高频弯曲驱动弹性热制冷器：突破性冷却性能与紧凑设计的完美结合

本研究针对传统制冷技术在高频运行下的热传递难题，开发了一种基于NiTi形状记忆合金(SMA)的旋转弯曲驱动弹性热制冷器。通过优化流体通道配置(串/并联)和加载策略(INR/non-INR)，在2Hz频率下实现13.2W·g-1的比冷却功率(SCP)和3.5的系统性能系数(COP)，其28N·g-1的低驱动力和1.1W·L-1的高体积功率密度为微型设备制冷提供了创新解决方案。

　　

随着数据中心和电动汽车等紧凑型设备的快速发展，传统蒸汽压缩制冷技术面临体积庞大和能效低下的双重挑战。弹性热制冷技术因其基于应力诱导相变的环保特性备受关注，其中NiTi形状记忆合金(SMA)展现出0.32J·cm^-3·K^-1的体积熵变优势。然而要实现高频运行，必须解决驱动系统体积过大(占设备70%)和热传递效率受限的核心矛盾。香港科技大学联合哈尔滨工业大学的研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表的研究，通过创新的弯曲驱动模式破解了这一难题。

研究采用旋转弯曲驱动架构，包含电机、齿轮箱、双导螺杆和固定块等核心组件。关键技术包括：(1)使用?0.5mm的Ni56Ti44合金丝通过2Hz高频弯曲实现7.5%表面应变；(2)设计串/并联流体通道对比热传递效率；(3)采用间歇(INR)与非间歇(non-INR)加载策略调控热损失；(4)红外热像仪(FLIR SC7700M)监测12.3K的绝热温变(ΔT_ad)；(5)扭矩传感器精确测量28N·g^-1的比驱动力(F_sp)。

【冷却性能表征】

在0.5Hz频率下，10段串联通道使流体获得10.1K的稳定温降(ΔT_fluid)，导螺杆仅升温1.9K。比冷却功率(SCP)与流量(ω)呈非线性关系，在ω=0.1mL·s^-1时达到峰值5.2W·g^-1，系统COP最高达3.5。高频(2Hz)运行时SCP提升至13.2W·g^-1，但COP降至1.4，反映电机转速增加带来的机械功耗上升。

【流体通道配置影响】

并联通道通过维持更大的NiTi丝-流体温差，使SCP比串联配置提高33%。热力学循环分析显示，串联通道中后续管段的流体预冷导致热源温度(T_c)逐级降低，而并联配置通过单一热交换节点最大化温差驱动。

【加载策略优化】

INR策略在0.5Hz时通过快速加载/卸载(0.5s)实现准绝热条件，SCP比non-INR高1W·g^-1。但高频(2Hz)下non-INR策略因简化机电控制更适用，双导螺杆设计通过应变能存储实现20-30%的机械功回收。

该研究开创性地证明弯曲驱动可使弹性热制冷系统体积功率密度(VPD)达1.1W·L^-1，比传统压缩驱动降低两个数量级的F_sp。通过频率转换策略平衡冷却功率与能效，为TiNiCuCo等抗疲劳合金的实际应用指明方向。这种将材料科学(相变调控)、机械设计(弯曲架构)和热力学(逆向Brayton循环)深度融合的创新范式，为下一代微型制冷设备提供了可扩展的技术蓝图。