滚轮凸轮驱动的压缩弹性热冷却设备及其高冷却功率密度
基于滚轮凸轮驱动的压缩弹性热冷却装置：高冷却功率密度的突破
学术背景
随着全球气候变化的加剧，传统的蒸汽压缩（Vapor Compression, VC）制冷技术因其使用氢氟碳化物（Hydrofluorocarbons, HFCs）等制冷剂而备受争议，这些物质具有较高的全球变暖潜势（Global Warming Potential, GWP）。为了应对这一环境问题，研究人员一直在探索更环保的制冷替代方案。弹性热冷却（Elastocaloric Cooling）作为一种基于固态材料的制冷技术，因其零碳排放和高能效潜力而备受关注。弹性热冷却通过材料的应力诱导相变来实现制冷，尤其是利用形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMAs）如镍钛合金（NiTi）在相变过程中释放和吸收的热量。
然而，尽管现有的弹性热冷却装置在性能上表现优异，但它们的体积通常较大，难以在实际应用中广泛推广。这主要是由于加载固态制冷剂所需的执行器体积庞大，限制了装置的紧凑性和冷却功率密度（Cooling Power Density, CPD）。针对这一问题，研究人员致力于开发更紧凑的弹性热冷却装置，以减少设备体积并提高冷却功率密度。
论文来源
本论文由Jiongjiong Zhang（张炯炯）、Siyuan Cheng（程思远）和Qingping Sun（孙庆平）共同撰写，分别来自香港科技大学机械与航空航天工程系、南方科技大学物理系以及河北科技大学机械工程学院。该论文于2025年5月16日发表在Device期刊上，题为《Roller-Cam-Driven Compressive Elastocaloric Device with High Cooling Power Density》。
研究内容
a) 研究流程与方法
本文的核心是开发一种基于滚轮凸轮驱动的弹性热冷却装置，旨在减少设备体积并提高冷却功率密度。研究流程主要包括以下几个步骤：
装置设计与构建：研究人员设计了一种紧凑的滚轮凸轮驱动装置，使用小型旋转电机代替传统的线性执行器。旋转电机具有更高的功率密度和机械效率，能够减少装置的总体积。装置的核心部分包括滚轮凸轮、线性执行器和再生器。再生器中使用多个带有内壁翅片结构的镍钛合金管作为制冷剂。
材料与结构优化：为了优化冷却性能，研究人员对镍钛合金管的材料特性进行了测量，并设计了高效的翅片结构以增强热传递效率。通过循环训练和应力-应变测试，确定了材料的相变温度范围和疲劳寿命。
冷却性能测试：装置通过循环操作来测试系统的温度跨度和冷却功率。研究人员在不同流体流速和操作频率下进行实验，以获取最佳的冷却性能。装置的温度跨度和冷却功率通过热交换器和水浴控制系统进行测量。
b) 主要研究结果
冷却功率密度：该装置在无负载条件下的最大温度跨度为27.4 K，最大冷却功率为40.6 W，对应的体积冷却功率密度为1.4 W/L。这一数值显著高于现有的弹性热冷却装置。
疲劳寿命：装置使用的带有翅片结构的镍钛合金管在循环加载下表现出优异的疲劳寿命，超过了2×10^7次循环，表明其具有长期使用的潜力。
效率与性能：装置的系数性能（Coefficient of Performance, COP）在0.31到0.42 Hz之间呈下降趋势，但随着操作频率的进一步提高，冷却功率增加，COP略有提升。
c) 结论与意义
本研究通过开发一种紧凑的滚轮凸轮驱动装置，显著提升了弹性热冷却装置的冷却功率密度，达到了1.4 W/L，同时实现了高达27.4 K的温度跨度和2×10^7次循环的疲劳寿命。这一研究成果为弹性热冷却技术的实际应用提供了新思路，证明了使用小型旋转电机和优化材料结构可以显著提升装置的紧凑性和冷却性能。
d) 研究亮点
高冷却功率密度：通过紧凑的滚轮凸轮驱动设计，装置实现了1.4 W/L的冷却功率密度，显著高于现有弹性热冷却装置。
优异的疲劳寿命：带有翅片结构的镍钛合金管在循环加载下的疲劳寿命超过2×10^7次循环，表明其具有长期使用的潜力。
创新设计与优化：使用小型旋转电机代替传统线性执行器，并结合翅片结构优化热传递效率，是本研究的两大创新点。
e) 其他有价值的信息
研究还表明，尽管本装置的冷却功率密度已显著提升，但仍低于商用蒸汽压缩制冷技术（>10 W/L）。未来的研究可以进一步探索新型形状记忆合金材料，如镍锰锡合金（Ni-Mn-Sn），其在相变过程中所需的应力较低，有助于开发更紧凑和高效的弹性热冷却装置。
总结
本文通过创新的滚轮凸轮驱动设计和材料优化，成功开发了一种紧凑、高效的弹性热冷却装置。该装置不仅具有高冷却功率密度和优异的疲劳寿命，还为零碳排放的制冷技术提供了新的技术路线。未来的研究可以在此基础上进一步优化装置的机械结构和材料性能，推动弹性热冷却技术在实际应用中的广泛推广。