【科研进展】基于非互易传热的高效环保固态制冷

Sustainable all-solid elastocaloric cooler enabled by non-reciprocal heat transfer

文章概述

近日，南方科技大学物理系讲席教授李保文院士，深港微电子学院朱桂妹研究员以及物理系沈翔瀛副教授在非互易传热及固态制冷领域取得进展。他们首次建立了非互易传热耦合固态制冷的理论框架，阐明了应用非互易传热单元实现卡路里式制冷循环的工作原理，并以弹卡制冷为例，实验开发了相应的制冷器以验证该理论的可行性，为发展环保可持续的新型固态制冷技术提供新的方案。相关研究成果以“Sustainable all-solid elastocaloric cooler enabled by non-reciprocal heat transfer”为题发表于Nature Sustainability期刊。

非互易传热技术有望重塑高性能固态弹卡制冷技术的发展格局，成为解决传统蒸汽压缩制冷环境问题的绿色替代方案。非互易传热是指非对称的热输运行为——即热流只能沿着材料/器件的某一方向进行输运，当温度梯度反向后，热流输运将被阻止。应用低能耗或零能耗的非互易传热单元有望开发出高效环保的制冷装置，使其成为更具可持续性的解决方案。然而，目前非互易传热与固态热制冷系统结合的工作原理尚未阐明，也缺乏明确可行的技术实现路径。

对此，李保文院士团队首先提出了引入非互易导热以实现卡路里制冷循环的概念和方法（图1a-b），该制冷系统可在不使用传统流体部件或机械分离单元的条件下，将热量从低温热源泵送到高温热沉，以实现全固态制冷循环（图1c）。接着，作者从理论上阐释了该制冷系统的性能与非互易传热单元热整流比r（r=αhigh/αlow）的正相关关系（图1d），即该制冷系统的性能（文中以系统温跨ΔTspan为例）可随着非互易传热单元热整流比的提高而大幅增加。此外，作者亦探究了界面热阻对该制冷系统的性能影响（图1e），发现界面热阻的增大会显著降低制冷性能，该结果表明了在设计基于非互易传热的固态制冷器件中最小化热阻的重要性。

图文导读

为实验验证该理论框架-非互易传热耦合固态卡路里制冷循环的可行性，作者以弹卡制冷为例，搭建了相应的全固态制冷器件（图2）。该器件以镍钛形状记忆合金为弹卡冷媒，以铜块作为热源和热沉。作者开发了基于热-机械耦合超材料的非互易传热单元（图2e），该单元的等效热导率可通过外部机械响应进行连续调控。实验结果表明该非互易传热单元的有效段在低导热模式下的热导率为1.95 W m-1 K-1，其在高导热模式下的热导率为12.69 W m-1 K-1，热整流比为6.5（图2f）。

作者采用布雷顿热力循环，在实验中测试了该制冷器件的性能表现（图3）。在无热负载的条件下，该弹卡制冷器件的最大制冷温跨ΔTspan为4.3 K（图3a-b）。随后，作者在热源处施加了热负载，以测试该弹卡器件的有效制冷功率（图3c）。实验结果表明该器件在接近零温跨条件下，可输出的最大制冷功率为174.8mW，对应的制冷热流密度为242.8mW/cm2（图3d），这一结果超过了现有的全固态卡路里式（包括电卡和弹卡）制冷器件，证明了非互易传热耦合弹卡制冷在实现高性能全固态卡路里制冷器件中的巨大潜力（图3f）。

图三：该弹卡制冷器件的制冷性能表征。

此外，作者实验评估了该固态弹卡制冷器件的实际使用寿命，如图4所示。在循环测试中，由于镍钛形状记忆合金和非互易传热单元的功能衰退（图4a-b），该制冷器件的制冷热流密度和温跨都随着循环次数的增加而降低，热流密度从初始242.8 mW/cm2降低到170mW/cm2，系统最大温跨从初始4.3 K降低到3.1 K（图c）。随制冷性能有所衰减，但该制冷器件在200万圈的循环测试后仍未发生机械结构失效，这主要是由于在非互易传热单元的防屈曲帮助下，该制冷期间得以采用抗疲劳的压缩加载模式。这一循环寿命超过了传统采用分离式结构部件的全固态弹卡制冷器件（图4d），表明了其结构运行的稳定性。

图四：该弹卡制冷器件的设备级循环寿命测试。

总 结

作者在本文中首次提出了通过非互易传热实现弹卡制冷的理论框架，并通过实验验证了该理论方法的可行性，在继采用流体和分离式换热系统之后，为实现环保可持续发展的固态制冷装置提供了新的方案。作者基于该方法所设计的全固态弹卡制冷器件表现出了优异的制冷和抗结构疲劳性能。由于非互易传热这一概念的普适性，此方案将可拓展至其他各类固态制冷领域，这将吸引来自热物理，固态制冷和热超构材料等相关领域的研究学者继续开发高性能的非互易传热单元（热二极管，热开关以及热调节器等）和更高性能的全固态制冷器件，助力绿色可持续的制冷技术的发展。

该工作通讯作者为南方科技大学物理系讲席教授李保文院士，深港微电子学院朱桂妹研究员以及物理系沈翔瀛副教授，文章作者还包括团队博士后-张炯炯，博士后-陈梦瑶，硕士生-罗文梅，博士后-韦宝杰，硕士生-罗天麟。

文献信息：

Zhang, J., Chen, M., Luo, W. et al. Sustainable all-solid elastocaloric cooler enabled by non-reciprocal heat transfer. Nat Sustain (2025).

https://doi.org/10.1038/s41893-025-01552-6

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编辑｜Ding Yafei

公众号｜rezhi2021