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開發具有零全球變暖的潛在制冷劑已成為有助于解決全球氣候變化問題的一個領域，雖然各種高效的熱量冷卻技術實現了這一目標，但將它們擴大到有技術意義的性能仍然具有挑戰性!

在此，西安交通大學錢蘇昕副教授和美國馬里蘭大學Ichiro Takeuchi教授等人開發了一種彈性冷卻系統，最大冷卻功率為260瓦，最大溫度范圍為22.5開爾文，這些值是任何熱量冷卻系統中報告的最高值之一。

其核心在于在多功能多模熱交換架構中配置的抗疲勞彈性鎳鈦合金（NiTi）管，從而可以利用高輸送冷卻功率和大溫度范圍，從而推動了8年前才出現的彈性冷卻成為今后熱量冷卻商業化的一個有前途的方向。

相關文章以“High-performance multimode elastocaloric cooling system”為題發表在Science。

研究背景

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，主導所有冷卻技術的蒸汽壓縮循環占全球能源消耗的20%。

同時，在蒸汽壓縮系統中用作制冷劑的氫氟碳化合物是溫室氣體之一，它們的全球變暖潛能值（GWP）比CO₂差數百到數千倍，但目前沒有理想的替代品低GWP制冷劑，其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。熱量冷卻在固體中使用場驅動的相變，并具有固有的高能量轉換效率。熱量材料包括磁熱，電熱量和機械熱材料。

磁熱材料和設備已經探索了近50年，并展示了千瓦級冷卻功率制冷系統，但由于基于稀土元素的永磁體的重要性不斷提高，它們的高磁場要求阻礙了磁熱冷卻技術的商業化。機械冷卻由機械應力驅動，并且反映了材料承受應力的多種方式。

由于彈性材料的固有材料溫度升高很大，彈性冷卻裝置代表了一些最有前途的熱量技術。為了增強彈性熱塑原型的溫度跨度，已經在具有27 K溫度范圍的四級器件和使用NiTi線的三級流體基器件中實驗證明了多個級聯的單級方案。

盡管如此，主動再生器中增強的溫度跨度是以蓄熱器內剩余的相當一部分顯熱為代價的，以便建立和維持溫度跨度。

圖文詳解

多模式彈性冷卻系統的設計

為了在單個實際原型中捕捉主動再生循環和大利用率操作的最佳方面，本文開發了一種多模式彈性冷卻系統，利用主動再生模式的大溫跨度（圖1A）和最大利用率模式的高效冷卻（圖1B）。

在設計彈性熱材料的場驅動和循環壽命時，需要考慮與彈性熱材料相變相關的偏應力狀態。

據報道，彈性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。

同時，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，而且還有利于材料與傳熱流體（蒸餾水）之間的熱交換，圍繞現成的NiTi管設計了本文的系統，可以在最大利用率模式下提供高達260 W的有用冷卻（根據熱負荷測量），這是迄今為止報告的最大彈性熱設備冷卻功率之一，以及在主動再生模式下的溫度跨度為22.5 K。憑借如此高性能的特性，彈性熱系統可與一些最好的磁熱系統相媲美。

圖1.?多模彈性熱量冷卻系統系統設計原理圖及工作原理

多模式彈性冷卻系統的性能

數值模型表明，與目前的三角形嵌件相比，在最大利用率模式下，在每個NiTi管中應用流道堵塞率為82%的圓桿嵌件可以在零溫度跨度下提高65%的冷卻功率。同時，增加主動再生模式的循環頻率可以直接提高冷卻功率。例如，通過將當前頻率從0.071 Hz提高到 0.125 Hz，冷卻功率可以提高 1.2 倍。

圖2.?多模彈性高熱量冷卻系統的性能

圖3.?已報道的彈性熱、磁熱和電熱冷卻原型的比較及其性能

綜上，多模式彈性冷卻概念也可以擴展到級聯多個NiTi管束，從而實現模式的變化。例如，在主動再生模式或最大利用率模式下級聯兩個束有望幫助填補圖2A中的性能差距，并可以實現兩種模式之間的平滑過渡。

因此，這種多功能性是這種零GWP技術成功商業化的關鍵，還希望能夠實現銅基彈性熱材料，其需要的應力比NiTi小得多，從而能夠以更小的致動器實現更高效的系統操作。

文獻信息

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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