为《科学》首篇弹热制冷系统的研究论文北京时间2023年5月19日，《科学》（Science）期刊发表了西安交通大学在固态制冷方向的最新成果——《高性能多模式弹热制冷系统》（High-performance multimode elastocaloric cooling system）一文。本文为《科学》（Science）首次刊登的关于弹热制冷机的论文。开发零全球变暖潜能值制冷剂已成为有助于解决全球气候变化问题的一个领域。各种高效热量冷却技术可以实现这一目标，但将其扩展到具有技术意义的性能仍然具有挑战性。我们开发了一种弹性冷却系统，最大冷却功率为 260 瓦，最大温度范围为 22.5 开尔文。这些值是任何热量冷却系统中报告的最高值之一。其主要特点是压缩在多功能多模热交换架构中配置的抗疲劳弹性镍钛合金 （NiTi） 管，从而可以利用高输送冷却功率和大温度范围。我们的系统表明，8年前才出现的弹性冷却是热量冷却商业化的一个有前途的方向。
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。
截至目前，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。
为了充分发挥两种技术路径的优势，西安交通大学与马里兰大学、北京航空航天大学合作，使用4组管内流动、轴向加载的弹热工质管束，研制出多模式弹热制冷机，通过传热流体管网流路的切换，实现单级循环和主动回热循环两种模式的切换（图1A、B、C）。
图1. 多模式弹热制冷机及其制冷性能. A, 多模式弹热制冷机的主动回热模式；B, 多模式弹热制冷机的单级循环模式；C, 多模式弹热制冷机的核心部件及实物图；D. 多模式运行拓宽了单模式的制冷性能范围；E. 两种模式的制冷温差建立过程动态特性；F. 多模式拓宽了最佳利用因子的范围；G. 通过调节内插组件可进一步优化制冷性能
图2.多模弹性高热量冷却系统的性能
图3.已报道的弹性热、磁热和电热冷却原型的比较及其性能
通过多模式的运行，该制冷机实现了22.5 K的最大制冷温差和260 W的最大制冷量，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（图1D）。
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（图1F）。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1G）。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。
西安交通大学为该论文的第一完成单位，西安交通大学能源与动力工程学院的钱苏昕副教授为该论文的第一作者。美国马里兰大学竹内一郎教授为该论文的通讯作者。本文的研究始于钱苏昕在马里兰大学构建的管束式弹热制冷系统，他在西安交通大学提出了多模式弹热制冷系统的设计，并与马里兰大学Catalini博士合作在马里兰大学搭建了多模式弹热制冷机，其中弹热工质的材料物性测量由北京航空航天大学侯慧龙副教授协助开展。
该项研究工作获得了国家自然科学基金创新群体、中国科协青年人才托举工程等项目资助。钱苏昕副教授以制冷系统碳中和为目标，长期从事零GWP的固态制冷技术及使用低GWP工质的制冷空调热泵系统仿真与节能技术研究，构建了热驱动弹热制冷循环，创制了全球首台压缩式弹热制冷机、首台多模式弹热制冷机、首台弹热制冷冰箱原型机，并建成了包含制冷系统关键部件和整机的多个仿真平台，为头部企业成功研发了多款基于碳氢制冷剂的行业全新产品。相关基础研究成果发表于Nature Reviews Materials、Innovation等高水平期刊，应用研究成果获山东省科技进步二等奖等奖励。
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