西安交通大学最新Science！系该领域首篇！

蒸汽压缩冷却通常依赖于温室气体或具有其他易燃性和毒性问题的制冷剂。而开发零全球变暖潜能值制冷剂已成为解决全球气候变化问题的一个重要方向。

2023年5月18日，西安交通大学钱苏昕等在Science 在线发表题为“High-performance multimode elastocaloric cooling system”的研究论文，该研究开发了一种高性能多模式弹热制冷系统。本文为Science 首次刊登的关于弹热制冷机的论文。

从空调到食品保鲜，制冷是现代生活中无处不在、不可或缺的一部分，蒸汽压缩循环主导着所有冷却技术，占全球能耗的20%左右。由于社会一致努力将化石燃料炉“脱碳和电气化”用于空间供暖和工业应用，越来越依赖基于蒸汽压缩的热泵，这一趋势最近因欧洲天然气和原油的严重供应问题而被放大。

在零GWP、不易燃、无毒的蒸汽压缩替代方案中，热量冷却(和加热)是潜在的领跑者。热量冷却利用固体中的场驱动相变，具有内在的高能量转换效率。发热材料包括磁热材料、电热材料和机械热材料。磁热学材料和器件已经探索了近50年，千瓦级制冷功率制冷系统已经实现。然而，它们的高磁场要求(>1 T)阻碍了磁热冷却技术的商业化，因为稀土元素基永磁体的临界性不断提高。

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。大多数弹性热器件是基于超弹性形状记忆合金的，尽管也有使用聚合物的原型的报道。在实际场域范围内，热材料的直接测量记录到的较大的绝热温度变化(ΔTadiabatic)来自弹性热材料NiMnTi和NiTi，其ΔTadiabatic分别为31.5 K和38.5 K。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。

多模态弹性热冷却系统的系统设计原理图和工作原理（图源自Science ）

该研究中开发的制冷系统的最大冷却功率为260瓦，最大温度范围可达到22.5开尔文。这些数值是所有热冷却系统中最高的。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。研究人员指出，该系统的多功能性是这种零GWP技术成功商业化的关键，它的开发有望推进弹热制冷及其它固态相变制冷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。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7043

转自：“iNature”微信公众号

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