新型固态空调探索：基于固态弹热效应的制冷技术
新型固态空调探索：基于固态弹热效应的制冷技术
固态弹热制冷技术因其制冷过程不涉及任何的可燃性、毒性以及氢氟烃类温室气体的排放，被认为是最有潜力替代传统蒸汽压缩制冷的一种重要制冷技术。本文介绍了一种基于NiTi形状记忆合金弹热效应的空气制冷设备，其利用凸轮结构实现了制冷工质的交替热交换，并最终实现4.4℃的空气温降。这项研究结果揭示了弹热制冷技术在空间制冷领域的潜在应用前景，同时为开发基于此技术的家用空调提供了重要的技术依据。
图1 图文摘要
固态弹热效应（Elastocaloric effect）是固态相变热效应（Caloric effect）的一种，通过在应力场作用下引发固体-固体相变过程，实现热量的吸收和释放，进而达到制冷的效果（图2）。该效应具有能效高（比传统蒸汽压缩制冷系统效率高175%）、变温幅度大（3-20 K）、工作温度范围宽（100-200 K）、无液态制冷剂等特点。此外，该效应仅通过与空气的换热即可实现制冷，不涉及传统制冷剂逸出导致的温室气体排放问题。其中，镍钛形状记忆合金因其较高的相变潜热以及优异的力学性能、加工性能和耐腐蚀性能被认定为固态弹热制冷的首选材料。近期，上海交通大学金学军教授课题组利用镍钛形状记忆合金的弹热效应开发了一款以空气为热交换介质的连续式制冷空调样机。其研究成果“Continuous operating elastocaloric air-cooling device”发表在The Innovation Energy上，第一作者为博士生侯瑞航，指导老师为金学军、肖飞教授。
图2 蒸汽压缩制冷（左）和固态弹热制冷（右）原理对比
图3展示了团队空调样机的实物机体和分层结构。设备主要包括以镍钛微丝为核心的制冷组元模块、凸轮和电机组成的驱动模块以及由上下盘和“S”形风道构成的热交换模块。设备的制冷过程如下：电机驱动盘中央轴承带动下盘转动，由于制冷组元与下盘保持相对静止，故实际效果可视为制冷组元通过内侧支柱所在滑轨沿凸轮外侧轨迹做近似圆周转动。上盘四个风口与外接管路相连，气流流向与下盘转向相反。当制冷组元经过凸轮加载区时，镍钛丝受到拉应力发生正相变，丝的温度上升。随后进入加载保持区，镍钛丝与逆向的常温气流发生热交换，丝的热量被带走，热风从出风口排出；当制冷组元经过凸轮卸载区时，镍钛丝发生逆相变，丝的温度下降。随后进入卸载区，镍钛丝与逆向的常温气流发生热交换，气流温度下降，冷风从出风口排出，达到制冷的效果。
图3 设备实物（左）及分层结构（右）
在设备上盘加入上风道对设备的制冷性能进行测试，风道的不同位置分别安装了用来监测设备运行时各部位温度的热电偶（图4A）。结果显示（图4B），设备运行时热区（丝受拉温度上升的半区）和冷区（丝卸载温度下降的半区）均存在温度梯度，且两区内的温度分布与丝的加载/卸载点的距离呈负相关，即靠近丝的长度变化的地方温度变化最大，远离这些点的位置温度变化则较小。设备上风道的⑦位置相当于实际制冷的区域，该空间的空气温度由冷区内各个位置热交换均处于稳定状态时测得。通过调整设备的转速和气流流速（影响制冷工质NiTi与空气的换热系数），最终实现4.4℃温降的持续冷空气（图4C）。
图4 设备制冷性能测试。（A）热区（左）和冷区（右）制冷过程和热电偶的分布情况；（B）设备运行时各位置的温度变化情况；（C）设备的制冷温度和制冷功率随气流流速的变化情况
总结与展望
该项目在固态弹热制冷技术应用于空间制冷领域的探索中已经取得初步成果，但与当前商业化的空调性能相比，团队所开发的制冷样机在材料改性和设备的密闭性方面仍有明显的改进空间。尽管存在这些不足，但该技术在能效、环保和促进可持续发展等方面已经展现出了其独特的优势。未来，通过进一步优化设备结构和材料设计，固态弹热制冷有望成为新型固态制冷领域的主导技术之一。
作者简介
金学军，上海交通大学材料科学与工程学院长聘教授，相变与结构研究所所长，博士生导师，上海交通大学医疗机器人研究院双聘教授。主要从事马氏体相变相关材料的结构和功能性研究。兼任马氏体相变国际顾问委员会委员；国际内耗与力学谱学术委员会委员；美国TMS相变&钢铁委员会委员；“Ironmaking and Steelmaking”编委；中国物理学会内耗与力学谱专业委员会副主任委员；中国金属学会材料分会、特殊钢分会理事；上海市热处理学会理事长。
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