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彈熱制冷是利用形狀記憶合金在單軸應(yīng)力作用下發(fā)生可逆相變，并利用該相變潛熱制冷的新型固態(tài)制冷技術(shù)。與傳統(tǒng)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(yōu)勢。

截至目前，全世界有20余臺(tái)公開報(bào)道的彈熱制冷機(jī)，它們主要采用單級(jí)循環(huán)和主動(dòng)回?zé)嵫h(huán)兩種技術(shù)路線：單級(jí)循環(huán)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(dòng)回?zé)嵫h(huán)是獲得高制冷溫差的主要途徑，但代價(jià)是受限的效率和制冷量。為了充分發(fā)揮兩種技術(shù)路徑的優(yōu)勢，西安交通大學(xué)與馬里蘭大學(xué)、北京航空航天大學(xué)合作，使用4組管內(nèi)流動(dòng)、軸向加載的彈熱工質(zhì)管束，研制出多模式彈熱制冷機(jī)，通過傳熱流體管網(wǎng)流路的切換，實(shí)現(xiàn)單級(jí)循環(huán)和主動(dòng)回?zé)嵫h(huán)兩種模式的切換（圖1A、B、C）。

圖1. 多模式彈熱制冷機(jī)及其制冷性能. A, 多模式彈熱制冷機(jī)的主動(dòng)回?zé)崮Ｊ剑籅, 多模式彈熱制冷機(jī)的單級(jí)循環(huán)模式；C, 多模式彈熱制冷機(jī)的核心部件及實(shí)物圖；D. 多模式運(yùn)行拓寬了單模式的制冷性能范圍；E. 兩種模式的制冷溫差建立過程動(dòng)態(tài)特性；F. 多模式拓寬了最佳利用因子的范圍；G. 通過調(diào)節(jié)內(nèi)插組件可進(jìn)一步優(yōu)化制冷性能

通過多模式的運(yùn)行，該制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)了22.5 K的最大制冷溫差和260 W的最大制冷量，相比僅運(yùn)行單級(jí)循環(huán)8 K的制冷溫差和僅運(yùn)行主動(dòng)回?zé)嵫h(huán)不足30 W的制冷量取得了顯著的提升（圖1D）。研究表明，利用因子決定了管束工質(zhì)中彈熱效應(yīng)兩種釋放途徑的比例，其中一部分彈熱效應(yīng)可被傳熱流體帶走用于制冷，而另一部分彈熱效應(yīng)需要留在管束工質(zhì)內(nèi)部，用于維持工質(zhì)在傳熱流體流動(dòng)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(guān)系。主動(dòng)回?zé)嵫h(huán)需要更多的彈熱效應(yīng)維持溫度梯度，最佳利用因子在0.6左右；單級(jí)循環(huán)可將大部分彈熱效應(yīng)用于制冷，最佳利用因子大于6（圖1F）。多模式彈熱制冷機(jī)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(shí)保持高效率。在此基礎(chǔ)上，可以通過調(diào)節(jié)管狀彈熱工質(zhì)內(nèi)插組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化管狀彈熱工質(zhì)內(nèi)固、液相的熱容比，有望實(shí)現(xiàn)40 K以上的制冷溫差和500 W的制冷量（圖1G）。本文的研究有望推進(jìn)彈熱制冷及其它固態(tài)相變制冷（caloric cooling）技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

西安交通大學(xué)為該論文的第一完成單位，西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院的錢蘇昕副教授為該論文的第一作者。美國馬里蘭大學(xué)竹內(nèi)一郎教授為該論文的通訊作者。本文的研究始于錢蘇昕在馬里蘭大學(xué)構(gòu)建的管束式彈熱制冷系統(tǒng)，他在西安交通大學(xué)提出了多模式彈熱制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并與馬里蘭大學(xué)Catalini博士合作在馬里蘭大學(xué)搭建了多模式彈熱制冷機(jī)，其中彈熱工質(zhì)的材料物性測量由北京航空航天大學(xué)侯慧龍副教授協(xié)助開展。

該項(xiàng)研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體、中國科協(xié)青年人才托舉工程等項(xiàng)目資助。錢蘇昕副教授以制冷系統(tǒng)碳中和為目標(biāo)，長期從事零GWP的固態(tài)制冷技術(shù)及使用低GWP工質(zhì)的制冷空調(diào)熱泵系統(tǒng)仿真與節(jié)能技術(shù)研究，構(gòu)建了熱驅(qū)動(dòng)彈熱制冷循環(huán)，創(chuàng)制了全球首臺(tái)壓縮式彈熱制冷機(jī)、首臺(tái)多模式彈熱制冷機(jī)、首臺(tái)彈熱制冷冰箱原型機(jī)，并建成了包含制冷系統(tǒng)關(guān)鍵部件和整機(jī)的多個(gè)仿真平臺(tái)，為頭部企業(yè)成功研發(fā)了多款基于碳?xì)渲评鋭┑男袠I(yè)全新產(chǎn)品。相關(guān)基礎(chǔ)研究成果發(fā)表于Nature Reviews Materials、Innovation等高水平期刊，應(yīng)用研究成果獲山東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7043