高性能多模弹热制冷系统

来源 | Science，西安交通大学

01

背景介绍

从空调到食品保鲜，制冷是现代生活中无处不在且不可或缺的一部分。蒸汽压缩循环主导着所有冷却技术，占全球能源消耗的20%左右。在蒸汽压缩系统中用作制冷剂的氢氟碳化物是超级污染的温室气体——它们的全球变暖潜能值(GWP)是CO2的数百到数千倍，但目前没有理想的低GWP制冷剂替代品，需要在环境影响和安全问题（例如易燃性）之间进行权衡。

在零GWP、不易燃和无毒的蒸汽压缩替代品中，热量冷却（和加热）是潜在的领跑者。其中弹热制冷是利用形状记忆合金在单轴应力作用下发生可逆相变，并利用该相变潜热制冷的新型固态制冷技术。与传统蒸气压缩制冷相比，弹热制冷具有零温室气体排放、高体积能量密度、易于回收利用等突出优势。

目前，全世界有20余台公开报道的弹热制冷机，它们主要采用单级循环和主动回热循环两种技术路线：单级循环在低制冷温差条件下效率高、制冷量大，但无法获得高制冷温差；主动回热循环是获得高制冷温差的主要途径，但代价是受限的效率和制冷量。

02

成果掠影

西安交通大学钱苏昕副教授和美国马里兰大学Ichiro Takeuchi教授等研究者，使用4组管内流动、轴向加载的抗疲劳弹性镍钛合金管（NiTi）管束，研制的多模式弹热制冷机实现了22.5 K的最大制冷温差和 260 W的最大制冷量。通过传热流体管网流路的切换，可以充分发挥单级循环和主动回热循环两种技术路径的优势。本文的研究有望推进弹热制冷及其它固态相变制冷（caloric cooling）技术的商业化应用进程。研究成果以“High-performance multimode elastocaloric cooling system”为题发表于《Science》。

03

图文导读

图1. 多模弹热制冷机的工作原理图、核心部件及实物图。

为了在单级原型中捕捉主动再生循环和大利用率操作的最佳性能，研究人员开发了一种多模式弹性冷却系统，利用主动回热模式的大温跨度（图1A）和单级循环模式的高效冷却（图1B）。

弹性材料的理想几何形状不仅在循环压缩下表现出强大的机械完整性，还有利于材料与传热流体（蒸馏水）之间的热交换。在设计弹热材料的场驱动和循环寿命时，需要考虑与弹热材料相变相关的偏应力状态。弹热材料在压缩模式下可承受大于1000万次循环，即每天12小时和每年180天的使用模式下，0.1 Hz运行和1000万次循环相当于12.8年，超出了商用电器的标准使用寿命。

图2. 多模弹性高热量制冷系统的性能。

相比仅运行单级循环8 K的制冷温差和仅运行主动回热循环不足30 W的制冷量取得了显著的提升。研究表明，利用因子决定了管束工质中弹热效应两种释放途径的比例，其中一部分弹热效应可被传热流体带走用于制冷，而另一部分弹热效应需要留在管束工质内部，用于维持工质在传热流体流动方向的温度梯度，而最佳利用因子反映了两者之间的竞争关系。

主动回热循环需要更多的弹热效应维持温度梯度，最佳利用因子在0.6左右；单级循环可将大部分弹热效应用于制冷，最佳利用因子大于6。多模式弹热制冷机可显著拓展最佳利用因子的范围，使其可在大范围工况变化时保持高效率。在此基础上，可以通过调节管状弹热工质内插组件的结构参数，优化管状弹热工质内固、液相的热容比，有望实现40 K以上的制冷温差和500 W的制冷量。

图3. 已报道的弹热、磁热和电热冷却原型的比较及其性能。

多模弹性制冷概念也可以扩展到级联多个NiTi管束，从而实现模式的变化。如在主动回热循环模式或单级循环模式下级联两束有望填补图2A中的性能差距，并可以实现两种模式之间的平滑过渡。因此，多功能性是这种零GWP技术成功商业化的关键；此外，希望能够实现铜基弹热材料，其需要的应力比NiTi小得多，从而能够以更小的致动器实现更高效的系统运行。

END

★ 平台声明

部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享目的仅为行业信息传递与交流，不代表本公众号立场和证实其真实性与否。如有不适，请联系我们及时处理。欢迎参与投稿分享！