弹热制冷冰箱零碳排放制冷新技术

导读

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3.1W的最大制冷功率。

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Jcm-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0.7mm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0.04s-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.Hz，加载和卸载时间为0.8s，镍钛丝和热源、热汇的接触换热时间为2.5s（图5A）。在最优运行频率条件下，弹热制冷冰箱在运行了个周期后，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3.1W（图5D）。

图5弹热制冷冰箱性能

总结与展望

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。

作者：钱苏昕（西安交通大学副教授），刘剑（中科院宁波材料所研究员）

弹热制冷的背景介绍：

背景

传统的蒸气压缩制冷系统中使用了具有臭氧破坏效应（ODP）和温室气体效应（GWP）的制冷剂，对臭氧。自上个世纪末以来各国已立法禁止高ODP的CFC、HCFC等制冷剂的生产和使用，并已开始逐步立法限制、禁止部分高GWP的HFC类制冷剂。固态制冷技术使用固态材料具有的制冷效应来替代蒸气压缩循环中气态工质的蒸发吸热制冷效应，由于不再对大气排放具有ODP和GWP的工质，对环境更加友好，在过去十余年间已经得到了快速发展。

常见的固态制冷技术有：

（1）热电制冷（Thermoelectric）：两种不同金属/半导体的帕尔贴制冷效应

（2）磁热制冷（Magnetocaloric）：磁热合金的绝热去磁制冷效应

（3）电卡制冷（Electrocaloric）：电卡材料的电卡效应制冷

（4）弹热制冷（Elastocaloric）：记忆合金的的马氏体相变制冷效应

在这些技术中，热电制冷和磁热制冷已经商业化，由于其低噪声、结构简单、高便携性等突出特点，已经有了车载冰箱、小型空调、酒柜等实际产品，拥有一定的市场份额。

固态制冷剂

记忆合金是最主要的弹热制冷材料，一些高分子、陶瓷等材料也具有弹热制冷效应，但由于记忆合金的机械性能和疲劳寿命显著由于其它种类的弹热材料，绝大部分的弹热制冷研究都是针对记忆合金。材料相当于蒸气压缩制冷系统中的制冷剂，对于系统性能具有决定性的作用。目前，应用最广泛的镍钛合金（NiTi）可达到12J/g的制冷能量密度，在绝热卸载时可产生超过20K的材料绝热温变，机械性能优异，已在临床医学、航天航空、汽车等领域有了大量应用，具备大规模生产的能力。

加载NiTi线：温度升高至42℃；卸载NiTi线：温度降低至16℃

弹热效应

弹热制冷是近年来新兴的一种由力驱动形状记忆合金（SMA）马氏体相变而产生制冷效应的固态制冷技术。当外界施加轴向力（拉伸、压缩）时，材料内部的应力超过其相变临界应力，记忆合金由奥氏体转变为马氏体，释放相变潜热，在绝热工况下导致材料本身温度上升；去除外力后，材料的内应力小于其相变临界应力，记忆合金由马氏体变回奥氏体，吸收潜热，导致材料自身温度下降。从马氏体向奥氏体逆向相变、吸收潜热即为弹热制冷效应。

弹热制冷系统

弹热制冷效应非连续的本质要求系统需采用两个或以上的记忆合金制冷单元（简称SMA床）来输出“周期性稳态”的制冷量。最直接的循环设计如下图所示：轴向外力加载一个记忆合金床产生相变（过程1→2），相变过程伴随着2~10%的轴向应变；相变结束后保持外力的同时通过排热流体散热（2→3）；与此同时，另一个记忆合金床卸载发生逆向相变（4→5），结束后引入载冷流体制冷（5→6）；这两个记忆合金床有半个周期的相位差，它们切换前通过回热流体在两记忆合金床间进行换热，利用记忆合金床自身的温度差驱动回热过程，以提升系统性能（3→4与6→1）。卸载时的机械势能理论上可完全回收，辅助加载另一个记忆合金床。整个弹热循环与逆布雷顿制冷循环相似，由两个等熵加/卸载（压缩/膨胀）过程（1→2和4→5）、两个等应力（压力）传热过程（2→3和5→6）、两个等应力（压力）回热过程（3→4和6→1）构成。主要区别在于记忆合金是固体，无法像流体工质一样在系统内流动传热及回热，需要引入多股独立的传热流体实现排热、回热、载冷的过程。

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