上海交大林尚超课题组CRPS：大规模压卡冷却效应 | Cell Press论文速递

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Physical science

近日，上海交通大学机械与动力工程学院的林尚超团队等利用低成本的庞压卡相变塑晶材料新戊二醇，设计并搭建了第一台近室温的压卡循环冷却测试原型样机，为实现大规模清洁绿色制冷技术提供了新的解决思路。该文于2024年6月19日以“Highly efficient mechanocaloric cooling using colossal barocaloric plastic crystals”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上。论文通讯作者为林尚超、李昺、赵长颖；论文第一作者为千坤和林尚超。通讯单位为上海交通大学和中国科学院金属研究所。

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研究背景

近年来研究人员陆续在塑料晶体、正构烷烃等材料中发现的近室温的庞压卡材料，其等温熵变可达到350-700 J kg⁻¹ K⁻¹，接近或部分超过了目前已经商用的气态制冷剂，为实现大规模近室温的清洁绿色制冷技术提供了新的解决思路。但目前针对庞压卡材料的研究集中在材料的压卡性能表征方面，在大规模应用样机层面还是处于空白状态。来自上海交通大学机械与动力工程学院的林尚超团队对近室温的庞压卡材料新戊二醇的压卡冷却效应开展了相关研究。

研究要点1. 基于新戊二醇庞压卡效应的固态冷却循环

研究团队首先基于新戊二醇的庞压卡性质构建了逆向斯特林冷却循环和逆向布雷顿冷却循环，并对循环展开热力学分析，给出了冷却循环效能系数、制冷量的表达式。逆向斯特林冷却循环通过利用与热源温度相同的高压新戊二醇相释放压强过程中相变潜热的变化，对热源进行冷却；而逆向布雷顿冷却循环通过利用绝热释压过程后低于热源温度的低压新戊二醇相，对热源进行冷却。

图1 基于新戊二醇庞压卡效应的固态制冷循环。

研究要点2. 新戊二醇的压卡效应表征样机及测试

研究团队利用压力机和电加热套设计并搭建了压卡测量样机，样机可装载20 g材料，实现室温至150 ℃的温度控制、常压至30 T的轴向压力控制。新戊二醇在314 K的初始条件下，从常压加压至231 MPa过程中，可实现最高20.8 K的近似绝热温变；在331 K的初始条件下，从231 MPa释压至常压，可实现最低−17.8 K的近似绝热温变。并且通过多次的“加压-释压”循环，证明了材料压卡效应的可逆性和稳定性。

图2 压卡测试样机及新戊二醇压卡效应测试。

研究要点3. 新戊二醇的压卡冷却效应样机及测试

研究团队在测试样机的基础上进一步设计并搭建了以新戊二醇为制冷工质、循环水为换热介质的压卡冷却样机，通过压强驱动（压强下限：常压，压强上限：140 MPa），观测到换热盘管进出口水流温降最高可达到3.8 K，最大制冷功率6.67 W，单次循环的制冷量超过900 J。

图3 压卡冷却样机及新戊二醇压卡冷却效应测试。

研究要点4. 新戊二醇相变的理论分析及计算

研究团队通过分子动力学仿真对新戊二醇固态相变的热力学参数及理论冷却循环的效能系数进行计算。在压强驱动下（350 MPa变换至0.1 MPa），新戊二醇在大约320 K的条件下可实现最高380 J kg⁻¹ K⁻¹的理论等温熵变和42 K的理论绝热温变，其中构型熵达到345 J kg⁻¹ K⁻¹，占到总熵变的约90%。在5 K的温度跨度条件下，逆向斯特林冷却循环和逆向布雷顿冷却循环的理论效能系数最大可达到14和7.5。

图4 新戊二醇理论等温熵变及冷却循环效能系数。

小结

该研究结合热力学分析和分子动力学仿真等理论方法与压卡效应的测试、冷却实验方法，研究了塑料晶体新戊二醇的压卡循环冷却效应，对未来新型清洁绿色固态制冷技术的大规模应用具有重要的技术价值。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Highly efficient mechanocaloric cooling using colossal barocaloric plastic crystals

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386424002418

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101981

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