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開發(fā)具有零全球變暖的潛在制冷劑已成為有助于解決全球氣候變化問題的一個(gè)領(lǐng)域，雖然各種高效的熱量冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，但將它們擴(kuò)大到有技術(shù)意義的性能仍然具有挑戰(zhàn)性!

在此，西安交通大學(xué)錢蘇昕副教授和美國(guó)馬里蘭大學(xué)Ichiro Takeuchi教授等人開發(fā)了一種彈性冷卻系統(tǒng)，最大冷卻功率為260瓦，最大溫度范圍為22.5開爾文，這些值是任何熱量冷卻系統(tǒng)中報(bào)告的最高值之一。

其核心在于在多功能多模熱交換架構(gòu)中配置的抗疲勞彈性鎳鈦合金（NiTi）管，從而可以利用高輸送冷卻功率和大溫度范圍，從而推動(dòng)了8年前才出現(xiàn)的彈性冷卻成為今后熱量冷卻商業(yè)化的一個(gè)有前途的方向。

相關(guān)文章以“High-performance multimode elastocaloric cooling system”為題發(fā)表在Science。

研究背景

從空調(diào)到食品保鮮，制冷是現(xiàn)代生活中無處不在且不可或缺的一部分，主導(dǎo)所有冷卻技術(shù)的蒸汽壓縮循環(huán)占全球能源消耗的20%。

同時(shí)，在蒸汽壓縮系統(tǒng)中用作制冷劑的氫氟碳化合物是溫室氣體之一，它們的全球變暖潛能值（GWP）比CO₂差數(shù)百到數(shù)千倍，但目前沒有理想的替代品低GWP制冷劑，其在環(huán)境影響和安全問題（例如易燃性）之間進(jìn)行權(quán)衡。

在零GWP、不易燃和無毒的蒸汽壓縮替代品中，熱量冷卻（和加熱）是潛在的領(lǐng)跑者。熱量冷卻在固體中使用場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的相變，并具有固有的高能量轉(zhuǎn)換效率。熱量材料包括磁熱，電熱量和機(jī)械熱材料。

磁熱材料和設(shè)備已經(jīng)探索了近50年，并展示了千瓦級(jí)冷卻功率制冷系統(tǒng)，但由于基于稀土元素的永磁體的重要性不斷提高，它們的高磁場(chǎng)要求阻礙了磁熱冷卻技術(shù)的商業(yè)化。機(jī)械冷卻由機(jī)械應(yīng)力驅(qū)動(dòng)，并且反映了材料承受應(yīng)力的多種方式。

由于彈性材料的固有材料溫度升高很大，彈性冷卻裝置代表了一些最有前途的熱量技術(shù)。為了增強(qiáng)彈性熱塑原型的溫度跨度，已經(jīng)在具有27 K溫度范圍的四級(jí)器件和使用NiTi線的三級(jí)流體基器件中實(shí)驗(yàn)證明了多個(gè)級(jí)聯(lián)的單級(jí)方案。

盡管如此，主動(dòng)再生器中增強(qiáng)的溫度跨度是以蓄熱器內(nèi)剩余的相當(dāng)一部分顯熱為代價(jià)的，以便建立和維持溫度跨度。

圖文詳解

多模式彈性冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了在單個(gè)實(shí)際原型中捕捉主動(dòng)再生循環(huán)和大利用率操作的最佳方面，本文開發(fā)了一種多模式彈性冷卻系統(tǒng)，利用主動(dòng)再生模式的大溫跨度（圖1A）和最大利用率模式的高效冷卻（圖1B）。

在設(shè)計(jì)彈性熱材料的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和循環(huán)壽命時(shí)，需要考慮與彈性熱材料相變相關(guān)的偏應(yīng)力狀態(tài)。

據(jù)報(bào)道，彈性熱材料在壓縮模式下可承受大于1000萬次循環(huán)，即每天12小時(shí)和每年180天的使用模式下，0.1 Hz運(yùn)行和1000萬次循環(huán)相當(dāng)于12.8年，超出了商用電器的標(biāo)準(zhǔn)使用壽命。

同時(shí)，彈性材料的理想幾何形狀不僅在循環(huán)壓縮下表現(xiàn)出強(qiáng)大的機(jī)械完整性，而且還有利于材料與傳熱流體（蒸餾水）之間的熱交換，圍繞現(xiàn)成的NiTi管設(shè)計(jì)了本文的系統(tǒng)，可以在最大利用率模式下提供高達(dá)260 W的有用冷卻（根據(jù)熱負(fù)荷測(cè)量），這是迄今為止報(bào)告的最大彈性熱設(shè)備冷卻功率之一，以及在主動(dòng)再生模式下的溫度跨度為22.5 K。憑借如此高性能的特性，彈性熱系統(tǒng)可與一些最好的磁熱系統(tǒng)相媲美。

圖1.?多模彈性熱量冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖及工作原理

多模式彈性冷卻系統(tǒng)的性能

數(shù)值模型表明，與目前的三角形嵌件相比，在最大利用率模式下，在每個(gè)NiTi管中應(yīng)用流道堵塞率為82%的圓桿嵌件可以在零溫度跨度下提高65%的冷卻功率。同時(shí)，增加主動(dòng)再生模式的循環(huán)頻率可以直接提高冷卻功率。例如，通過將當(dāng)前頻率從0.071 Hz提高到 0.125 Hz，冷卻功率可以提高 1.2 倍。

圖2.?多模彈性高熱量冷卻系統(tǒng)的性能

圖3.?已報(bào)道的彈性熱、磁熱和電熱冷卻原型的比較及其性能

綜上，多模式彈性冷卻概念也可以擴(kuò)展到級(jí)聯(lián)多個(gè)NiTi管束，從而實(shí)現(xiàn)模式的變化。例如，在主動(dòng)再生模式或最大利用率模式下級(jí)聯(lián)兩個(gè)束有望幫助填補(bǔ)圖2A中的性能差距，并可以實(shí)現(xiàn)兩種模式之間的平滑過渡。

因此，這種多功能性是這種零GWP技術(shù)成功商業(yè)化的關(guān)鍵，還希望能夠?qū)崿F(xiàn)銅基彈性熱材料，其需要的應(yīng)力比NiTi小得多，從而能夠以更小的致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)更高效的系統(tǒng)操作。

文獻(xiàn)信息

Suxin Qian?, David Catalini??, Jan Muehlbauer, Boyang Liu, Het Mevada, Huilong Hou,

Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Ichiro Takeuchi*, High-performance multimode elastocaloric cooling system, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7043

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/06/fecbd9627c/

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