彈熱效應是在固體相變材料中由軸向應力驅動溫度變化的現(xiàn)象。對形狀記憶合金施加軸向應力時，奧氏體變?yōu)轳R氏體，相變過程釋放潛熱，合金溫度上升；卸載應力時，馬氏體變回奧氏體，逆向相變過程吸收潛熱，合金溫度降低。鎳鈦二元合金在卸載應力時溫度可降低20℃以上，即此時的制冷能量密度可達100 J cm^-3，超越了部分氟代烴制冷劑的單位體積制冷能力。除此之外，鎳鈦合金具有零排放、高能效、可回收再生、低成本、低振動運行優(yōu)勢，已有規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)鏈和行業(yè)技術標準。因此，美國能源部的研究報告指出，彈熱制冷是最具發(fā)展?jié)摿Φ姆钦魵鈮嚎s制冷技術。

自2014年首臺彈熱制冷機成功研發(fā)以來，彈熱制冷機的制冷性能得到了快速發(fā)展，發(fā)展了單級、復疊、主動回熱等多種循環(huán)方式，構建出了水冷、固-固接觸等換熱形式。盡管彈熱制冷機的性能不斷取得新的突破，緊湊性一直是制約彈熱制冷機推廣的瓶頸（圖2）。

圖2 彈熱制冷機的緊湊性研究進展

現(xiàn)有彈熱制冷機往往需要多臺電機作為驅動源來分別驅動鎳鈦合金相變和控制鎳鈦合金換熱，驅動源往往占用了過大的體積，是制約彈熱制冷機緊湊性提升的主要因素。為了解決緊湊性的問題，本研究發(fā)明了使用單臺低速電機傾斜放置的彈熱制冷冰箱，同時實現(xiàn)驅動相變和控制換熱兩個功能，并且單臺電機不需要配置額外的減速機構，使彈熱制冷機的緊湊性提升了26%。

彈熱制冷冰箱使用0.7 mm鎳鈦絲作為固態(tài)制冷劑。電機輸出軸的旋轉運動通過絲桿轉化為夾具在豎直和水平兩個方向的運動。電機正向旋轉時，帶動鎳鈦絲在豎直方向拉伸，在夾具的帶動下，鎳鈦絲將逐漸向左側熱匯移動，完成散熱；電機反向旋轉時，鎳鈦絲恢復零應力狀態(tài)的原始長度，向右移動和熱源（冷藏箱）接觸完成制冷過程（圖3）。

圖3 彈熱制冷冰箱結構及運行原理

鎳鈦絲在應力驅動下的溫度變化是保證彈熱制冷冰箱性能的關鍵。實驗結果表明，鎳鈦絲在加載速率達到0.04 s^-1以上時，相變過程的溫變不再提升。鎳鈦絲在完全相變（應變達到8%以上）時的絕熱溫升可以達到9.6℃，絕熱溫降可以達到8.8℃（圖4A）。兼顧鎳鈦絲的疲勞壽命問題，彈熱制冷冰箱上的鎳鈦絲實際應變?yōu)?.8%，此時鎳鈦絲在不完全相變下的溫升可以達到7.8℃，溫降為6.6℃（圖4B）。從鎳鈦絲組的溫度分布帶可以看出不完全相變過程中呂德斯變形帶的局部形核以及生長過程（圖4C）。

圖4 彈熱制冷冰箱中鎳鈦絲組的溫度響應

彈熱制冷冰箱的最優(yōu)運行頻率為0.152 Hz，加載和卸載時間為0.8 s，鎳鈦絲和熱源、熱匯的接觸換熱時間為2.5 s（圖5A）。在最優(yōu)運行頻率條件下，彈熱制冷冰箱在運行了170個周期后，實現(xiàn)了9.2℃的制冷溫差（圖5B）。在熱匯的散熱風機開啟時，彈熱制冷冰箱在運行1500 s之后，實現(xiàn)了5.8℃的制冷溫差（圖5C）。此時，通過熱平衡法測得彈熱制冷冰箱在零制冷溫差條件下的最大制冷功率為3.1 W（圖5D）。

圖5 彈熱制冷冰箱性能

使用具有零碳排放特性的固態(tài)制冷劑替代氟代烴制冷劑是近年來制冷領域的研究熱點。本文立足于提升彈熱制冷機的緊湊性，通過單臺電機傾斜布置的新結構，構建了緊湊型彈熱制冷冰箱，實現(xiàn)了將單位體積的制冷功率在現(xiàn)有水平的基礎上提升20%的目標。在使用鎳鈦絲作為固態(tài)制冷劑的基礎上，正在研發(fā)使用鎳鈦片的第二代彈熱制冷冰箱，預期可將制冷量和制冷功率密度提升六倍以上，有望在環(huán)保、高效、低振動的小型制冷裝置中得到應用，實現(xiàn)“碳中和”的可持續(xù)發(fā)展目標，助力《基加利修正案》削減高溫室效應制冷劑計劃的順利實施。

本文內容來自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第二期以Report發(fā)表的“A compact elastocaloric refrigerator” (投稿: 2021-09-06；接收: 2022-01-10；在線刊出: 2022-01-11)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100205

引用格式：Chen Y., Wang Y., Sun W., et al. (2022). A compact elastocaloric refrigerator. The Innovation. 3(2),100205.

文章來源：蔻享學術

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