《科学》刊发西安交大弹热制冷最新成果,系该领域首篇！

来源： 固态制冷 日期：2023-05-24

近日《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。这是《科学》（Science）首次刊登的关于弹热制冷机的论文。

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。

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。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。

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。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。