固態相變制冷
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
固態相變制冷的實例教程
倫敦時間3月28日18:00，Nature在線發表了中國科學院金屬研究所科研人員與國內外合作者在固態相變制冷材料研究領域取得的重要進展，在塑晶材料里發現了基于分子取向序的龐壓卡效應，等溫熵變較傳統材料高出了一個數量級。
制冷技術在當今社會工農業生產、日常生活等多個領域均起到了至關重要的作用，聯合國統計數據表明全球每年25-30%的電力被用于各種各樣的制冷應用。而這些應用絕大部分依賴傳統的氣體壓縮制冷技術，普遍使用對環境和人體有害的制冷劑。因此，尋求綠色、環保、低能耗的替代制冷方案已經成為學術界和工業界共同努力的方向。特別地，當前我國高端制冷壓縮機技術仍然欠缺，探索新的制冷技術方案則有望從根源上解決該技術領域的“卡脖子”問題。
近年來，基于固態相變熱效應（caloric effects）的固態制冷技術被認為是最有希望取代傳統氣體壓縮制冷的技術方案。固態相變熱效應主要包括磁卡效應（magnetocaloric effect, MCE）、電卡效應（electrocaloric effect, ECE）、彈卡效應（elastocaloric effect, eCE）以及壓卡效應（barocaloric effect, BCE）。前三者分別源于相應外場對鐵性體系（ferroics）中磁矩、鐵電極化或晶體結構疇的有序度的調控，而后者則常常涉及壓力誘導的晶體結構相變。固態相變制冷材料的性能主要由等溫熵變所描述。固體壓卡效應的制冷循環，如圖1所示。遵循以上的物理認識，經過數十年的發展，主流固態相變制冷材料的等溫熵變提高到了50J kg-1K-1左右，且需要較大的外場，這成為該技術走向應用的障礙。
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來源 | Science，西安交通大學
01
背景介紹
從空調到食品保鮮，制冷是現代生活中無處不在且不可或缺的一部分。蒸汽壓縮循環主導著所有冷卻技術，占全球能源消耗的20%左右。在蒸汽壓縮系統中用作制冷劑的氫氟碳化物是超級污染的溫室氣體——它們的全球變暖潛能值(GWP)是CO2的數百到數千倍，但目前沒有理想的低GWP制冷劑替代品，需要在環境影響和安全問題（例如易燃性）之間進行權衡。
在零GWP、不易燃和無毒的蒸汽壓縮替代品中，熱量冷卻（和加熱）是潛在的領跑者。其中彈熱制冷是利用形狀記憶合金在單軸應力作用下發生可逆相變，并利用該相變潛熱制冷的新型固態制冷技術。與傳統蒸氣壓縮制冷相比，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勢。
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和主動回熱循環兩種技術路線：單級循環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。
02
成果掠影
西安交通大學錢蘇昕副教授和美國馬里蘭大學Ichiro Takeuchi教授等研究者，使用4組管內流動、軸向加載的抗疲勞彈性鎳鈦合金管（NiTi）管束，研制的多模式彈熱制冷機實現了22.5 K的最大制冷溫差和 260 W的最大制冷量。通過傳熱流體管網流路的切換，可以充分發揮單級循環和主動回熱循環兩種技術路徑的優勢。本文的研究有望推進彈熱制冷及其它固態相變制冷（caloric cooling）技術的商業化應用進程。
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金屬學報論文，第二作者
鏈接地址：http://www.ams.org.cn/CN/Y2016/V52/I4/394
材料產業是戰略性、基礎性產業，大會將設置熱界面材料、導熱高分子材料、碳基熱管理材料、熱沉材料、陶瓷基板、隔熱保溫材料等關鍵領域方向，特別呈現固態相變制冷、輻射制冷、熱電制冷等新型固態制冷材料和技術，以適應和儲備熱管理新技術的競爭發展。
B1 熱界面材料技術與應用論壇
B2 導熱高分子材料技術論壇
B3 碳基熱管理材料技術論壇
B4 熱沉材料與技術論壇
B5 陶瓷基板材料與技術論壇
B6 隔熱保溫材料技術與應用論壇
B7 第二屆固態制冷材料與技術應用論壇
C. 技術應用
九層之臺，起于累土。新需求、新技術、新方案的全方位呈現，將為熱管理材料與技術的積累升級和創新發展，提供強有力的支撐和新動力。
C1 熱物性分析與測試論壇
C2 熱設計與仿真應用論壇
C3 封裝熱管理與可靠性技術論壇
C4 熱管技術與應用論壇
C5 功率器件熱管理技術論壇
C6 液冷技術應用論壇
D. 工程方案
匠心獨運，精益求精。優秀的熱管理解決方案，必定是想用戶之所想、解用戶之所難，精心打造產品體系基石，滿足用戶需求和賦予產品價值。
D1 儲能熱管理技術應用論壇
D2 新能源汽車綜合熱管理論壇
D3 消費電子熱管理應用論壇
D4 5G熱管理技術與應用論壇
E. 創新創業
科技是強盛之基，創新是進步之魂。本環節將在大會同期設置熱管理知識產權論壇和創新技術路演活動。
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固態相變制冷的最新內容
其中彈熱制冷是利用形狀記憶合金在單軸應力作用下發生可逆相變，并利用該相變潛熱制冷的新型固態制冷技術。與傳統蒸氣壓縮制冷相比，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勢。
材料產業是戰略性、基礎性產業，大會將設置熱界面材料、導熱高分子材料、碳基熱管理材料、熱沉材料、陶瓷基板、隔熱保溫材料等關鍵領域方向，特別呈現固態相變制冷、輻射制冷、熱電制冷等新型固態制冷材料和技術，以適應和儲備熱管理新技術的競爭發展。
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圖2：該工作報道的塑晶材料與當前主流固態相變制冷材料的最大等溫熵變的對比。
基于SYSWELD軟件，開發P92馬氏體鋼材料參數文件進行溫度-組織-應力模擬，并采用盲孔法測量焊接殘余應力。
金屬學報論文，第二作者
鏈接地址：http://www.ams.org.cn/CN/Y2016/V52/I4/394
