图1 图文摘要

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。

  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12 J/g的制冷能量密度，在绝热卸载时可产生超过20 K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。