中國(guó)科學(xué)報(bào)：“扭熱制冷冰箱”前景可期

　　【中國(guó)制冷網(wǎng)】目前，作為重要的白色家電，傳統(tǒng)冰箱依靠制冷劑循環(huán)膨脹和壓縮的制冷技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但大多設(shè)備的卡諾效率難以突破60%的瓶頸（卡諾效率是一項(xiàng)描述制冷機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率的指標(biāo)）。而且傳統(tǒng)的冰箱在制冷過(guò)程釋放出的氣體正在加劇地球變暖。

　　隨著人類對(duì)制冷需求的增加，進(jìn)一步提高制冷效率、降低成本，并縮小機(jī)器的尺寸，成為當(dāng)務(wù)之急。

　　在10月11日在線出版的《科學(xué)》上，由南開大學(xué)和得克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種柔性制冷新策略，可通過(guò)加捻和解捻實(shí)現(xiàn)纖維制冷。這種“扭熱制冷”的新技術(shù)，為制冷領(lǐng)域擴(kuò)充了一個(gè)新的板塊，或?qū)榻档椭评漕I(lǐng)域能源損耗提供一種新的途徑。

　　論文顯示，該研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)，通過(guò)釋放扭緊的彈性材料后的解捻，能夠?qū)崿F(xiàn)將水冷卻20.8℃，其制冷的卡諾效率可以達(dá)到67%。

　　一根制冷“麻花”的誕生

　　早在1802年，人們就發(fā)現(xiàn)一根拉緊的橡皮筋釋放后會(huì)降溫。

　　“基于天然橡膠的彈熱制冷早在19世紀(jì)早期就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了。但是要得到較好制冷效果，需要預(yù)先將橡膠拉伸到很長(zhǎng)的尺寸，” 得克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校（UT Dallas）麥克德爾米德納米技術(shù)研究所的Ray Baughman教授說(shuō)，“通過(guò)‘扭熱制冷’技術(shù)，你只需要解捻就可以實(shí)現(xiàn)。”

　　文章作者之一、天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授印壽根告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這種彈性熱效應(yīng)是由于釋放后橡皮筋發(fā)生相變，引起熵的改變，從環(huán)境中吸收熱量所導(dǎo)致的。這種效應(yīng)對(duì)于形狀記憶材料尤為顯著。

　　1834年，第一臺(tái)基于蒸汽壓縮制冷的冰箱制成。經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，這類制冷技術(shù)逐漸成熟，用其制成的冰箱、空調(diào)等白色家電成為了現(xiàn)代家居重要的組成部分。然而，蒸汽壓縮制冷的效率普遍低于60%，同時(shí)，對(duì)于制冷原理的探索停留在壓縮和彈性作用，“扭熱制冷”并沒(méi)有進(jìn)入到人們的視野里。

　　2016年左右，劉遵峰課題組正在用橡膠研制人造肌肉，一次實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)橡膠扭動(dòng)后可以升溫，解捻后可以降溫。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，將橡膠拉長(zhǎng)一倍加捻，再解捻后會(huì)降溫15.5攝氏度。

　　這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)打開了制冷技術(shù)的一扇新大門。

　　文章作者之一、中國(guó)藥科大學(xué)理學(xué)院副教授周湘告訴記者，為了尋找適用于解捻制冷的材料，研究人員做了很多嘗試，由于橡膠太軟，需要捻很多圈才能觀察到制冷效果，所以研究人員測(cè)試了硬度更大的鎳鈦記憶合金。

　　理論上，鎳鈦合金的卡諾效率可以達(dá)到84%，在實(shí)驗(yàn)中，單根鎳鈦合金最多可以降溫17.0攝氏度，四根一股的鎳鈦合金甚至能降溫20.8攝氏度。

　　由于鎳鈦合金價(jià)格昂貴，研究人員又測(cè)試了更易獲得的聚乙烯和尼龍釣魚線，也取得了降溫5.1攝氏度的成果。

　　原理新、效率高、成本低且環(huán)保

　　劉遵峰對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，解捻制冷有原理新、效率高、成本低、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。

　　為研究聚乙烯魚線的制冷原理，研究人員采用X射線衍射對(duì)加捻的螺旋纖維拉伸前后進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果顯示，螺旋結(jié)構(gòu)的纖維拉伸后，其低熵態(tài)結(jié)構(gòu)部分轉(zhuǎn)變?yōu)楦哽貞B(tài)。劉遵峰表示，這種相轉(zhuǎn)變是實(shí)現(xiàn)聚乙烯魚線扭熱制冷的本質(zhì)原因。

　　“解捻制冷在壓力、彈力以外利用了扭矩，因此同樣的制冷量下解捻制冷從外界輸入的功最少。”在解釋解捻制冷的原理優(yōu)勢(shì)時(shí)，劉遵峰這樣說(shuō)道。

　　“效率是最核心的目標(biāo)。”印壽根告訴記者。對(duì)于壓縮制冷，無(wú)論是材料還是器件設(shè)計(jì)，都從來(lái)沒(méi)有獲得這么高的卡諾效率（67%），這一點(diǎn)得到了審稿人的特別肯定。

　　“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不需要使用特別的超彈性材料，就獲得了熵的變化。”印壽根說(shuō)。

　　而且，由于后期的實(shí)驗(yàn)使用了成本低廉的聚乙烯釣魚線，極大地降低了成本，使得這種創(chuàng)新技術(shù)未來(lái)更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　劉遵峰說(shuō)：“相對(duì)蒸汽壓縮制冷，解捻制冷的相關(guān)材料、器件都是固態(tài)的，沒(méi)有溫室效應(yīng)，更不會(huì)破壞臭氧層。”而且設(shè)備體積小、耗能低，有利于家電的綠色、節(jié)能、環(huán)保。

　　5G背景下大有可為

　　劉遵峰說(shuō)，在未來(lái)的工作中會(huì)試驗(yàn)更多的新型材料，尋找在同樣的扭力作用下熵變最高，并能夠在成本和效率之間取得平衡的纖維材料。

　　同時(shí)，他們也在探索研制第一臺(tái)原型制冷機(jī)，并期待與制冷企業(yè)合作，早日把這項(xiàng)技術(shù)用起來(lái)。

　　劉遵峰還認(rèn)為，可以摸索解捻制冷技術(shù)在可穿戴柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。在論文中，研究人員還試驗(yàn)了涂有熱致變色涂料的橡膠在加解捻過(guò)程中的變化，并觀察到了變色效果。如果能夠?qū)㈩愃凭哂兄评浜妥兩δ艿牟牧暇幦胍挛铮粌H能夠更好地在運(yùn)動(dòng)時(shí)幫助人體和佩戴的電子產(chǎn)品散熱，還能制備傳感器和智能變色織物。

　　印壽根認(rèn)為，在5G技術(shù)開始商用的背景下，設(shè)備的連接密度加大，不斷增加的智能家居設(shè)備對(duì)散熱會(huì)有更高的要求，基于解捻制冷原理的制冷機(jī)效率更高，將大有可為。

　　“你看，天體都是旋轉(zhuǎn)的。”劉遵峰對(duì)說(shuō)，“這是宇宙節(jié)省能量的方法。”

　　不過(guò)，研究團(tuán)隊(duì)也同意，這些初步的發(fā)現(xiàn)，距離“扭熱制冷冰箱”的商業(yè)化依然有很長(zhǎng)的路要走，未來(lái)存在很多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

　　“這些挑戰(zhàn)包括開發(fā)新型的器件與材料以提高循環(huán)使用壽命，合理利用輸入功以提高效率。”Ray Baughman說(shuō)，“而潛在的機(jī)遇則包括，除使用商業(yè)化的現(xiàn)有材料，進(jìn)一步優(yōu)化‘扭熱制冷’材料，獲得最佳性能。”