彈熱制冷的案例
彈熱制冷冰箱：零碳排放制冷新技術
圖4 彈熱制冷冰箱中鎳鈦絲組的溫度響應
彈熱制冷冰箱的性能
彈熱制冷冰箱的最優運行頻率為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）。在最優運行頻率條件下，彈熱制冷冰箱在運行了170個周期后，實現了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
總結與展望
使用具有零碳排放特性的固態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，實現了將單位體積的制冷功率在現有水平的基礎上提升20%的目標。在使用鎳鈦絲作為固態制冷劑的基礎上，正在研發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，有望在環保、高效、低振動的小型制冷裝置中得到應用，實現“碳中和”的可持續發展目標，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。
展開 高性能多模彈熱制冷系統
多模彈熱制冷機的工作原理圖、核心部件及實物圖。
為了在單級原型中捕捉主動再生循環和大利用率操作的最佳性能，研究人員開發了一種多模式彈性冷卻系統，利用主動回熱模式的大溫跨度（圖1A）和單級循環模式的高效冷卻（圖1B）。
彈性材料的理想幾何形狀不僅在循環壓縮下表現出強大的機械完整性，還有利于材料與傳熱流體（蒸餾水）之間的熱交換。在設計彈熱材料的場驅動和循環壽命時，需要考慮與彈熱材料相變相關的偏應力狀態。彈熱材料在壓縮模式下可承受大于1000萬次循環，即每天12小時和每年180天的使用模式下，0.1 Hz運行和1000萬次循環相當于12.8年，超出了商用電器的標準使用壽命。
圖2. 多模彈性高熱量制冷系統的性能。
相比僅運行單級循環8 K的制冷溫差和僅運行主動回熱循環不足30 W的制冷量取得了顯著的提升。研究表明，利用因子決定了管束工質中彈熱效應兩種釋放途徑的比例，其中一部分彈熱效應可被傳熱流體帶走用于制冷，而另一部分彈熱效應需要留在管束工質內部，用于維持工質在傳熱流體流動方向的溫度梯度，而最佳利用因子反映了兩者之間的競爭關系。
主動回熱循環需要更多的彈熱效應維持溫度梯度，最佳利用因子在0.6左右；單級循環可將大部分彈熱效應用于制冷，最佳利用因子大于6。多模式彈熱制冷機可顯著拓展最佳利用因子的范圍，使其可在大范圍工況變化時保持高效率。在此基礎上，可以通過調節管狀彈熱工質內插組件的結構參數，優化管狀彈熱工質內固、液相的熱容比，有望實現40 K以上的制冷溫差和500 W的制冷量。
圖3. 已報道的彈熱、磁熱和電熱冷卻原型的比較及其性能。
多模彈性制冷概念也可以擴展到級聯多個NiTi管束，從而實現模式的變化。
展開 【當期目錄】《材料工程》2021年3期目錄（形狀記憶合金專欄）
形狀記憶合金專欄
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NiTi基形狀記憶合金彈熱效應及其應用研究進展
朱雪潔, 鐘詩江, 楊曉霞, 張學習, 錢明芳, 耿林
2021, 49 (3): 1-13.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000780
摘要：
NiTi合金作為性能最優異的形狀記憶合金之一，已經廣泛應用于航空航天、電子、建筑、生物醫學等領域。近年來，NiTi基合金極佳的力學性能、巨大的彈熱效應和良好的機械加工性使其在彈熱制冷領域引起了廣泛關注。然而，傳統NiTi二元合金超彈性應力滯后大，超彈性和彈熱效應循環穩定性差，達不到實際應用所需的長期服役要求。本文介紹了NiTi基合金的彈熱效應研究進展，從摻雜合金元素、熱機械處理、改變制備方法等角度綜述了近幾年NiTi基合金彈熱效應改進優化的研究進展，同時本文也簡要介紹了已經開發的基于NiTi基合金的彈熱裝置或原型機。但是目前NiTi基合金彈熱材料的研究和原型機的開發仍處于實驗階段，實現其商業化應用需要進一步深入研究和優化，未來前者研究重點將集中在材料小型化、合金化或特殊處理及改變循環方式等方面，后者也將從提高熱量傳輸效率、加強熱量交換、減小摩擦等損耗、改進機械負載和循環模式等方面不斷優化和完善。
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形狀記憶合金專欄
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NiTi基形狀記憶合金彈熱效應及其應用研究進展
朱雪潔, 鐘詩江, 楊曉霞, 張學習, 錢明芳, 耿林
2021, 49 (3): 1-13.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000780
摘要：
NiTi合金作為性能最優異的形狀記憶合金之一，已經廣泛應用于航空航天、電子、建筑、生物醫學等領域。近年來，NiTi基合金極佳的力學性能、巨大的彈熱效應和良好的機械加工性使其在彈熱制冷領域引起了廣泛關注。然而，傳統NiTi二元合金超彈性應力滯后大，超彈性和彈熱效應循環穩定性差，達不到實際應用所需的長期服役要求。本文介紹了NiTi基合金的彈熱效應研究進展，從摻雜合金元素、熱機械處理、改變制備方法等角度綜述了近幾年NiTi基合金彈熱效應改進優化的研究進展，同時本文也簡要介紹了已經開發的基于NiTi基合金的彈熱裝置或原型機。但是目前NiTi基合金彈熱材料的研究和原型機的開發仍處于實驗階段，實現其商業化應用需要進一步深入研究和優化，未來前者研究重點將集中在材料小型化、合金化或特殊處理及改變循環方式等方面，后者也將從提高熱量傳輸效率、加強熱量交換、減小摩擦等損耗、改進機械負載和循環模式等方面不斷優化和完善。
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