【期刊】弹热制冷冰箱：零碳排放制冷新技术 | The Innovation
导 读
制冷行业的碳排放占全球总量的7.8%，降低碳排放需要将氟代烃制冷剂的温室效应降低到现有水平的10%以内。弹热制冷是最具潜力的下一代制冷技术，其利用了应力驱动记忆合金产生晶格相变时的制冷效应，具有零温室效应的核心特征，兼具高效、低振动等核心优势。近日，西安交通大学钱苏昕团队与中科院宁波材料所刘剑团队合作，成功研制了全球首台弹热制冷冰箱，相比现有水平，紧凑性提升了26%，实现了9.2℃的制冷温差和3.1 W的最大制冷功率。成果发表于The Innovation期刊。
图1 图文摘要
弹热制冷技术的发展
弹热效应是在固体相变材料中由轴向应力驱动温度变化的现象。对形状记忆合金施加轴向应力时，奥氏体变为马氏体，相变过程释放潜热，合金温度上升；卸载应力时，马氏体变回奥氏体，逆向相变过程吸收潜热，合金温度降低。镍钛二元合金在卸载应力时温度可降低20℃以上，即此时的制冷能量密度可达100 J cm-3，超越了部分氟代烃制冷剂的单位体积制冷能力。除此之外，镍钛合金具有零排放、高能效、可回收再生、低成本、低振动运行优势，已有规模化的产业链和行业技术标准。因此，美国能源部的研究报告指出，弹热制冷是最具发展潜力的非蒸气压缩制冷技术。
自2014年首台弹热制冷机成功研发以来，弹热制冷机的制冷性能得到了快速发展，发展了单级、复叠、主动回热等多种循环方式，构建出了水冷、固-固接触等换热形式。尽管弹热制冷机的性能不断取得新的突破，紧凑性一直是制约弹热制冷机推广的瓶颈（图2）。
图2 弹热制冷机的紧凑性研究进展
弹热制冷冰箱的原理
现有弹热制冷机往往需要多台电机作为驱动源来分别驱动镍钛合金相变和控制镍钛合金换热，驱动源往往占用了过大的体积，是制约弹热制冷机紧凑性提升的主要因素。为了解决紧凑性的问题，本研究发明了使用单台低速电机倾斜放置的弹热制冷冰箱，同时实现驱动相变和控制换热两个功能，并且单台电机不需要配置额外的减速机构，使弹热制冷机的紧凑性提升了26%。
弹热制冷冰箱使用0.7 mm镍钛丝作为固态制冷剂。电机输出轴的旋转运动通过丝杆转化为夹具在竖直和水平两个方向的运动。电机正向旋转时，带动镍钛丝在竖直方向拉伸，在夹具的带动下，镍钛丝将逐渐向左侧热汇移动，完成散热；电机反向旋转时，镍钛丝恢复零应力状态的原始长度，向右移动和热源（冷藏箱）接触完成制冷过程（图3）。
图3 弹热制冷冰箱结构及运行原理
固态制冷剂的性能
镍钛丝在应力驱动下的温度变化是保证弹热制冷冰箱性能的关键。实验结果表明，镍钛丝在加载速率达到0.04 s-1以上时，相变过程的温变不再提升。镍钛丝在完全相变（应变达到8%以上）时的绝热温升可以达到9.6℃，绝热温降可以达到8.8℃（图4A）。兼顾镍钛丝的疲劳寿命问题，弹热制冷冰箱上的镍钛丝实际应变为4.8%，此时镍钛丝在不完全相变下的温升可以达到7.8℃，温降为6.6℃（图4B）。从镍钛丝组的温度分布带可以看出不完全相变过程中吕德斯变形带的局部形核以及生长过程（图4C）。
图4 弹热制冷冰箱中镍钛丝组的温度响应
弹热制冷冰箱的性能
弹热制冷冰箱的最优运行频率为0.152 Hz，加载和卸载时间为0.8 s，镍钛丝和热源、热汇的接触换热时间为2.5 s（图5A）。在最优运行频率条件下，弹热制冷冰箱在运行了170个周期后，实现了9.2℃的制冷温差（图5B）。在热汇的散热风机开启时，弹热制冷冰箱在运行1500 s之后，实现了5.8℃的制冷温差（图5C）。此时，通过热平衡法测得弹热制冷冰箱在零制冷温差条件下的最大制冷功率为3.1 W（图5D）。
图5 弹热制冷冰箱性能
总结与展望
使用具有零碳排放特性的固态制冷剂替代氟代烃制冷剂是近年来制冷领域的研究热点。本文立足于提升弹热制冷机的紧凑性，通过单台电机倾斜布置的新结构，构建了紧凑型弹热制冷冰箱，实现了将单位体积的制冷功率在现有水平的基础上提升20%的目标。在使用镍钛丝作为固态制冷剂的基础上，正在研发使用镍钛片的第二代弹热制冷冰箱，预期可将制冷量和制冷功率密度提升六倍以上，有望在环保、高效、低振动的小型制冷装置中得到应用，实现“碳中和”的可持续发展目标，助力《基加利修正案》削减高温室效应制冷剂计划的顺利实施。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00001-7
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第二期以Report发表的“A compact elastocaloric refrigerator” (投稿: 2021-09-06；接收: 2022-01-10；在线刊出: 2022-01-11)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100205
引用格式：Chen Y., Wang Y., Sun W., et al. (2022). A compact elastocaloric refrigerator. The Innovation. 3(2),100205.
作者简介
钱苏昕，西安交通大学副教授，国际制冷学会B1专委会委员。主要研究固态相变能量转换技术和制冷系统节能与仿真技术。
刘 剑，中国科学院宁波材料所研究员，中国稀土学会磁制冷专委会委员。主要从事固态相变材料与器件研究。
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