彈熱制冷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

錢蘇昕 袁麗芬 晏剛 魚劍琳

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049）

20世紀(jì)初以來，蒸氣壓縮制冷技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于空調(diào)、冰箱、移動(dòng)空調(diào)等產(chǎn)品。然而，該技術(shù)的大量使用已經(jīng)產(chǎn)生并加劇了諸多全球性的環(huán)境問題。早期的CFC、HCFC類制冷劑具有臭氧破壞效應(yīng)，其替代物HFC類制冷劑普遍具有較高的溫室效應(yīng)（GWP，global warming potential），為了應(yīng)對(duì)這些傳統(tǒng)制冷劑帶來的臭氧空洞及全球變暖危機(jī)，亟需研發(fā)環(huán)境友好的新型制冷劑［1-4］。然而，鹵代烴類制冷劑本身受制于易燃性、高GWP、高毒性這三者之間的平衡［5］，研發(fā)無臭氧破壞效應(yīng)及低GWP的下一代制冷劑困難重重。最近的研究表明，世界上已經(jīng)不存在人們尚未發(fā)現(xiàn)的制冷劑單質(zhì)［6］。在環(huán)境問題的巨大壓力下，越來越多的學(xué)者將目光聚集在新一代非蒸氣壓縮制冷技術(shù)上，以期從根本上突破傳統(tǒng)制冷劑在環(huán)境問題上的困境，本文介紹的彈熱制冷技術(shù)便是近年來新興的一種非蒸氣壓縮制冷技術(shù)。

彈熱制冷技術(shù)（elastocaloric cooling或thermoelastic cooling）是由應(yīng)力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)彈熱材料相變而產(chǎn)生制冷效應(yīng)的固態(tài)制冷技術(shù)［7］，基本原理在2004年被英國(guó)科學(xué)家提出［8］，已被美國(guó)能源部認(rèn)可為最具潛力的新型制冷技術(shù)［9］。在該技術(shù)中，對(duì)彈熱材料施加軸向載荷，材料在應(yīng)力作用下由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，熵減小并且對(duì)外放熱；去除載荷時(shí)，逆向的相變導(dǎo)致熵增大，從外界吸熱，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，該過程被稱為彈熱效應(yīng)［10-11］。從原理、熱力學(xué)循環(huán)、制冷裝置設(shè)計(jì)來看，應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的彈熱制冷技術(shù)與磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的磁制冷技術(shù)非常類似?；谥芷谛赃\(yùn)行的這兩者又與同屬于固態(tài)制冷技術(shù)、穩(wěn)定運(yùn)行的熱電制冷有較大不同，應(yīng)注意區(qū)別對(duì)待。

本文將從彈熱制冷的熱力學(xué)基礎(chǔ)、彈熱工質(zhì)、彈熱制冷系統(tǒng)研發(fā)等3個(gè)角度介紹這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望該項(xiàng)技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1）蒸氣壓縮制冷技術(shù)的理論基礎(chǔ)是描述氣-液兩相制冷劑的壓-焓圖及循環(huán)熱力學(xué)分析方法，而壓-焓圖的基礎(chǔ)是描述工質(zhì)壓力p、比容v、溫度T、干度x的狀態(tài)方程。類似的，彈熱制冷技術(shù)的理論基礎(chǔ)是描述記憶合金相變的固體相圖及彈熱制冷循環(huán)，即描述記憶合金的本構(gòu)方程（類似狀態(tài)方程）。記憶合金相變更復(fù)雜之處在于存在相變回滯。理解記憶合金的熱力學(xué)特性和循環(huán)基本特征是分析彈熱制冷系統(tǒng)性能的必要條件。

2）在彈熱制冷系統(tǒng)中，作為固態(tài)制冷劑（工質(zhì)）的彈熱材料是其核心，彈熱材料目前以形狀記憶合金（SMA，shape memory alloys）為主。彈熱材料的物性，特別是其彈熱效應(yīng)的大小，對(duì)彈熱制冷系統(tǒng)的性能有直接影響，實(shí)際上，鎳鈦記憶合金馬氏體相變過程中的彈熱效應(yīng)高于20 K，對(duì)應(yīng)超過12 J/g的潛熱［12］，是目前快速發(fā)展的磁制冷技術(shù)中常見磁工質(zhì)（Gd-SiGe及LaFeSi）制冷效應(yīng)的4倍以上，因此被材料界認(rèn)為是發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦椭评浼夹g(shù)。

3）彈熱制冷技術(shù)與蒸氣壓縮制冷技術(shù)最大的區(qū)別是周期性運(yùn)行。此外，由于采用了“固態(tài)制冷劑”，彈熱制冷系統(tǒng)需要額外的氣態(tài)或液態(tài)載冷劑將彈熱材料周期性產(chǎn)生的熱量及冷量帶走，這是彈熱制冷技術(shù)與蒸氣壓縮制冷技術(shù)的第二個(gè)顯著區(qū)別。基于這兩點(diǎn)區(qū)別，彈熱制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在其特殊性。本文將結(jié)合彈熱制冷原型機(jī)的案例展開討論。

1 彈熱制冷原理及熱力學(xué)基礎(chǔ)

1.1 記憶合金熱力學(xué)

記憶合金是彈熱效應(yīng)最顯著的一類工質(zhì)。記憶合金的彈熱效應(yīng)涉及馬氏體及奧氏體之間的一階可逆相變過程，因此，可以使用克拉貝隆-克勞修斯方程來定量描述該一階相變過程的熱效應(yīng)大?。?3］。

等式左邊是描述記憶合金相變應(yīng)力隨溫度變化的導(dǎo)數(shù)，表征了記憶合金馬氏體相變的本構(gòu)特征。一般而言，制冷循環(huán)工作在低溫?zé)嵩碩c和高溫?zé)釁RTh之間，在相同的工作溫區(qū)內(nèi)，該項(xiàng)越大，表明驅(qū)動(dòng)記憶合金相變所需的應(yīng)力差越大。方程的右側(cè)分別是材料密度ρ，kg/m3；相變熵變大小 Δs，J/（kg·K）；相變軸向應(yīng)變?chǔ)臡大小。一般希望能夠得到盡可能大的相變熵變，即盡可能大的制冷能量密度。

與一般一階相變相比，彈熱工質(zhì)的特殊性在于盡管其相變形變可逆，但從熱力學(xué)角度而言熵產(chǎn)有不可逆性。這部分不可逆熵產(chǎn)是由記憶合金在相變時(shí)晶粒間不可避免的類似摩擦作用而產(chǎn)生，與晶格結(jié)構(gòu)、晶粒大小有關(guān)，宏觀上受材料組分、熱處理流程、材料年齡等因素影響。記憶合金的相變不可逆性還表現(xiàn)在所謂的相變回滯特性，即在相同的溫度條件下，從奧氏體向馬氏體相變所需的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力比逆向相變所釋放的相變應(yīng)力大，兩者的應(yīng)力差隨相變回滯的增大而增大。從循環(huán)效率來看，相變回滯越小，相變導(dǎo)致的不可逆性越小，循環(huán)效率越高。此外，相變回滯的減小有助于提升記憶合金的疲勞壽命［14］。圖1所示為相變回滯對(duì)記憶合金相圖的影響。由圖1可知，低溫、高應(yīng)力（低熵態(tài)，類似液態(tài)）對(duì)應(yīng)了馬氏體晶體，高溫、低應(yīng)力（高熵態(tài)，類似氣態(tài)）對(duì)應(yīng)了奧氏體晶體。兩個(gè)單相區(qū)之間的區(qū)域即為相變回滯導(dǎo)致的非穩(wěn)定兩相區(qū)：自馬氏體向奧氏體相變時(shí)，只有低于As（奧氏體起始相變溫度，K）曲線材料才開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，只有低于Af（奧氏體終止相變溫度，K）曲線才完成相變；相反地，自?shī)W氏體向馬氏體相變時(shí)，只有高于Ms（馬氏體起始相變溫度，K）曲線時(shí)，材料才開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，只有高于Mf（馬氏體終止相變溫度，K）曲線才完成相變。當(dāng)溫度相同，驅(qū)動(dòng)材料從奧氏體向馬氏體相變需要提供的應(yīng)力（位于Ms到Mf之間）明顯高于逆向相變釋放的應(yīng)力（As到Af之間）。同時(shí)，記憶合金進(jìn)行制冷或熱泵循環(huán)的基本要求是循環(huán)中最低工況溫度應(yīng)高于工質(zhì)在零應(yīng)力情況下的Af溫度，否則將導(dǎo)致材料內(nèi)殘留馬氏體，無法完全相變回奧氏體［15］。

在彈熱制冷系統(tǒng)中，圖1為利用記憶合金在應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下的相變過程，對(duì)記憶合金施加應(yīng)力，工質(zhì)從低應(yīng)力狀態(tài)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；撤去應(yīng)力后，工質(zhì)從高應(yīng)力的馬氏體重新變回奧氏體。另一方面，記憶合金的命名正是由于其在溫度（熱量，無應(yīng)力約束下）驅(qū)動(dòng)的相變過程，對(duì)應(yīng)了圖1中在橫軸上的相變過程，即工質(zhì)最初處于馬氏體，加熱溫度升高后轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻后材料可逆變回馬氏體，形狀記憶效應(yīng)是利用加熱、冷卻導(dǎo)致的可逆相變過程。無論是應(yīng)力驅(qū)動(dòng)，還是溫度驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)勢(shì)本質(zhì)都是工質(zhì)的吉布斯自由能，可以由記憶合金的本構(gòu)模型描述，例如式（2）中所示最簡(jiǎn)單的線性本構(gòu)模型，更復(fù)雜的本構(gòu)模型可以參考形狀記憶合金領(lǐng)域的專業(yè)文獻(xiàn)［16-17］。該方程中涉及到的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)為溫度T，應(yīng)力σ，應(yīng)變?chǔ)牛R氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)ξ，由于涉及相變，其中有3個(gè)自由變量。

圖1 記憶合金的相圖Fig.1 Phase diagram of shape memory alloys

式中：D為彈性模量（一維是楊氏模量），MPa；Ω為馬氏體相變常數(shù)，MPa；Θ為熱彈性模量，MPa/K；均為材料的基本物性。

從彈熱制冷的應(yīng)用角度而言，評(píng)價(jià)記憶合金優(yōu)劣的指標(biāo)有制冷能量密度、材料COP（COPmat）、疲勞壽命、驅(qū)動(dòng)應(yīng)力大小等。其中，記憶合金的制冷能量密度可以使用無應(yīng)力下的差示量熱掃描儀（DSC）間接測(cè)量、絕熱溫變?chǔ)ad間接測(cè)量或式（1）間接估算。絕熱溫變?chǔ)ad即指在絕熱條件下，施加應(yīng)力及撤去應(yīng)力時(shí)，記憶合金自身的溫度變化大小。彈熱效應(yīng)即絕熱溫變，或工質(zhì)在加載、卸載過程中的比熵變，或工質(zhì)的制冷能量密度。涉及一階相變的記憶合金制冷能量密度的測(cè)量方法理論上與測(cè)量磁工質(zhì)的磁熱效應(yīng)類似，可以采用多種方法測(cè)量，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于很難從技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)帶應(yīng)力的DSC測(cè)量，大多使用前面提及的另外兩種方法。記憶合金的制冷能量密度又分單位質(zhì)量的能量密度和單位體積的能量密度。由于金屬的密度普遍高于液體，從體積能量密度的角度來分析記憶合金的性能時(shí)更具競(jìng)爭(zhēng)力，與傳統(tǒng)液態(tài)制冷劑的性能差距更小。如汽車空調(diào)中常用的R134a制冷劑的質(zhì)量能量密度為182 J/g，體積能量密度為215 MJ/m3；相比之下，鎳鈦合金的質(zhì)量能量密度為12 J/g，體積能量密度為82 MJ/m3。

彈熱工質(zhì)的COPmat是評(píng)價(jià)其材料能量轉(zhuǎn)化效率的重要參數(shù)，由制冷循環(huán)運(yùn)行的溫度和材料物性參數(shù)共同決定：

式中：分子為材料的制冷能量密度，J/m3；ρ為記憶合金密度，kg/m3；Δs為相變過程的熵變，J/（kg·K）；分母為材料在給定溫度、給定理想循環(huán)下的功耗能量密度，J/m3，根據(jù)循環(huán)過程中的應(yīng)力σ（MPa）和應(yīng)變?chǔ)艆?shù)變化關(guān)系決定。理想循環(huán)是假設(shè)記憶合金在釋放應(yīng)力過程中的功被完全回收利用于輔助驅(qū)動(dòng)加載記憶合金。關(guān)于COPmat簡(jiǎn)化計(jì)算的推導(dǎo)可參考文獻(xiàn)［18］。 其中，常數(shù)A（J/kg）因材料而異，表征材料的相變回滯（不可逆損耗）的大小。可以看出，當(dāng)常數(shù)A減為零時(shí)，記憶合金的COPmat與同溫度工況下的逆卡諾制冷循環(huán)COP一致，即常數(shù)A是導(dǎo)致材料能量轉(zhuǎn)化效率偏離逆卡諾循環(huán)效率的原因。常數(shù)A可以通過標(biāo)準(zhǔn)化的等溫加載、卸載曲線得到，詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理方法可參考文獻(xiàn)［19］。

圖2定量比較了幾種常見記憶合金在拉伸及壓縮兩種軸向加載驅(qū)動(dòng)方式下的絕熱溫變及COPmat大小。驅(qū)動(dòng)方式對(duì)彈熱效應(yīng)及絕熱溫變幾乎沒有影響，這是因?yàn)闊o論采用哪種驅(qū)動(dòng)方式，只要完成了一階相變，其涉及的相變潛熱都應(yīng)相同。驅(qū)動(dòng)方式主要影響了材料的加載-卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線特性，以及對(duì)應(yīng)的相變回滯常數(shù)A，一般來看，壓縮驅(qū)動(dòng)方式一般對(duì)應(yīng)更大的相變應(yīng)力，以及更小的相變回滯常數(shù)A，可逆程度更大。文獻(xiàn)［12］認(rèn)為壓縮驅(qū)動(dòng)方式從結(jié)構(gòu)上更加穩(wěn)定，更不易產(chǎn)生應(yīng)力集中及其可能產(chǎn)生的不可逆塑性形變等。由圖2可知，壓縮驅(qū)動(dòng)下的Ni-Ti、拉伸驅(qū)動(dòng)下的Cu-Zn-Al、Ti-Ni-Cu是目前性能最優(yōu)的幾種記憶合金。

上述評(píng)價(jià)指標(biāo)均為靜態(tài)參數(shù)，并未綜合考慮材料的輸運(yùn)特性及相變動(dòng)態(tài)特性對(duì)系統(tǒng)綜合性能的影響。全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)還應(yīng)考慮記憶合金導(dǎo)熱率、記憶合金相變速率，并分析記憶合金動(dòng)態(tài)特性及靜態(tài)參數(shù)間的耦合關(guān)系，更全面比較現(xiàn)有記憶合金的材料性能。

1.2 彈熱制冷循環(huán)

由式（3）可知，彈熱制冷COPmat是路徑相關(guān)的，取決于制冷循環(huán)的種類及其中涉及的熱力學(xué)過程。文獻(xiàn)［20］將磁制冷技術(shù)中采用的循環(huán)分為4類：布雷頓循環(huán)、埃里克森循環(huán)、逆卡諾循環(huán)和主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)。與磁熱制冷技術(shù)類似，在彈熱制冷技術(shù)中，也有單級(jí)布雷頓循環(huán)、單級(jí)斯特林循環(huán)、單級(jí)混合循環(huán)、主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)、采用熱二極管的主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)等5 類［21-22］。

圖2 主要記憶合金絕熱溫變及COPmat的定量比較Fig.2 Performance comparison of adiabatic temperature span and COPmatfor major shape memory alloys

單級(jí)彈熱制冷循環(huán)中以布雷頓循環(huán)最為直觀，如圖3所示。圖3中，循環(huán)從低應(yīng)力狀態(tài)1開始，由驅(qū)動(dòng)裝置絕熱加載記憶合金，該可逆絕熱加載過程為等熵升溫過程。在應(yīng)力增加的前半段，材料保持奧氏體單相，直至施加的應(yīng)力達(dá)到材料在該溫度下的臨界應(yīng)力（參考圖1）后逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。當(dāng)材料由應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下完全轉(zhuǎn)化為馬氏體后，保持外界施加的應(yīng)力，同時(shí)使材料向環(huán)境散熱，使記憶合金的溫度由狀態(tài)2下降至狀態(tài)3，在傳熱理想的情況下，狀態(tài)3的溫度即為制冷循環(huán)中熱匯Th的溫度。

3-4的過程為等應(yīng)力回?zé)徇^程，理想的回?zé)徇^程將使記憶合金從熱匯溫度Th下降到熱源溫度Tc。當(dāng)回?zé)徇^程結(jié)束后，絕熱撤去外界施加的應(yīng)力，對(duì)應(yīng)4-4′-5等熵降溫過程。當(dāng)材料變回奧氏體后，使用低溫的記憶合金冷卻制冷空間或待冷卻流體，使自身的溫度升高至熱源溫度Tc。循環(huán)的最后是第二個(gè)回?zé)徇^程，該過程對(duì)應(yīng)了材料自身溫度從狀態(tài)6升高至狀態(tài)1。

圖3 單級(jí)彈熱制冷系統(tǒng)中的布雷頓循環(huán)Fig.3 Cycle schematic of single-stage reverse Brayton cycle for elastocaloric cooling

上述單級(jí)布雷頓循環(huán)可以在圖4所示的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。在圖4中，有兩組共線組裝的記憶合金組，且兩組記憶合金組可由一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置同時(shí)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置不工作時(shí)，兩組記憶合金各自處于50%最大形變（應(yīng)力）的平衡狀態(tài)，使得當(dāng)任何一組記憶合金被加載至完全相變時(shí)，另一組恰好處于完全卸載狀態(tài)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用了液態(tài)熱交換流體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行周期性傳熱及回?zé)?。?dāng)驅(qū)動(dòng)裝置加載#1記憶合金時(shí)，經(jīng)歷了圖3中的1-2過程，與此同時(shí)，另一組記憶合金被卸載，經(jīng)歷了圖3中的4-5過程。加載和卸載過程迅速且無傳熱流體流動(dòng)，因此近似絕熱。開通閥門 V1、V3、V6、V8，并開啟液體泵 1 和液體泵2，使得排熱環(huán)路中的流體從#1記憶合金將相變產(chǎn)生的熱量帶至熱匯排走，制冷環(huán)路中的流體從#2記憶合金中的冷量帶走制冷，分別對(duì)應(yīng)了圖3中2-3和5-6過程。最后，僅開啟閥門HRV和液體泵3，利用兩組記憶合金的溫差驅(qū)動(dòng)回?zé)徇^程，使#1記憶合金被冷卻，#2記憶合金被預(yù)熱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖3中的兩個(gè)回?zé)徇^程。理論表明，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以利用瞬態(tài)傳熱的匹配關(guān)系達(dá)到近似理想100%回?zé)嵝实幕責(zé)徇^程［23］。

在圖4所示的系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)傳熱流體流動(dòng)與驅(qū)動(dòng)裝置的同步性、流體流量、系統(tǒng)運(yùn)行頻率等條件，可實(shí)現(xiàn)圖3中的布雷頓制冷循環(huán)（兩個(gè)等熵過程、兩個(gè)等應(yīng)力過程），埃里克森循環(huán)（兩個(gè)等溫相變過程、兩個(gè)等應(yīng)力回?zé)徇^程），混合循環(huán)等單級(jí)制冷循環(huán)［18］。上述條件的改變主要影響了記憶合金相變過程的傳熱特性（絕熱或等溫），可以調(diào)節(jié)循環(huán)的熱力學(xué)性能及系統(tǒng)的制冷性能及能耗水平。目前的研究仍主要停留在更容易實(shí)現(xiàn)的布雷頓循環(huán)上，缺乏對(duì)埃里克森循環(huán)及混合循環(huán)的深入研究。初步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，將布雷頓循環(huán)中的等熵相變向埃里克森循環(huán)中的等溫相變靠近時(shí)，有約50%的系統(tǒng)能效提升潛力［24］。

圖4 單級(jí)彈熱制冷系統(tǒng)原理Fig.4 The pinciple of a single-stage elastocaloric cooling system

除了單級(jí)彈熱制冷循環(huán)，可以采用類似磁制冷技術(shù)中的主動(dòng)回?zé)崾剑ˋMR，active magnetocaloric regenerator）循環(huán)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)［25］，如圖5和圖6。 圖5中的A1-A2-A3-A4-A1和 B1-B2-B3-B4-B1分別對(duì)應(yīng)了圖6中#1記憶合金靠近高溫端A和靠近低溫端B的局部熱力學(xué)循環(huán)。圖6中有兩組記憶合金，相位差為180°，即當(dāng)#1記憶合金被加載排熱時(shí)（實(shí)線管路連通傳熱流體進(jìn)行排熱），#2記憶合金被卸載制冷（實(shí)線管路連通傳熱流體進(jìn)行制冷），相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)中呈180°對(duì)稱布置的兩組AMR。主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)與單級(jí)彈熱制冷循環(huán)最顯著的區(qū)別在于記憶合金內(nèi)部存在顯著的溫度梯度［26］。在單級(jí)彈熱制冷循環(huán)中，記憶合金內(nèi)部的溫度基本一致，因此在各點(diǎn)均可以用一個(gè)循環(huán)（圖3）表示。主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)最顯著特征在于記憶合金內(nèi)部存在自高溫?zé)釁RTh至低溫?zé)嵩碩c的溫度梯度，因此記憶合金的不同位置運(yùn)行著局部的小循環(huán)，如圖5中的A1-A2-A3-A4-A1和B1-B2-B3-B4-B1。主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)的運(yùn)行方式?jīng)Q定了其在記憶合金內(nèi)部必將產(chǎn)生溫度梯度，反過來，該溫度梯度也是保證該循環(huán)具有顯著高于單級(jí)彈熱制冷循環(huán)溫差（Th-Tc）的主要原因。

圖5 主動(dòng)回?zé)崾剑ú祭最D）循環(huán)Fig.5 Cycle schematic of an active elastocaloric regenerator with reverse Brayton cycle

圖6 主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)系統(tǒng)原理Fig.6 The pinciple of an active elastocaloric regenerator refrigerator system

圖6所示為系統(tǒng)為主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)系統(tǒng)原理，系統(tǒng)也需要至少兩組對(duì)偶排布的記憶合金組。當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置加載#1記憶合金時(shí)，合金由奧氏體相變至馬氏體，其內(nèi)部各點(diǎn)溫度均升高，與此同時(shí)，#2記憶合金內(nèi)部各點(diǎn)溫度均降低。該過程結(jié)束后保持兩組記憶合金的應(yīng)力狀態(tài)，開啟循環(huán)泵（僅單臺(tái)），此時(shí)熱交換流體將流經(jīng)#1記憶合金，記憶合金向流體排熱，流體被加熱溫度升高，后流經(jīng)圖6中的實(shí)線管網(wǎng)、閥門V1至高溫?zé)釁R排熱；排熱后的熱交換流體通過閥門V3及實(shí)線網(wǎng)管進(jìn)入#2記憶合金，被低溫記憶合金逐步冷卻至低于低溫?zé)嵩吹臏囟?，并最終送往Tc進(jìn)行制冷。從低溫?zé)嵩戳鞒龅牧黧w將重新流入#1記憶合金。后半個(gè)周期驅(qū)動(dòng)器加載#2記憶合金，同時(shí)卸載#1記憶合金，流體沿虛線管路流動(dòng)，該過程中#1記憶合金制冷，#2記憶合金制熱。

A.Kitanovski等［27］提出了一種新型的主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)流程設(shè)計(jì)，使用熱二極管替換圖6中由閥門組控制的周期性改變流向的熱交換流體網(wǎng)絡(luò)。熱二極管是可由電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、機(jī)械力、溫度等外界可控手段改變其自身傳熱速率的裝置［28］，具有低傳熱（絕熱）和正常傳熱兩種模式，例如應(yīng)用在低溫磁制冷機(jī)中的熱開關(guān)利用磁場(chǎng)改變熱開關(guān)的導(dǎo)熱率來調(diào)節(jié)是否傳熱。在該種設(shè)計(jì)模式下，圖7中的兩組記憶合金各自通過兩個(gè)熱二極管與傳熱流體作用，其中一個(gè)熱二極管控制記憶合金與低溫至高溫（排熱）的流體進(jìn)行傳熱，在施加應(yīng)力后啟用；另一個(gè)熱二極管控制記憶合金與高溫至低溫（制冷）的流體進(jìn)行傳熱，在撤去應(yīng)力后啟用。

圖7 使用熱二極管的主動(dòng)回?zé)崾綇棢嶂评湎到y(tǒng)Fig.7 Active elastocaloric regenerator refrigerator with thermal diode

圖7所示的系統(tǒng)中，所有管路包括與記憶合金接觸的熱二極管內(nèi)流動(dòng)均為單向，沒有滯留于記憶合金內(nèi)的流體，理論上與傳統(tǒng)的主動(dòng)回?zé)崾綇棢嶂评溲h(huán)相比，傳熱、流動(dòng)損失更小，但熱二極管部件也增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。為了建立并維持采用主動(dòng)回?zé)崾街评溲h(huán)的記憶合金內(nèi)部溫度梯度，熱二極管啟動(dòng)或關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，流體流動(dòng)方向的導(dǎo)熱率應(yīng)盡可能小，且熱二極管內(nèi)部的孔隙率應(yīng)保持與未采用熱二極管的記憶合金孔隙率接近。采用熱二極管后，由于傳熱流體流動(dòng)變?yōu)閱蜗?，及熱二極管自身的熱慣性，記憶合金內(nèi)溫度梯度及系統(tǒng)溫跨的建立速度相比圖6中的系統(tǒng)更慢?？傊瑹岫O管的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是消除了往復(fù)流動(dòng)的流體形成的“死體積”，但需注意其內(nèi)部軸向?qū)崧省⒖紫堵实葏?shù)與記憶合金床的配合，保證主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)的基本運(yùn)行特征。

2 彈熱制冷工質(zhì)

具有彈熱效應(yīng)的工質(zhì)主要有形狀記憶合金和形狀記憶高分子材料（即橡膠）兩大類。天然及人工合成橡膠具有約10 K的ΔTad［29-30］，具有驅(qū)動(dòng)力小的特點(diǎn)（一般＜50 MPa），主要局限性是疲勞壽命。盡管如此，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)也已開展了相關(guān)原型機(jī)的研發(fā)及制冷系統(tǒng)性能分析［31-32］。目前，記憶合金相關(guān)的仍是主流。記憶合金由于其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)及其出色的超應(yīng)變特性，被廣泛應(yīng)用于航天工程、臨床醫(yī)學(xué)、傳感器等應(yīng)用［33］。詳細(xì)的介紹記憶合金彈熱效應(yīng)可參考相關(guān)的綜述文獻(xiàn)［34］。

應(yīng)用最為廣泛的記憶合金為鎳鈦合金（Ni-Ti），于1963年被人們發(fā)現(xiàn)［35］。鎳鈦合金主要有3個(gè)晶相，β2（奧氏體）、R、β19′（馬氏體），其中 R 為馬氏體和奧氏體之間的中間相。施加應(yīng)力或冷卻Ni-Ti合金時(shí)，β2相先轉(zhuǎn)變?yōu)镽相，再由R相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?9′相，因此，樣品的DSC冷卻曲線具有兩個(gè)波峰（兩次相變）。釋放應(yīng)力或加熱Ni-Ti合金時(shí)，β19′相直接轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相［36-37］。Ni-Ti合金兩次相變的特征決定了其具有更大的潛熱，以及具有更大的相變回滯。Ni-Ti合金具有超過20 K的彈熱效應(yīng)，對(duì)應(yīng)了超過10 J/g的潛熱，是目前已知記憶合金中彈熱效應(yīng)最大的材料［15］。

鈦基記憶合金除了Ni-Ti外，還有眾多三元或四元鈦基記憶合金。K.Otsuka等［13］指出，在 Ni-Ti合金中加入銅元素可以降低相變回滯大小。德國(guó)科學(xué)家的研究表明，增加13%的銅元素，可以顯著減小合金的相變回滯大小，并顯著提升材料在交變加載、卸載循環(huán)下的疲勞壽命（可達(dá)到一千萬次）［38］。研究還表明，在二元Ni-Ti合金體系中增加銅元素，還可以緩解合金的老化效應(yīng)，即減少在無應(yīng)力、溫度作用下記憶合金彈熱效應(yīng)隨時(shí)間減小的速率［39］。除了增加銅元素外，鈮元素（Nb）和鈀元素（Pd）也被用于改善記憶合金的超彈性機(jī)械性能［40-41］。

除了鈦基記憶合金，銅基記憶合金也有較長(zhǎng)的發(fā)展歷史。相比鈦基記憶合金，銅基記憶合金最大的優(yōu)勢(shì)在于更低的成本，但缺點(diǎn)是其易碎的機(jī)械特性。Cu-Zn-Al［42］、 Cu-Al-Ni［43］、 Cu-Al-Be、 Cu-Al-Mn［44］是較常見的幾種銅基記憶合金。相比Ni-Ti合金，這幾個(gè)銅基記憶合金的彈熱效應(yīng)普遍偏小，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一般≤10 K；盡管彈熱效應(yīng)沒有Ni-Ti大，但銅基記憶合金的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力要小很多。

磁性形狀記憶合金在近年來得到了學(xué)界的重視。磁性記憶合金在應(yīng)力驅(qū)動(dòng)或磁場(chǎng)變化時(shí)均具有熱效應(yīng)。 其中包括 Heusler類 Ni-Mn-Ga［45］合金、Ni-Mn-In合金 Ni-Fe-Ga［46-48］合金，衍生的 Ni-Mn-GaCo［49］合金、Ni-Fe-Ga-Co［50］合金。 在磁性記憶合金體系中，一般磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)熱效應(yīng)的難度（場(chǎng)強(qiáng)度）要遠(yuǎn)高于應(yīng)力場(chǎng)，且這類記憶合金相變應(yīng)力一般小于200 MPa。

3 彈熱制冷系統(tǒng)及發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 原型機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

由于彈熱制冷在系統(tǒng)層面的研究尚處于起步階段，僅美國(guó)、德國(guó)的少數(shù)幾家研究機(jī)構(gòu)成功研制了彈熱制冷原型機(jī)。美國(guó)馬里蘭大學(xué)在該領(lǐng)域的研究最為突出。第一代單級(jí)制冷循環(huán)原型機(jī)采用拉伸驅(qū)動(dòng)Ni-Ti合金絲的機(jī)理［51］，如圖 8（a）所示。 拉伸力由兩組非平行同步轉(zhuǎn)動(dòng)的圓環(huán)提供，當(dāng)Ni-Ti絲在A點(diǎn)時(shí)，長(zhǎng)度為無應(yīng)力狀態(tài)下的長(zhǎng)度，而當(dāng)旋轉(zhuǎn)至B點(diǎn)時(shí)，長(zhǎng)度被略微拉長(zhǎng)，產(chǎn)生相變。在Ni-Ti絲被逐漸拉長(zhǎng)的過程中，材料釋放潛熱，引入一股空氣進(jìn)行排熱；另一側(cè)的Ni-Ti絲被逐漸放松，溫度降低，引入另一股空氣進(jìn)行吸熱。在該原型機(jī)設(shè)計(jì)中，由于Ni-Ti絲在豎直方向需要較大的拉伸力，在固定Ni-Ti絲的圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦，這是制約該原型機(jī)性能的主要因素。如圖8（b）和8（c）所示，馬里蘭大學(xué)的第二代彈熱制冷原型機(jī)［52-53］采用（機(jī)械或液壓）壓縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)Ni-Ti合金管相變，使用水作為載冷流體進(jìn)行換熱以及回?zé)?，目前已?jīng)達(dá)到65 W的制冷量及接近5 K的系統(tǒng)溫升。由于采用水作為傳熱媒介，并引入了獨(dú)立的回?zé)徇^程，其傳熱需要一定的時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)行頻率約為0.02～0.05 Hz。

如圖8（d）所示，德國(guó)薩爾蘭德大學(xué)設(shè)計(jì)的單級(jí)制冷原型機(jī)［54］采用了固-固接觸式傳熱的設(shè)計(jì)，無載冷流體，使用Ni-Ti薄膜與固態(tài)熱源、熱匯傳熱直接制冷，在拉伸機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下，系統(tǒng)溫升可以達(dá)到5 K，運(yùn)行頻率約為0.5 Hz。德國(guó)卡爾斯魯厄理工研發(fā)的小型制冷原型機(jī)［55］采用與薩爾蘭德大學(xué)類似的固-固傳熱設(shè)計(jì)，使用Ti-Ni-Fe合金薄膜作為彈熱材料，由于增大了傳熱比表面積及運(yùn)行頻率，系統(tǒng)最高溫升在0.6 Hz下接近7 K，如圖8（e）所示?？梢钥闯觯瑹o論是德國(guó)的薄膜結(jié)構(gòu)無載冷流體的設(shè)計(jì)方案，還是美國(guó)的管材結(jié)構(gòu)有載冷流體傳熱的設(shè)計(jì)方案，其系統(tǒng)溫升與Ni-Ti材料的絕熱溫升（＞20 K）相比仍有顯著差距，單級(jí)循環(huán)的潛力仍有待提高發(fā)掘。

上述幾臺(tái)彈熱制冷原型機(jī)均基于圖3所示的單級(jí)彈熱制冷循環(huán)。丹麥理工報(bào)道了世界上首臺(tái)基于圖5中主動(dòng)回?zé)崾綇棢嶂评溲h(huán)的原型機(jī)［56］，如圖9所示。在該原型機(jī)中采用電機(jī)拉伸7個(gè)平行擺放的Ni-Ti薄板，Ni-Ti薄板間的通道用于水在其中交變流動(dòng)傳熱。圖9中的上側(cè)兩個(gè)流體接口與低溫端換熱器相連接進(jìn)行制冷，底部?jī)蓚€(gè)流體接口與高溫端換熱器相連接進(jìn)行排熱，可以實(shí)現(xiàn)15 K的溫差，是目前實(shí)測(cè)得到的最大系統(tǒng)溫差。

圖8 文獻(xiàn)公開報(bào)道的單級(jí)彈熱制冷原型機(jī)Fig.8 Single-stage elastocaloric cooling prototypes in literature

圖9 采用主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)的彈熱制冷原型機(jī)［56］Fig.9 Elastocaloric cooling prototype with active elastocaloric regenerator configuration

無論是采用單級(jí)制冷循環(huán)還是主動(dòng)回?zé)崾窖h(huán)，彈熱制冷原型機(jī)的開發(fā)目前面臨較大的挑戰(zhàn)，將來需要克服的問題如下：

1）有限的材料種類及性能：現(xiàn)有的原型機(jī)全部采用Ni-Ti合金，且為了保證室溫段的彈熱效應(yīng)，合金組分差異極小。Ni-Ti合金具有驅(qū)動(dòng)應(yīng)力大、相變回滯大的缺點(diǎn)，未來需要開發(fā)出kg級(jí)可實(shí)際應(yīng)用在彈熱制冷裝置中、具有大彈熱效應(yīng)（＞10 K）、小驅(qū)動(dòng)應(yīng)力（＜100 MPa）、小相變回滯（＜5 K）、高導(dǎo)熱率（ ＞50 W/（m·K））的記憶合金。

2）高效、緊湊的驅(qū)動(dòng)裝置：任何制冷系統(tǒng)都涉及熱功轉(zhuǎn)化，彈熱制冷系統(tǒng)中還需有驅(qū)動(dòng)彈熱工質(zhì)相變制冷的驅(qū)動(dòng)裝置，其作用類似于壓縮機(jī)。與壓縮機(jī)不同之處在于，氣態(tài)制冷劑屬于可壓縮流體，其吸氣狀態(tài)與排氣狀態(tài)的比容變化超過200%；固態(tài)彈熱工質(zhì)在進(jìn)行馬氏體相變時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向形變量變化一般不超過10%。根據(jù)廣義功的定義［42］，達(dá)到相同比功，固態(tài)制冷劑所需要的壓強(qiáng)（應(yīng)力）是氣態(tài)制冷劑的20倍，一般需要驅(qū)動(dòng)裝置給彈熱工質(zhì)提供大于100 MPa的應(yīng)力。因此，彈熱制冷系統(tǒng)應(yīng)選用具有大驅(qū)動(dòng)力、小位移特性的驅(qū)動(dòng)裝置?，F(xiàn)有彈熱制冷原型機(jī)絕大部分采用直線電機(jī)或旋轉(zhuǎn)電機(jī)配螺桿，這些傳統(tǒng)的電機(jī)一般設(shè)計(jì)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)、較高轉(zhuǎn)速（＞1 000 r/min或＞100 mm/s）、適中負(fù)載（一般 ＜10 kN）的工況，與彈熱制冷系統(tǒng)中需求的交變運(yùn)行（頻繁啟停）、低轉(zhuǎn)速（＜10 r/min或 ＜10 mm/s）、大負(fù)載（幾十或上百kN）的輸出特性并不匹配。電機(jī)也僅是眾多驅(qū)動(dòng)裝置中的一種方案，其余的液壓缸、氣動(dòng)缸、壓電陶瓷堆、曲柄連桿等驅(qū)動(dòng)裝置也都是有可能的解決方案，但均需滿足上述的交變、小位移、大驅(qū)動(dòng)力的特征。

3）材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化：室溫磁制冷技術(shù)經(jīng)過了20多年的發(fā)展，從顆粒狀磁工質(zhì)、平行板磁工質(zhì)發(fā)展到了目前增塑成型的微通道磁工質(zhì)。彈熱制冷技術(shù)中的記憶合金結(jié)構(gòu)還受限于其工藝，主要是絲、薄板、管材等。更先進(jìn)的熱處理及成型工藝流程還需學(xué)術(shù)界及工業(yè)界進(jìn)行研發(fā)，爭(zhēng)取生產(chǎn)出具有復(fù)雜微通道結(jié)構(gòu)的記憶合金，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的材料強(qiáng)度及傳熱性能。

4）制冷循環(huán)及固態(tài)制冷劑傳熱強(qiáng)化：現(xiàn)有的彈熱制冷系統(tǒng)水力直徑一般＞1 mm，固態(tài)彈熱工質(zhì)與熱交換流體間的對(duì)流傳熱系數(shù)較為有限，這是制約彈熱制冷系統(tǒng)運(yùn)行頻率的一個(gè)重要因素。

5）綜合機(jī)械運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、傳熱強(qiáng)化的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)：磁制冷機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)綜合考慮磁場(chǎng)分布、磁體結(jié)構(gòu)及磁工質(zhì)傳熱強(qiáng)化的整體設(shè)計(jì)。在彈熱制冷機(jī)中，驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)及驅(qū)動(dòng)力在系統(tǒng)內(nèi)的傳遞與磁場(chǎng)分布、磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能類似，也是需要在傳熱強(qiáng)化的基礎(chǔ)上綜合設(shè)計(jì)的重要部分。

3.2 彈熱制冷系統(tǒng)性能仿真

與磁制冷機(jī)類似，由于彈熱制冷系統(tǒng)是處于周期性交變運(yùn)行工況，周期從1～10 s不等，系統(tǒng)內(nèi)部各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間呈周期性變化規(guī)律，要明確系統(tǒng)的性能參數(shù)，特別是性能系數(shù)COP、制冷量、驅(qū)動(dòng)功率、系統(tǒng)溫差等，需要使用動(dòng)態(tài)仿真模型來研究、分析彈熱制冷系統(tǒng)的性能。

彈熱制冷系統(tǒng)的模型需包含記憶合金床、驅(qū)動(dòng)器、傳熱流體、傳熱流體網(wǎng)絡(luò)、換熱器、流體泵、控制策略等，即圖4或圖6系統(tǒng)原理圖中的所有要素。系統(tǒng)模型的核心是具有彈熱效應(yīng)的記憶合金床。根據(jù)模型對(duì)記憶合金床動(dòng)態(tài)物理問題的簡(jiǎn)化程度，可以分為零維（集總參數(shù)，認(rèn)為記憶合金各點(diǎn)溫度相同）、一維、二維、三維模型。目前來看，關(guān)于彈熱制冷的仿真模型主要是一維模型，即考慮在流體流動(dòng)方向上的溫度不均勻性，忽略在其它兩個(gè)方向上記憶合金內(nèi)部導(dǎo)熱引起的溫度不均勻性。這點(diǎn)假設(shè)對(duì)絕大部分記憶合金的物性和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)參數(shù)是適用的。在這個(gè)簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，一維的記憶合金模型即需滿足能量方程［18］：

式中：x為熱交換流體流動(dòng)方向空間坐標(biāo)，m；φ為記憶合金床的孔隙率；下標(biāo)m代表記憶合金，該方程是待求解變量Tm（記憶合金溫度，K）的控制方程；能量方程中的各項(xiàng)分別代表儲(chǔ)能項(xiàng)、熱擴(kuò)散項(xiàng)、一維模型簡(jiǎn)化的對(duì)流傳熱項(xiàng)、彈熱效應(yīng)項(xiàng)；彈熱效應(yīng)項(xiàng)需要額外補(bǔ)充記憶合金的相變模型，即需確定?ε/?t項(xiàng)的大??；彈熱效應(yīng)項(xiàng)的大小還同時(shí)取決于控制策略及運(yùn)行參數(shù)（如頻率等）。能量方程中需用到記憶合金密度ρ，kg/m3；比熱容c，J/（kg·K）；導(dǎo)熱率k，W/（m·K）。除此之外，h為固態(tài)記憶合金與熱交換流體間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K），需根據(jù)傳熱工況的對(duì)流傳熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式確定；β為記憶合金與熱交換流體間的傳熱比表面積，m2/m3。

與記憶合金進(jìn)行對(duì)流傳熱的流體在流動(dòng)方向上各點(diǎn)的平均溫度Tf需滿足流體的能量方程：

式中：下標(biāo)f代表熱交換流體。方程最后一項(xiàng)代表流體阻力引起的熱耗散，其中p為壓力，Pa。

上述兩個(gè)能量方程與記憶合金的相變模型共同描述了記憶合金床內(nèi)耦合了相變、傳熱及其內(nèi)部流動(dòng)的動(dòng)態(tài)物理過程。還需為記憶合金床補(bǔ)充其邊界條件。具體的邊界條件需要參照?qǐng)D4或圖6中的系統(tǒng)連接方式，和系統(tǒng)內(nèi)其他動(dòng)態(tài)管道模型的邊界條件（溫度、壓力）進(jìn)行耦合。在此基礎(chǔ)上，還需補(bǔ)充系統(tǒng)的控制策略。最后，需要對(duì)上述能量方程的空間坐標(biāo)離散化，使用數(shù)值方法進(jìn)行求解［57］。Matlab Simulink或Dymola都是較成熟可用來建立彈熱制冷系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的平臺(tái)，其自帶的數(shù)值求解器也大都可以求解該類模型。圖10給出了以20℃為系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)初始溫度，采用兩組Ni-Ti合金的單級(jí)彈熱制冷系統(tǒng)中高溫?zé)釁RTh和低溫?zé)嵩碩c溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系。該模型在每個(gè)記憶合金內(nèi)設(shè)置50個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)，時(shí)間項(xiàng)離散步長(zhǎng)為10-3s，圖中每個(gè)波動(dòng)對(duì)應(yīng)了一個(gè)循環(huán)周期。系統(tǒng)在控制策略層面設(shè)置了Th和Tc溫度PID控制，當(dāng)超出給定溫度范圍后將調(diào)節(jié)制冷量和制熱量使其溫差穩(wěn)定在設(shè)定值。結(jié)果表明，使用目前的記憶合金材料和單級(jí)制冷循環(huán)，彈熱制冷機(jī)可達(dá)到14%的熱力完善度并有潛力實(shí)現(xiàn)30%的熱力完善度［19］和超過1 W/g的比制冷量［25］。

目前，系統(tǒng)模擬仿真還有較大的發(fā)展提升空間，特別是結(jié)合有限元（FEA）方法建立二維或三維的記憶合金動(dòng)態(tài)相變、傳熱模型，綜合考慮記憶合金的應(yīng)力分布和傳熱特性，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)；進(jìn)一步引入更符合記憶合金相變物理過程的相變動(dòng)力學(xué)模型，研究分析溫度以及記憶合金相變溫區(qū)參數(shù)對(duì)其相變特性的影響規(guī)律；開發(fā)描述主動(dòng)回?zé)崾街评溲h(huán)的仿真模型等。

圖10 以單級(jí)彈熱制冷系統(tǒng)為例的一維數(shù)值仿真結(jié)果［18］Fig.10 One-dimensional numerical simulation results：taking a single-stage elastocaloric cooling system for example

4 展望

自2004年英國(guó)科學(xué)家提出將記憶合金在應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下的熱效應(yīng)應(yīng)用于制冷后，彈熱制冷技術(shù)逐漸開始發(fā)展。在過去的10年中，材料學(xué)界開展了大量關(guān)于常見記憶合金的彈熱效應(yīng)以及部分磁性記憶合金的彈熱效應(yīng)的研究。截至目前，全世界已有6臺(tái)公開的彈熱制冷原型機(jī)，其制冷性能還在穩(wěn)定提升之中。行業(yè)內(nèi)的知名企業(yè)，如日本大金、美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）、美國(guó)通用電氣研究院（GE）也都參與了該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)。

彈熱制冷技術(shù)是一種使用無GWP、無ODP、無可燃性、無毒性的純自然固態(tài)工質(zhì)的制冷技術(shù)。研究表明：現(xiàn)階段彈熱制冷機(jī)的制冷效率可達(dá)14%的熱力完善度（外部參數(shù)），且有潛力在未來達(dá)到30%的熱力完善度，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，其材料層面的熱力完善度可達(dá)80%，在系統(tǒng)層面還有較大性能提升空間。根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)，特別是美國(guó)能源部在2014年將其在20余項(xiàng)新型制冷技術(shù)中列為最具潛力替代蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的技術(shù)后［9］，彈熱制冷技術(shù)目前已成為一個(gè)新的交叉學(xué)科研究熱點(diǎn)。在材料層面，記憶合金在單位驅(qū)動(dòng)應(yīng)力下的彈熱效應(yīng)、導(dǎo)熱率、疲勞壽命都需要進(jìn)一步提升，未來的發(fā)展方向有：優(yōu)化Ni-Ti合金體系、探索磁性記憶合金體系、開發(fā)新的記憶合金材料、開發(fā)具有高疲勞壽命、高導(dǎo)熱率特性的形狀記憶高分子材料，以及研究增塑成型、熱塑成型等加工復(fù)雜微通道記憶合金床的工藝。在系統(tǒng)層面，未來需要發(fā)展的方向也很豐富，包括開發(fā)具有交變大負(fù)載特性的驅(qū)動(dòng)器，研發(fā)新型高效單級(jí)或主動(dòng)回?zé)崾綇棢嶂评溲h(huán)，綜合結(jié)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)、傳熱強(qiáng)化的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程等。

因此可認(rèn)為，彈熱制冷技術(shù)在今后將得到更快、更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。我國(guó)能源、材料領(lǐng)域的學(xué)者和相關(guān)企業(yè)若能積極參與到該項(xiàng)技術(shù)的材料、部件、設(shè)備的研究、開發(fā)、應(yīng)用活動(dòng)中，將擴(kuò)大我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)及固態(tài)制冷領(lǐng)域的國(guó)際影響力，為我國(guó)制冷、空調(diào)行業(yè)的節(jié)能、減排、環(huán)保工作做出新的貢獻(xiàn)。

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