北京時間2023年5月19日，《科學》期刊發表了西安交通大學在固態制冷方向的最新成果《高性能多模式彈熱制冷系統》的研究論文（High-performance multimode elastocaloric cooling system）。本文是Science首次刊登的關于彈熱制冷機的論文。

彈熱制冷是利用形狀記憶合金在單軸應力作用下發生可逆相變，并利用該相變潛熱制冷的新型固態制冷技術。與傳統蒸氣壓縮制冷相比，彈熱制冷具有零溫室氣體排放、高體積能量密度、易于回收利用等突出優勢。

截至目前，全世界有20余臺公開報道的彈熱制冷機，它們主要采用單級循環和主動回熱循環兩種技術路線：單級循環在低制冷溫差條件下效率高、制冷量大，但無法獲得高制冷溫差；主動回熱循環是獲得高制冷溫差的主要途徑，但代價是受限的效率和制冷量。為了充分發揮兩種技術路徑的優勢，西安交通大學與馬里蘭大學、北京航空航天大學合作，使用4組管內流動、軸向加載的彈熱工質管束，研制出多模式彈熱制冷機，通過傳熱流體管網流路的切換，實現單級循環和主動回熱循環兩種模式的切換（圖1A、B、C）。

圖1. 多模式彈熱制冷機及其制冷性能. A, 多模式彈熱制冷機的主動回熱模式；B, 多模式彈熱制冷機的單級循環模式；C, 多模式彈熱制冷機的核心部件及實物圖；D. 多模式運行拓寬了單模式的制冷性能范圍；E. 兩種模式的制冷溫差建立過程動態特性；F. 多模式拓寬了最佳利用因子的范圍；G. 通過調節內插組件可進一步優化制冷性能

通過多模式的運行，該制冷機實現了22.5 K的最大制冷溫差和260 W的最大制冷量，相比僅運行單級循環8 K的制冷溫差和僅運行主動回熱循環不足30 W的制冷量取得了顯著的提升（圖1D）。研究表明，利用因子決定了管束工質中彈熱效應兩種釋放途徑的比例，其中一部分彈熱效應可被傳熱流體帶走用于制冷，而另一部分彈熱效應需要留在管束工質內部，用于維持工質在傳熱流體流動方向的溫度梯度，而最佳利用因子反映了兩者之間的競爭關系。主動回熱循環需要更多的彈熱效應維持溫度梯度，最佳利用因子在0.6左右；單級循環可將大部分彈熱效應用于制冷，最佳利用因子大于6（圖1F）。多模式彈熱制冷機可顯著拓展最佳利用因子的范圍，使其可在大范圍工況變化時保持高效率。在此基礎上，可以通過調節管狀彈熱工質內插組件的結構參數，優化管狀彈熱工質內固、液相的熱容比，有望實現40 K以上的制冷溫差和500 W的制冷量（圖1G）。本文的研究有望推進彈熱制冷及其它固態相變制冷（caloric cooling）技術的商業化應用進程。

西安交通大學為該論文的第一完成單位，西安交通大學能源與動力工程學院的錢蘇昕副教授為該論文的第一作者。美國馬里蘭大學竹內一郎教授為該論文的通訊作者。本文的研究始于錢蘇昕在馬里蘭大學構建的管束式彈熱制冷系統，他在西安交通大學提出了多模式彈熱制冷系統的設計，并與馬里蘭大學Catalini博士合作在馬里蘭大學搭建了多模式彈熱制冷機，其中彈熱工質的材料物性測量由北京航空航天大學侯慧龍副教授協助開展。

該項研究工作獲得了國家自然科學基金創新群體、中國科協青年人才托舉工程等項目資助。錢蘇昕副教授以制冷系統碳中和為目標，長期從事零GWP的固態制冷技術及使用低GWP工質的制冷空調熱泵系統仿真與節能技術研究，構建了熱驅動彈熱制冷循環，創制了全球首臺壓縮式彈熱制冷機、首臺多模式彈熱制冷機、首臺彈熱制冷冰箱原型機，并建成了包含制冷系統關鍵部件和整機的多個仿真平臺，為頭部企業成功研發了多款基于碳氫制冷劑的行業全新產品。相關基礎研究成果發表于Nature Reviews Materials、Innovation等高水平期刊，應用研究成果獲山東省科技進步二等獎等獎勵。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7043