一部分彈熱效應需要留在管束工質內部，用于維持工質在傳熱流體流動方向的溫度梯度，而最佳利用因子反映了兩者之間的競爭關系。

主動回熱循環(huán)需要更多的彈熱效應維持溫度梯度，最佳利用因子在0.6左右；單級循環(huán)可將大部分彈熱效應用于制冷，最佳利用因子大于6。多模式彈熱制冷機可顯著拓展最佳利用因子的范圍，使其可在大范圍工況變化時保持高效率。在此基礎上，可以通過調節(jié)管狀彈熱工質內插組件的結構參數(shù)，優(yōu)化管狀彈熱工質內固、液相的熱容比，有望實現(xiàn)40 K以上的制冷溫差和500 W的制冷量。

圖3. 已報道的彈熱、磁熱和電熱冷卻原型的比較及其性能。

多模彈性制冷概念也可以擴展到級聯(lián)多個NiTi管束，從而實現(xiàn)模式的變化。如在主動回熱循環(huán)模式或單級循環(huán)模式下級聯(lián)兩束有望填補圖2A中的性能差距，并可以實現(xiàn)兩種模式之間的平滑過渡。因此，多功能性是這種零GWP技術成功商業(yè)化的關鍵；此外，希望能夠實現(xiàn)銅基彈熱材料，其需要的應力比NiTi小得多，從而能夠以更小的致動器實現(xiàn)更高效的系統(tǒng)運行。

END

★ 平臺聲明

部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享目的僅為行業(yè)信息傳遞與交流，不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適，請聯(lián)系我們及時處理。歡迎參與投稿分享！