近日，工程熱物理研究所林尚超課題組在Cell Press旗下Cell Reports Physical Science上發(fā)表題為“Highly efficient mechanocaloric cooling using colossal barocaloric plastic crystals”的論文，利用低成本的壓卡相變塑料晶體材料新戊二醇，設(shè)計并搭建了國內(nèi)首臺近室溫的壓卡冷卻循環(huán)測試原型樣機，為實現(xiàn)大規(guī)模清潔綠色制冷技術(shù)提供了新的解決思路。工程熱物理研究所博士研究生千坤和林尚超副教授為論文共同第一作者，林尚超副教授、趙長穎教授和中國科學(xué)院金屬研究所李昺研究員為共同通訊作者。
國際制冷協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明各種制冷應(yīng)用消耗全球20%-30%的電力資源，并且目前主流的蒸汽壓縮制冷技術(shù)所使用制冷劑的全球變暖潛能值是二氧化碳的140-23500倍。綠色環(huán)保的固態(tài)相變制冷材料有望取代傳統(tǒng)制冷材料，特別是近年來研究人員陸續(xù)在塑料晶體、正構(gòu)烷烴等材料中發(fā)現(xiàn)的近室溫的龐壓卡材料，其等溫熵變可達到350-700 J kg−1 K−1，接近或部分超過了目前已經(jīng)商用的氣態(tài)制冷劑，為實現(xiàn)大規(guī)模室溫的清潔綠色制冷技術(shù)提供了新的解決思路。但目前針對龐壓卡材料的研究集中在材料的壓卡性能表征方面，在大規(guī)模應(yīng)用樣機層面還處于空白狀態(tài)。
壓卡冷卻樣機裝置及測試結(jié)果
論文構(gòu)建并分析了以壓卡材料為制冷劑的逆向斯特林冷卻循環(huán)和逆向布雷頓冷卻循環(huán)，對兩個循環(huán)進行了熱力學(xué)分析，搭建了測試壓卡材料壓卡效應(yīng)的樣機，經(jīng)測試，新戊二醇在314 K的初始條件下，從常壓加壓至231 MPa過程中，可實現(xiàn)最高20.8 K的近似絕熱溫變；在331 K的初始條件下，從231 MPa釋壓至常壓，可實現(xiàn)最低−17.8 K的近似絕熱溫變，并且通過多次的“加壓-釋壓”循環(huán)，證明了材料壓卡效應(yīng)的可逆性和穩(wěn)定性。論文進一步設(shè)計并搭建了以新戊二醇為制冷工質(zhì)、循環(huán)水為換熱介質(zhì)的壓卡冷卻樣機，通過壓強驅(qū)動（壓強下限：常壓，壓強上限：140 MPa），觀測到換熱盤管進出口水流溫降最高可達到3.8 K，最大制冷功率6.67 W，單次循環(huán)的制冷量超過900 J。
新戊二醇理論等溫熵變及冷卻循環(huán)效能系數(shù)
論文通過分子動力學(xué)仿真對新戊二醇固態(tài)相變的熱力學(xué)參數(shù)及理論冷卻循環(huán)的效能系數(shù)進行計算。在壓強驅(qū)動下（350 MPa變換之0.1 MPa），新戊二醇在大約320 K的條件下，可實現(xiàn)最高380 J kg−1 K−1的理論等溫熵變和42 K的理論絕熱溫變，其中構(gòu)型熵達到345 J kg−1 K−1，占到總熵變的約90%。在5 K的溫度跨度條件下，逆向斯特林冷卻循環(huán)和逆向布雷頓冷卻循環(huán)的理論效能系數(shù)最大可達到14和7.5。本研究首次提出了塑料晶體的大規(guī)模使用場景中的壓卡冷卻效應(yīng)，對未來新型清潔綠色固態(tài)制冷技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用具有重要的技術(shù)價值。
林尚超課題組致力于熱電轉(zhuǎn)換、儲能材料、能源材料力-熱-光-電耦合效應(yīng)研究，近年來作為一作或通訊作者在Nature Communications、Science Advances、Advanced Functional Materials等國際期刊發(fā)表了一系列研究性論文。該研究工作受到國家自然科學(xué)基金面上項目、國家特聘青年專家項目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃和國家科學(xué)技術(shù)部的資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/pdf/S2666-3864(24)00241-8.pdf
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