具有产业化潜力的新型 制冷技术研究进展
弹热制冷
弹热制冷是利用单轴应力驱动弹热工质在卸载阶段产生制冷效应的制冷技术.弹热制冷现象的研究虽然起源于天然橡胶，但弹热制冷机在具有更高 导热率和机械性能的形状记忆合金中得到了更快的发展.弹热制冷机的研究始于2010年，截至目前，全球范围已有接近20台弹热制冷、热泵原型机，系统的制冷温差已超过30K，最大制冷功率也已经超过100w"，绝大部分弹热制冷机使用镍钛形状记忆 合金作为工质，也有个别采用天然橡胶为工质的系统
1研究进展
弹热制冷与磁制冷技术最大的区别在于材料的性能：基准弹热材料是商用的多品镍钛二元合金， 其加载、卸载过程的温变普遍在15K以上，部分优异性能的商用合金可达30K以上，是永磁体驱动的基准磁工质-的加磁、退磁温变的5-10倍.因此，弹热制冷、热泵系统不完全依赖主动回热循环，仍可采用单级循环或复叠循环.
在单级和复叠弹热制冷循环中，弹热材料内部的温度基本是均匀的，不存在温度梯度，可以使用传统的热力学状态参数和循环过程描述方法.早期的单级弹热制冷机普遍采用固-固接触的传热设计， 为了获得良好的传热性能，一般采用薄壁的形状记忆合金板.例如德国卡尔斯鲁厄大学研发的弹热制冷机，使用0.03mmTi-Ni-Cu-Co四元合金薄板，实现了4Hz的高频运行，得到了14K的制冷温差和19W/g的制冷功率密度.在此基础上，西安交通大学研 发了全球首台全集成的弹热制冷冰箱原型机，其中的制冷机部分采用了单级循环设计，使用0.7mm的商用镍钛二元合金丝组，提出了倾斜大扭矩电机直驱的机械设计方案，显著简化了驱动机构的复杂性 和体积.冰箱原型机实现了9.2K的制冷温差，由于改善了驱动机构设计方案，系统的紧凑性达到了目
图1应力-温度状态参数图上的弹热制冷循环
体的热容比吧.2020年，仿照壳管式换热器管外扰流的结构特征，马里兰大学和斯洛文尼亚大学独立提出了轴向压缩管束、管外径向绕流的回热器结构设计.马里兰大学延用4.7mm外径和0.5mm厚度的商D：斯洛文尼亚大学采用3mm外径、0.25mm的薄壁 用镍钛管，实现了单流程回热器16.6K的制冷温差管构建了四流程回热器，实现了31.3K的制热温差和50W的制热功率.延用该技术方案，西安交通大学在进一步优化了回热器内流道和管束传热结构后， 实现了单流程20K的制冷温差，多流程的回热器正在研发和测试.
前为止的最优水平”.采用相同的系统架构，德国卡尔斯鲁厄大学将单级弹热制冷机升级为四级复叠之后，在驱动系统不变的条件下，实现了27.3K的制冷温差，证明了从单级到复叠改善系统制冷温差的有效性
2关键技术
1）低成本、高性能、长寿命弹热工质（材料）：现有的原型机几乎全部采用镍钛合金，且为了保证室温段的弹热效应，合金组分差异不大.目前，在实验室级别可以制备一些高性能的多元合K的绝热温变，但其寿命和力学性能仍有待提高"" 金，例如北京科技大学研发的Ni-Mn-Ti-B实现了31.5中科院宁波材料所研发的Ni-Fe-Ga-Co合金可以显著降低驱动应力和相变回滞，但其相变潜热存在不足[.在保持合金相变潜热的约束下降低驱动应力和术发展必须要解决的问题. 相变回滞，得到无短板的弹热工质，是弹热制冷技
（a）利同拉伸镍狱短组固-国传热的单线弹然制冷冰箱
2）高换热比表面积、高强度弹热回热器：现有的弹热回热器的标准技术路径是压缩小管径、大热.2021年，德国弗劳恩霍夫研究所提出了使用低 比表面积的管束，采用管内或管外单相传热流体换沸点有机液体气-液相变传热的方式改善管束回热器换热性能的全新技术路线，并验证了管外沸腾换热可以有效提高换热效率，因此可将回热器运行频率 提高到1.5Hz，在约10W的有效制冷功率下实现了6.27W/g的功率密度"，最近，香港科技大学提出了使用微肋结构和“回”字型结构强化传热的方法，在保持管束强度和压缩力学性能的条件下显著增大了换热面积，实现了27K的制冷温差.该团队正 在研究螺旋形换热通道的管内流动高效回热器的性能，有望实现百瓦级的制冷功率和30K以上的制冷温差.美国马里兰大学验证了通过增材制造技术制微观组织设计，在增材制造的样品中实现了超低相 备蜂窝状多孔镍钛二元合金的可行性，并通过材料变滞后和超过百万次的寿命
（b）利用压缩镍钛管束流体传热的主动四热弹热制冷系统
图2典型的弹热制冷原型机
自丹麦技术大学在2016年首次验证了使用镍钛片可运行主动回热循环的概念后，主动回热式弹热制冷、热泵系统得到了快速发展.丹麦技术大学的回热式原型机中拉伸0.5mm商用镍钛二元合金片，实现了19.9K的系统制冷温差，考虑到压缩形状 记忆合金可以获得更好的寿命，马里兰大学使用0.5mm厚度的商用镍钛光管，将管内流动的镍钛管束单级制冷机改造为管束式回热器，实现了21K的制冷温差和超过100W的制冷量，研究结果表明管内流动 必须增加填充结构，以优化固态制冷工质和传热流
的推广应用.磁制冷在技术发展过程中攻克的核心技术可以快速移植到弹热制冷技术，并且在制冷能量和功率密度上，弹热制冷工质和制冷、热泵系统已经展示出了优异的材料和系统性能（其中商用镍钛合金绝热温变大于30K，而基于传热流体的可扩 容的系统展示出了5W/g以上的功率密度）.根据弹热制冷机的结构特性及材料的性能潜力，这项技术在冷藏、房间空调、汽车热泵空调、除湿机等场景都有应用潜力.2021年.爱尔兰Exergyn公司在多个 展览和学术会议宣称正在研发10kW制热功率的地源弹热热泵机组，如果成功，将是弹热制冷技术的第一个商用场景.
（a）管束绕流单相换热
参考文献
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（b）管内强化传然结构单相换热
（c）管束绕流两相沸腾/冷凝换热图3高效弹热回热器结构
3）高效、紧凑、低成本驱动装置：固态弹热工质在进行马氏体相变时对应的轴向形变量变化一般不超过10%.但需要驱动装置给弹热工质提供大于100MPa的应力.因此，弹热制冷系统应选用具 有大驱动力、小位移特性的驱动装置.现有弹热制冷原型机使用的驱动电机一般运行在稳态、高转速（>1000rpm或>100mm/sec）、适中负载（一般小于10kN）的工况，与弹热制冷系统中需求的交变运行 （频繁启停）、低转速（<10rpm或<10mm/sec）、大负载（几十或上百kN）的输出特性并不匹配.从驱动器匹配的角度，西安交通大学提出了使用高温形状记忆合金驱动器带动弹热制冷回热器的新循环驱动条件下周期性驱动制冷的可行性 方法，并使用高温镍钛驱动丝，验证了在90C热源 3产业化应用潜能 艺、行业标准、市场（主要是医用）和供应链体 弹热制冷的工质镍钛合金已有成熟的生产工系，保证了实验室研发的新材料可以快速、大规模 Colossal elastocaloric effect in feroelastic Ni-Mn-Ti alloys[]Physical Review Leters 2019 122(25): 255703.[12] LI Yang ZHAO Dewei LIU Jian et al. Energy-efficient elastocaloric cooing by flexibly and reversibly trasferinginterface in magnetic shape-memory alloys[J]. ACS Applied[13] BACHMANN N FITGER A MAIER L M et al Lomg-temm Materials &: Interfaces 2018 10(30): 25438-25445.stable presive elastocaloric cooling system with latent[14] ZHANG J ZHU Y CHENG S t al. Enhancing cooling heat transfer[J] Comications Physics 2021 4: 194. performance of NiTi elastocaloric tube refigerant via intemalgrooving[J]. Applied Thermal Engineering 2022 213:[15] HOU Huilong SIMSEK E MA Tao et al. Fatigue-resistant 118657.high-performance elastocaloric materials made by additive[16] QIAN S WANG Y XU S et al. Cascale utilizaticm of low- manufacturing[] Science 2019 366: 1116-1121.grade themal energy by coupled elastocaloric power andcooling cycle[] Aplied Energy 2021 298: 17269.
