來源 | Science，西安交通大學

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背景介紹

從空調到食品保鮮，制冷是現代生活中無處不在且不可或缺的一部分。蒸汽壓縮循環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的數百到數千倍，但目前沒有理想的低GWP制冷劑替代品，需要在環境影響和安全問題（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生可逆相變，并利用該相變潛熱制冷的新型固態制冷技術。與傳統蒸氣壓縮制冷相比，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和主動回熱循環兩種技術路線：單級循環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。

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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，可以充分發揮單級循環和主動回熱循環兩種技術路徑的優勢。本文的研究有望推進彈熱制冷及其它固態相變制冷（caloric cooling）技術的商業化應用進程。研究成果以“High-performance multimode elastocaloric cooling system”為題發表于《Science》。

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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和大利用率操作的最佳性能，研究人員開發了一種多模式彈性冷卻系統，利用主動回熱模式的大溫跨度（圖1A）和單級循環模式的高效冷卻（圖1B）。

彈性材料的理想幾何形狀不僅在循環壓縮下表現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壽命時，需要考慮與彈熱材料相變相關的偏應力狀態。彈熱材料在壓縮模式下可承受大于1000萬次循環，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的性能。

相比僅運行單級循環8 K的制冷溫差和僅運行主動回熱循環不足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，可以通過調節管狀彈熱工質內插組件的結構參數，優化管狀彈熱工質內固、液相的熱容比，有望實現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多個NiTi管束，從而實現模式的變化。如在主動回熱循環模式或單級循環模式下級聯兩束有望填補圖2A中的性能差距，并可以實現兩種模式之間的平滑過渡。因此，多功能性是這種零GWP技術成功商業化的關鍵；此外，希望能夠實現銅基彈熱材料，其需要的應力比NiTi小得多，從而能夠以更小的致動器實現更高效的系統運行。

END

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