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开发具有零全球变暖的潜在制冷剂已成为有助于解决全球气候变化问题的一个领域，虽然各种高效的热量冷却技术实现了这一目标，但将它们扩大到有技术意义的性能仍然具有挑战性!

在此，西安交通大学钱苏昕副教授和美国马里兰大学Ichiro Takeuchi教授等人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。

其核心在于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，从而推动了8年前才出现的弹性冷却成为今后热量冷却商业化的一个有前途的方向。

相关文章以“High-performance multimode elastocaloric cooling system”为题发表在Science。

研究背景

从空调到食品保鲜，制冷是现代生活中无处不在且不可或缺的一部分，主导所有冷却技术的蒸汽压缩循环占全球能源消耗的20%。

同时，在蒸汽压缩系统中用作制冷剂的氢氟碳化合物是温室气体之一，它们的全球变暖潜能值（GWP）比CO₂差数百到数千倍，但目前没有理想的替代品低GWP制冷剂，其在环境影响和安全问题（例如易燃性）之间进行权衡。

在零GWP、不易燃和无毒的蒸汽压缩替代品中，热量冷却（和加热）是潜在的领跑者。热量冷却在固体中使用场驱动的相变，并具有固有的高能量转换效率。热量材料包括磁热，电热量和机械热材料。

磁热材料和设备已经探索了近50年，并展示了千瓦级冷却功率制冷系统，但由于基于稀土元素的永磁体的重要性不断提高，它们的高磁场要求阻碍了磁热冷却技术的商业化。机械冷却由机械应力驱动，并且反映了材料承受应力的多种方式。

由于弹性材料的固有材料温度升高很大，弹性冷却装置代表了一些最有前途的热量技术。为了增强弹性热塑原型的温度跨度，已经在具有27 K温度范围的四级器件和使用NiTi线的三级流体基器件中实验证明了多个级联的单级方案。

尽管如此，主动再生器中增强的温度跨度是以蓄热器内剩余的相当一部分显热为代价的，以便建立和维持温度跨度。

图文详解

多模式弹性冷却系统的设计

为了在单个实际原型中捕捉主动再生循环和大利用率操作的最佳方面，本文开发了一种多模式弹性冷却系统，利用主动再生模式的大温跨度（图1A）和最大利用率模式的高效冷却（图1B）。

在设计弹性热材料的场驱动和循环寿命时，需要考虑与弹性热材料相变相关的偏应力状态。

据报道，弹性热材料在压缩模式下可承受大于1000万次循环，即每天12小时和每年180天的使用模式下，0.1 Hz运行和1000万次循环相当于12.8年，超出了商用电器的标准使用寿命。

同时，弹性材料的理想几何形状不仅在循环压缩下表现出强大的机械完整性，而且还有利于材料与传热流体（蒸馏水）之间的热交换，围绕现成的NiTi管设计了本文的系统，可以在最大利用率模式下提供高达260 W的有用冷却（根据热负荷测量），这是迄今为止报告的最大弹性热设备冷却功率之一，以及在主动再生模式下的温度跨度为22.5 K。凭借如此高性能的特性，弹性热系统可与一些最好的磁热系统相媲美。

图1. 多模弹性热量冷却系统系统设计原理图及工作原理

多模式弹性冷却系统的性能

数值模型表明，与目前的三角形嵌件相比，在最大利用率模式下，在每个NiTi管中应用流道堵塞率为82%的圆杆嵌件可以在零温度跨度下提高65%的冷却功率。同时，增加主动再生模式的循环频率可以直接提高冷却功率。例如，通过将当前频率从0.071 Hz提高到 0.125 Hz，冷却功率可以提高 1.2 倍。

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

综上，多模式弹性冷却概念也可以扩展到级联多个NiTi管束，从而实现模式的变化。例如，在主动再生模式或最大利用率模式下级联两个束有望帮助填补图2A中的性能差距，并可以实现两种模式之间的平滑过渡。

因此，这种多功能性是这种零GWP技术成功商业化的关键，还希望能够实现铜基弹性热材料，其需要的应力比NiTi小得多，从而能够以更小的致动器实现更高效的系统操作。

文献信息

Suxin Qian†, David Catalini†‡, Jan Muehlbauer, Boyang Liu, Het Mevada, Huilong Hou,

Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Ichiro Takeuchi*, High-performance multimode elastocaloric cooling system, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7043

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