蒸汽压缩冷却通常依赖于温室气体或具有其他易燃性和毒性问题的制冷剂。而开发零全球变暖潜能值制冷剂已成为解决全球气候变化问题的一个重要方向。
鉴于此，近期西安交通大学钱苏昕副教授和美国马里兰大学Ichiro Takeuchi教授等人在Science发表了题为”High-performance multimode elastocaloric cooling system“的研究成果。
该研究中开发的制冷系统的最大冷却功率为260瓦，最大温度范围可达到22.5开尔文。这些数值是所有热冷却系统中最高的。其主要特点是压缩在多功能多模热交换架构中配置的抗疲劳弹性镍钛合金（NiTi）管，从而可以利用高输送冷却功率和大温度范围。研究人员指出，该系统的多功能性是这种零GWP技术成功商业化的关键，它的开发有望推进弹热制冷及其它固态相变制冷技术的商业化应用进程。
研究团队为了获得最佳的主动再生循环和高利用率操作方面的性能，研究开发了一种多模式弹性冷却系统。该系统结合了主动再生模式的大温度跨度（图1A）和最大利用率模式的高效冷却（图1B）。在设计弹性热材料的场驱动和循环寿命时，需要考虑与弹性热材料相变相关的偏应力状态。据报道，弹性热材料在压缩模式下可承受大于1000万次循环，即每天12小时和每年180天的使用模式下，0.1 Hz运行和1000万次循环相当于12.8年，超出了商用电器的标准使用寿命。此外，弹性材料的理想几何形状不仅在循环压缩下表现出强大的机械完整性，而且还有利于材料与传热流体（蒸馏水）之间的热交换。本文的系统采用了围绕现成的NiTi管设计的方法，在最大利用率模式下提供高达260 W的有用冷却（根据热负荷测量），这是迄今为止报告的最大弹性热设备冷却功率之一，并且在主动再生模式下的温度跨度可达22.5 K。凭借如此高性能的特性，弹性热系统与一些最佳磁热系统相媲美。
图1. 多模弹性热量冷却系统系统设计原理图及工作原理
数值模型表明，在最大利用率模式下，使用圆杆嵌件（流道堵塞率为82%）比目前的三角形嵌件提高了65%的冷却功率，即使在零温度跨度下也能达到这种效果。此外，通过增加主动再生模式的循环频率，可以直接提高冷却功率。例如，将当前的0.071 Hz频率提高到0.125 Hz可以使冷却功率提高1.2倍。
图2. 多模弹性高热量冷却系统的性能
图3. 已报道的弹性热、磁热和电热冷却原型的比较及其性能综上所述，多模式弹性冷却的概念可以扩展到级联多个NiTi管束，从而实现各种模式之间的平滑过渡。例如，在主动再生模式或最大利用率模式下级联两个束有望填补图2A中的性能差距，并实现两种模式之间的平滑过渡。因此，这种多功能性是实现零GWP技术商业化的关键因素之一。同时，我们还希望能够实现铜基弹性热材料，其需要的应力比NiTi小得多，从而可以使用更小的致动器实现更高效的系统操作。Suxin Qian†, David Catalini†‡, Jan Muehlbauer, Boyang Liu, Het Mevada, Huilong Hou,Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Ichiro Takeuchi*, Science,https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7043
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