冷水機|彈熱製冷冰箱：零碳排放製冷新技術

彈熱製冷是最具潛（qián）力的下一代製冷技術，其利用了應力驅動記憶合金產生晶格（gé）相變時的製冷效應，具有零溫室（shì）效應的核心特（tè）征，兼具高效、低振動等核心優勢（shì）。近日，西安交通大學（xué）錢蘇（sū）昕團隊與中科院寧波材（cái）料所劉劍團隊合作，成功研製了全球首（shǒu）台彈熱製冷冰箱，相比現有（yǒu）水（shuǐ）平，緊湊性提升了26%，實現了9.2℃的製（zhì）冷溫差和3.1 W的最大製冷功率（lǜ）。

彈（dàn）熱製冷技術的（de）發展

彈熱效應是在固體相變材料中由軸向應力驅動溫度變（biàn）化的（de）現象。對形狀記憶（yì）合金施加軸向應力時，奧氏體變（biàn）為馬氏體，相（xiàng）變過程釋（shì）放潛熱，合金溫度上（shàng）升；卸（xiè）載應力時，馬氏體變回奧氏體，逆向相變過程吸收（shōu）潛熱，合金溫度降低。鎳（niè）鈦二（èr）元合金在卸載應力時溫度可降低20℃以上，即此時的製冷能量密度可達100 J cm-3，超越了部（bù）分氟代烴製（zhì）冷劑（jì）的（de）單位體積製冷能力。除（chú）此之外，鎳鈦合金具有零排放、高能效（xiào）、可回收再生、低成（chéng）本、低振動（dòng）運行優（yōu）勢，已（yǐ）有規（guī）模化的（de）產業鏈和（hé）行業技術標準。因此，美國能源部的（de）研究報告指出，彈熱製（zhì）冷是最具發展潛力的非蒸（zhēng）氣壓縮（suō）製冷技術。

自2014年首台彈熱製冷機成功研發以來，彈熱製冷機的製冷性（xìng）能得到了快速（sù）發展，發展了（le）單級、複疊、主動（dòng）回熱等多種循環方式，構建出了水冷、固-固接觸（chù）等換熱形式。盡管彈熱製冷機的性能不斷取得新的（de）突破（pò），緊湊（còu）性一直（zhí）是製約彈熱製（zhì）冷機推廣（guǎng）的瓶頸

彈熱製（zhì）冷冰箱的（de）原理

現（xiàn）有彈熱製冷機往往需要多台電機作為驅動源來分別驅（qū）動鎳鈦合金相變和控製鎳鈦合（hé）金換熱，驅動源往往占用了過大的體積，是製約彈熱製冷機緊湊性提升的主要（yào）因素。為了解決緊湊性（xìng）的問（wèn）題，本研究發明（míng）了使用單台低速電機傾斜（xié）放置的彈熱製冷（lěng）冰箱（xiāng），同（tóng）時實現驅動相變和控製換熱兩個功能（néng），並且單台電機不需要配置額（é）外的減速機構，使彈熱製冷機的緊湊性提升了26%。

彈熱（rè）製冷冰箱使用（yòng）0.7 mm鎳鈦絲作為固態製冷劑。電機輸出軸的旋轉運動通過絲（sī）杆轉化為夾具在豎（shù）直和（hé）水平兩（liǎng）個方向的運動。電機正向（xiàng）旋（xuán）轉時，帶動鎳鈦絲（sī）在豎直方向拉伸，在夾具的帶動下，鎳鈦絲（sī）將逐漸向左（zuǒ）側熱匯（huì）移動，完成散熱；電機反向旋轉時，鎳鈦絲恢複零應（yīng）力狀（zhuàng）態的原始長度（dù），向右移動和熱源（冷藏箱）接觸完（wán）成製冷過程

固態製冷劑的性能（néng）

鎳鈦絲在應力驅動下的溫度變（biàn）化是保證彈熱製冷冰箱性能的（de）關鍵。實驗結果表明，鎳鈦絲在加載速率達到0.04 s-1以上時，相變過程的溫變不再提升。鎳鈦絲在（zài）完全相變（應變達到8%以上）時的絕熱溫升可以達到9.6℃，絕熱溫降可以（yǐ）達到（dào）8.8℃（圖4A）。兼顧鎳鈦絲的疲（pí）勞壽（shòu）命問題，彈熱製冷冰箱上的鎳鈦絲（sī）實際應變為（wéi）4.8%，此時鎳鈦絲在不完全相變下的溫升可以達到7.8℃，溫降為6.6℃（圖4B）。從鎳鈦絲組的溫度分布帶可以看出不完全相變過（guò）程中呂德斯變形帶的局部形（xíng）核以（yǐ）及生長過程

彈熱製冷冰（bīng）箱的性能

彈熱製（zhì）冷冰箱的最優運行頻率為0.152 Hz，加載和（hé）卸載時間為0.8 s，鎳鈦絲和（hé）熱源、熱匯的接觸換（huàn）熱時間為2.5 s（圖（tú）5A）。在最優運行頻率條件下，彈熱製冷冰箱在運行了170個周期後，實現了9.2℃的製冷溫（wēn）差（chà）（圖5B）。在熱匯的（de）散熱風機開啟時，彈熱製冷冰箱在運行1500 s之後，實現了5.8℃的製冷溫差（chà）（圖5C）。此時，通過熱平衡法測得彈熱製冷冰箱在（zài）零製冷溫差條件下的最大製冷功率為3.1 W（圖5D）。

總結與展望

本文立（lì）足於提升彈熱製冷機的緊湊性，通過單台電機傾斜布置（zhì）的新結構，構建了緊（jǐn）湊型彈熱製冷冰（bīng）箱，實現了（le）將單位體積的製冷功（gōng）率在現有水平的基礎上提升20%的目標。

彈熱（rè）製冷的背景介紹：

背景

傳統（tǒng）的蒸氣壓縮製冷係統中使（shǐ）用了具有臭氧破壞效應（ODP）和溫室氣體效應（GWP）的製冷劑，對臭氧。自上個世紀末以來各國已立法禁止高ODP的CFC、HCFC等製冷劑的生產和（hé）使用，並已開始逐（zhú）步立法限製、禁止部分高GWP的HFC類製冷劑。固（gù）態（tài）製冷技術使用固態材料具有的製冷效應來替代蒸氣壓縮循環（huán）中氣態工（gōng）質的蒸發吸熱製冷效應，由於不再對大氣排放具有ODP和GWP的工質，對環境更加友好，在過去十餘年間已（yǐ）經得到了（le）快速發展。

常見的固態製冷技術有：

（1）熱電製冷（Thermoelectric）：兩種（zhǒng）不同金屬/半導體的帕爾貼製冷效應

（2）磁熱製冷（lěng）（Magnetocaloric）：磁熱合金的絕熱去磁製冷效應

（3）電卡製冷（Electrocaloric）：電卡材料的電卡效應製（zhì）冷（lěng）

（4）彈熱製冷（Elastocaloric）：記憶合金的的馬氏體相變製冷效應

在這些技術中（zhōng），熱（rè）電製冷（lěng）和（hé）磁熱製冷已經商業化，由於其低噪聲、結構簡單、高便攜性等突出特點，已經有了車載冰箱、小（xiǎo）型（xíng）空調、酒櫃等實際產品，擁有一定的市（shì）場份額。

固態製冷劑

記憶合（hé）金是最主要的彈熱（rè）製冷材料，一些高分子、陶瓷等材（cái）料也具有彈（dàn）熱製冷效應，但由於記憶合金的機械性能和（hé）疲勞壽命顯（xiǎn）著由於其它種類的彈熱材料，絕大部分的彈熱製冷研（yán）究都是針（zhēn）對記憶合金。材料相當於蒸氣壓縮製冷係統中的製冷劑（jì），對於係統性能具有決定性的作用。目前，應用最廣泛的鎳鈦合金（NiTi）可達到12 J/g的（de）製冷能量密（mì）度，在絕熱卸載時可產生超過20 K的材料絕熱溫變，機械性能（néng）優異，已在臨床醫學、航天航空、汽（qì）車等領域（yù）有了（le）大量應用，具備大（dà）規模生產的能力。

加載NiTi線：溫度升高至42℃；卸載NiTi線：溫度降（jiàng）低至16℃

彈熱效應

彈熱製冷是近年（nián）來新（xīn）興的一種由力驅（qū）動形狀記憶合金（SMA）馬氏體相變而產生製冷效應的固態製冷技術。當外界施加軸向力（拉伸、壓縮）時，材料內部的應力超過其相（xiàng）變臨界應力，記憶合金（jīn）由奧氏體轉變為馬氏（shì）體，釋放相（xiàng）變潛熱，在絕（jué）熱工況下導致材（cái）料本身溫度上（shàng）升；去除外力後（hòu），材料的內應力（lì）小於其相變臨界應力，記（jì）憶合金由馬氏體變回奧氏體，吸收潛熱，導致材料自身溫度下降。從馬氏體向奧氏體逆向相變、吸收潛熱即為彈（dàn）熱（rè）製冷效應。

彈熱製冷係統

彈熱製冷效應非連（lián）續（xù）的本質要求係統需（xū）采用兩個或以上的記憶合金製冷單元（簡稱SMA床）來輸出“周期性穩（wěn）態”的製冷量。最直接的（de）循環設計如下（xià）圖（tú）所示：軸向外力加載一個記憶合金床產生相變（過程1→2），相（xiàng）變過程伴隨著2~10%的軸（zhóu）向應（yīng）變；相變結束後（hòu）保（bǎo）持外力的同時通過排熱流體散熱（2→3）；與此同時，另一個（gè）記憶合金（jīn）床卸載發生逆向相變（4→5），結束後引入載冷流體製冷（5→6）；這兩個記憶合金床有（yǒu）半（bàn）個周期的相位差，它們切換前通過回熱流體（tǐ）在兩記憶合（hé）金床間進行換熱，利用記（jì）憶（yì）合金床（chuáng）自身的溫度差驅動回熱過程，以提升係統性（xìng）能（néng）（3→4與6→1）。卸載時的機（jī）械勢能理論上可完全回收，輔助加載另一個記憶合金床。整個彈（dàn）熱循環與逆布雷頓製冷循環相似，由兩個等（děng）熵加/卸（xiè）載（壓（yā）縮/膨脹）過程（1→2和4→5）、兩（liǎng）個等應力（壓力（lì））傳熱過程（2→3和5→6）、兩個等應力（壓力）回熱過程（3→4和6→1）構成。主（zhǔ）要區別在於記憶合金是固體，無法像流體工質一樣在係統內流動傳熱及回熱，需（xū）要引入多股獨立的傳熱流（liú）體實現（xiàn）排熱、回熱、載冷的過（guò）程。