北京時間2023年5月19日，《科學》（Science）期刊發(fā)表了西安交通大學在固態(tài)制冷方向的最新成果——《高性能多模式彈熱制冷系統(tǒng)》（High-performance multimode elastocaloric cooling system）一文。本文為《科學》（Science）首次刊登的關(guān)于彈熱制冷機的論文。
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(shù)。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。
截至目前，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(shù)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。為了充分發(fā)揮兩種技術(shù)路徑的優(yōu)勢，西安交通大學與馬里蘭大學、北京航空航天大學合作，使用4組管內(nèi)流動、軸向加載的彈熱工質(zhì)管束，研制出多模式彈熱制冷機，通過傳熱流體管網(wǎng)流路的切換，實現(xiàn)單級循環(huán)和主動回熱循環(huán)兩種模式的切換（圖1A、B、C）。
圖1. 多模式彈熱制冷機及其制冷性能. A, 多模式彈熱制冷機的主動回熱模式；B, 多模式彈熱制冷機的單級循環(huán)模式；C, 多模式彈熱制冷機的核心部件及實物圖；D. 多模式運行拓寬了單模式的制冷性能范圍；E. 兩種模式的制冷溫差建立過程動態(tài)特性；F. 多模式拓寬了最佳利用因子的范圍；G. 通過調(diào)節(jié)內(nèi)插組件可進一步優(yōu)化制冷性能
通過多模式的運行，該制冷機實現(xiàn)了22.5 K的最大制冷溫差和260 W的最大制冷量，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（圖1D）。研究表明，利用因子決定了管束工質(zhì)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(zhì)內(nèi)部，用于維持工質(zhì)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(guān)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（圖1F）。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(diào)節(jié)管狀彈熱工質(zhì)內(nèi)插組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化管狀彈熱工質(zhì)內(nèi)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1G）。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(shù)的商業(yè)化應用進程。
西安交通大學為該論文的第一完成單位，西安交通大學能源與動力工程學院的錢蘇昕副教授為該論文的第一作者。美國馬里蘭大學竹內(nèi)一郎教授為該論文的通訊作者。本文的研究始于錢蘇昕在馬里蘭大學構(gòu)建的管束式彈熱制冷系統(tǒng)，他在西安交通大學提出了多模式彈熱制冷系統(tǒng)的設計，并與馬里蘭大學Catalini博士合作在馬里蘭大學搭建了多模式彈熱制冷機，其中彈熱工質(zhì)的材料物性測量由北京航空航天大學侯慧龍副教授協(xié)助開展。
該項研究工作獲得了國家自然科學基金創(chuàng)新群體、中國科協(xié)青年人才托舉工程等項目資助。錢蘇昕副教授以制冷系統(tǒng)碳中和為目標，長期從事零GWP的固態(tài)制冷技術(shù)及使用低GWP工質(zhì)的制冷空調(diào)熱泵系統(tǒng)仿真與節(jié)能技術(shù)研究，構(gòu)建了熱驅(qū)動彈熱制冷循環(huán)，創(chuàng)制了全球首臺壓縮式彈熱制冷機、首臺多模式彈熱制冷機、首臺彈熱制冷冰箱原型機，并建成了包含制冷系統(tǒng)關(guān)鍵部件和整機的多個仿真平臺，為頭部企業(yè)成功研發(fā)了多款基于碳氫制冷劑的行業(yè)全新產(chǎn)品。相關(guān)基礎研究成果發(fā)表于Nature Reviews Materials、Innovation等高水平期刊，應用研究成果獲山東省科技進步二等獎等獎勵。
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