科学研究

1. 固态制冷技术：弹热制冷、磁-弹多卡制冷、压卡制冷、热电制冷等

2. 先进仿真技术：物理-数据耦合的降阶模拟方法、基于深度学习的动态时序预测、制冷系统的高精度动态物理仿真方法等

3. 制冷与热泵系统节能技术：碳氢制冷剂的应用、喷射器增效制冷、小管径等低充注量技术、高效除霜技术、制冷与热泵系统容量调控技术等

4. 热管理技术：高效液冷换热器、环路热管等

5. 储能技术：基于固-固相变的长时蓄热/冷、蓄热/冷换热器等

K. Zhang#, Y. Liu#, Y. Gao#, Z. Zhang, H. Wang, W. Li, X. Fan, J. Ding, Z. Guan, S. Kawaguchi, Z. Du, J. Zhang, L. Su, Y. Li, R. Jiang, Y. Li, Y. Jia, Y. Wang, J. Lin, J. Zhu, P. Tong*, S Qian*, K. Li*, Z. Zhang, B. Li*. Extreme barocaloric effect at dissolution. Nature. 2026, 649: 1180-1185.

Y. Li#, S. Xu, L. Fu, Y. Liao, S. Pang, S. Qian*. A data-driven model for heat pump water heater with wrap-around condenser coil in heating-up transients. Applied Thermal Engineering. 2025, 275: 126856.

S. Qian#*, Ichiro Takeuchi*. Sizing up caloric devices. Science. 2024, 385: 493-494.

S. Yao#, P. Dang#, Y. Li, Y. Wang, X. Zhang, Y. Liu, S. Qian*, D. Xue*, Y. He*. Efficient roller-driven elastocaloric refrigerator. Nature Communications. 2024, 15: 7203.

S. Qian#, D. Catalini, J. Muehlbauer, B. Liu, H. Mevada, H. Hou, et al. High-performance multimode elastocaloric cooling system. Science. 2023, 380: 722-727.

S. Qian*. Thermodynamics of elastocaloric cooling and heat pump cycles. Applied Thermal Engineering. 2023, 219: 119540.

Y. Chen#, Y. Wang, W. Sun, S. Qian*, J. Liu*. A compact elastocaloric refrigerator. The Innovation. 2022, 3, 100205.

H. Hou#, S. Qian#, I. Takeuchi*. Materials, physics, and systems for multicaloric cooling. Nature Reviews Materials. 2022, 7: 633-652.

S. Qian#*, Y. Wang, S. Xu, Y. Chen, L. Yuan, J. Yu. Cascade utilization of low-grade thermal energy by coupled elastocaloric power and cooling cycle. Applied Energy. 2021, 298, 117269.

S. Qian#, D. Nasuta, A. Rhoads, Y. Wang, Y. Geng, Y. Hwang*, et al. Not-in-kind cooling technologies: a quantitative comparison of refrigerants and system performance. International Journal of Refrigeration. 2016, 62, 177-192.

1. 固态制冷与固态相变制冷（caloric cooling）

固态制冷是利用固体材料的热效应实现制冷的一类技术。由于固体材料不会挥发至大气，因此所有固态制冷技术都有零温室效应指数（GWP）的环保优势。从发展历史上看，对于固态制冷技术的两次研究高潮均与传统蒸气压缩制冷剂的替代有关。上世纪90年代前后产生了第一波对固态制冷技术的研究高峰，对应了《蒙特利尔议定书》对CFC、HCFC制冷剂（第二代制冷剂）的限制和替代，室温磁制冷技术和首台电卡制冷机均诞生于这个阶段。2010年后，伴随着高GWP的HFC制冷剂（第三代制冷剂）的替代研究和《基加利修正案》的签署，固态制冷技术迎来了新的发展热潮。由于尚无兼具性能、环保、安全性的HFC替代工质，这一波固态制冷技术的研究热潮仍在不断发展，并且伴随着增材制造等先进技术的发展和应用，近年来不仅诞生了首台弹热制冷机并催生了多台商业化磁制冷设备（原型产品），热电制冷在酒柜等应用场景也取代了部分蒸气压缩制冷的市场份额。2022年和今年，国际制冷学会和中国制冷学会先后成立了固态制冷与供热工作组（solid-state cooling and heating）和未来制冷技术工作组，标志着固态制冷技术发展进入新阶段。

从热效应的原理来看，固态制冷可分为利用载流子热效应的制冷技术和利用固态相变潜热的制冷技术两大类。利用半导体材料中电子输运热量（帕尔贴效应）的热电制冷（thermoelectric）和利用半导体材料发射热电子输运热量（热电子发射效应）的热离子制冷（thermionic）可在稳恒电场作用下，利用电子作为载流子，产生连续稳定的制冷效应，属于第一类固态制冷技术。利用外场源驱动固态相变过程中产生潜热的属于第二类固态制冷技术，根据外场源和固态相变类型的不同，可分为磁场驱动磁热材料铁磁相变的磁（热）制冷（magnetocaloric），电场驱动电卡材料铁电相变的电卡制冷（electrocaloric），和应力场驱动固体材料结构相变的力热制冷（mechanocaloric）。根据应力形式的不同，力热制冷又可进一步细分为使用单轴应力驱动的弹热制冷（elastocaloric），使用各向同性应力驱动的压卡制冷（barocaloric），使用轴向扭矩驱动的扭卡制冷（twistocaloric），和使用径向扭矩驱动的挠热制冷（flexocaloric）。固态相变的正逆相变分别为放热和吸热，制冷效应仅能周期性的产生，需要匹配合适的热力学循环，以构建可连续稳定工作的制冷机。在众多固态制冷技术中，热电制冷是目前唯一得到商业化应用的制冷技术。近年来，磁热、电卡、弹热制冷技术也得到了快速发展。

2. 弹热制冷材料

弹热制冷是利用弹热工质在卸载时的相变潜热制冷的固态相变制冷技术。弹热工质在用商用级驱动器卸载时的温度变化超过20 K，热效应显著且容易获得，因此自2010年以后受到了广泛关注。从2014年第一台弹热制冷机问世以来，弹热制冷技术得到了快速发展，已有40余台公开报道的弹热制冷机。

弹热效应指固体材料在单轴应力作用下的温度变化（绝热温变）或吸/放热现象（等温熵变）。具有弹热效应的固体制冷剂称为弹热工质，主要包括合金和高分子两类材料。

最典型的弹热工质是镍钛二元合金。镍钛二元合金通常包含母相（奥氏体相，高温、低应力稳定）和马氏体相（低温、高应力稳定）以及中间相（R相），奥氏体相、马氏体相、R相的区别在于晶体结构，类似气液相变，结构相变可由温度或应力驱动。镍钛二元合金是一种商业化大规模应用的材料，据估计，每年全球产量在万吨量级。室温条件下，商用级镍钛二元合金通常能产生20 K以上的绝热温变和10 ~ 15 J g-1的相变潜热；最近的研究表明，在120℃，实验室级镍钛二元合金可以产生38 K的绝热温变，对应了20 J g-1以上的相变潜热。近年来有多个关于商用级镍钛管的长期疲劳寿命的研究，验证了商用级镍钛管在工况合适的条件下可实现千万次的运行并且保持稳定的弹热效应。同时，为了直接构建具有高换热比表面积的微通道结构工质，近年来也有多个研究机构跟进使用增材制造技术制备镍钛二元合金材料的工作。

镍钛二元合金的相变回滞过大，导致其效率和疲劳寿命较低，因此，通常在其中掺杂铜、铁、钴等元素构成三元或四元合金，使得马氏体相、奥氏体相的晶格匹配度提升，获得低回滞和长寿命。例如，德国基尔大学制备的TiNiCu和TiNiFe三元合金相变回滞显著低于镍钛二元合金，实现了千万次循环寿命。2019年，北京科技大学制备的NiMnTiB合金得到了31.5 K的绝热温变，突破了当时的记录。近年来，低回滞的三元镍钛基合金已得到了商业化应用。

另一种应用规模较小的商业化弹热工质是铜基合金。铜基合金具有低成本的优势，其绝热温变虽然在5~10 K，但其导热率相比镍钛二元合金高一个数量级，并且相变所需的应力也显著低于镍钛二元合金，更低的应力使得在相同驱动力条件下铜基合金的。

高分子弹热材料的研究主要集中在天然橡胶，也有少量对硅橡胶、丁苯橡胶和聚氨酯、聚乙烯等聚合物的研究。高分子材料的弹热效应主要来源于聚合物分子链有序程度的变化和应变诱导结晶的结构相变。高分子弹热材料的弹热效应（绝热温变）一般在10 K左右，需要5~6倍的伸长率，但所需的驱动应力远低于合金。

3. 弹热制冷系统

弹热制冷机主要包含两种循环类型：单级循环和主动回热循环。单级循环旨在最大化的利用弹热效应，其特征为弹热工质温度均匀；主动回热循环依靠由弹热工质和传热流体构成的弹热回热器，通过传热流体的交变流动构建温度梯度，实现数倍于弹热工质绝热温变（弹热效应）的制冷温差。

西安交通大学研发了全球首台全集成的弹热制冷冰箱原型机，其中的制冷机部分采用了单级循环的设计，使用0.7 mm的商用镍钛二元合金丝组，采用固-固接触换热的设计，匹配了倾斜大扭矩电机直驱的机械设计方案：电机倾斜运动同时提供了竖直方向的加载驱动力并实现了水平方向的固-固接触传热控制（图19），该设计方案显著简化了驱动机构的复杂性和体积。冰箱原型机实现了9.2 K的制冷温差，由于改善了驱动机构设计方案，系统的紧凑性达到了目前为止的最优水平。在此基础上，西安交通大学将单级制冷机升级为带功回收的双级复叠制冷机，实现了25 K的制冷温差和78%的功回收效率。类似的，德国卡尔斯鲁厄大学将单级弹热制冷机升级为四级复叠之后，在驱动系统不变的条件下，实现了27.3 K的制冷温差，这两个案例证明了从单级到复叠改善系统制冷温差的有效性。最近，香港科技大学提出通过弯折驱动弹热工质相变的加载方式，并构建了通过弯折驱动0.5 mm镍钛二元合金片，实现了11.5 W的制冷量，丰富了单级弹热制冷机的集成方法。总之，近年来单级弹热制冷机的研究集中在采用固-固接触换热，无液相传热流体，不需要密封和驱动泵，因此设计紧凑、结构简单，可适应较低制冷量的应用需求（100 W以内）。

使用主动回热循环的弹热回热器近年来也得到了快速发展。使用主动回热循环的弹热回热器需要加载-自下向上流动传热流体-卸载-反向流动传热流体这四个步骤。由于使用液相传热流体，弹热回热器可快速扩展容量，适用于具有大制冷量需求的应用场景。2022年，仿照壳管式换热器管外扰流的结构特征，马里兰大学和斯洛文尼亚大学独立提出了轴向压缩管束、管外径向绕流的回热器结构设计。马里兰大学延用4.7 mm外径和0.5 mm厚度的商用镍钛管，实现了单流程回热器16.6 K的制冷温差；卢布尔雅那大学采用3 mm外径、0.25 mm的薄壁管构建了类似壳管式换热器的四流程回热器，实现了31.3 K的制热温差和50 W的制热量。近期，西安交通大学提出了使用非均匀横截面的松树型结构回热器，实现了45.5 K的制冷温差和13 W/g的制冷功率密度。

为了充分发挥单级循环和主动回热循环在不同工况下的优势，马里兰大学和西安交通大学联合开发了多模式弹热制冷机，在小制冷温差条件下采用较大的利用因子运行单级循环，在大制冷温差需求时运行小利用因子的主动回热循环，实现了260 W的制冷量和22.5 K的制冷温差，首次将弹热制冷机的综合性能做到了与现有主流磁制冷机相同的水平，为弹热制冷机的发展提供了新的思路。

现有的弹热回热器的通用技术路径是压缩小管径、大比表面积的管束，采用管内或管外单相传热流体换热。为了强化传热，2021年，德国弗劳恩霍夫研究所提出了使用低沸点有机液体气-液相变传热的方式改善管束回热器换热性能的全新技术路线，并验证了管外沸腾换热可以有效提高换热效率，因此可将回热器运行频率提高到1.5 Hz，在约10 W的有效制冷量下实现了6.27 W g-1的功率密度。2023年以来，香港科技大学提出了使用微肋结构和“回”字型结构强化传热的方法，在保持管束强度和压缩力学性能的条件下显著增大了换热面积，实现了超75 K的制冷温差和kW级的制冷量，促进了弹热制冷技术的快速发展。

参考文献

Fähler, S. et al. Caloric effects in ferroic materials: New concepts for cooling. Adv. Eng. Mater. 14, 10–19 (2012).

Hwang, Y. & Qian, S. Caloric cooling technologies (50th IIR Informatory Note on Refrigeration Technologies). https://iifiir.org/en/fridoc/146206 (2022).

Moya, X. & Mathur, N. D. Caloric materials for cooling and heating. Science. 370, 797–803 (2020).

Y. Chen, Y. Wang, W. Sun, S. Qian, J. Liu, A compact elastocaloric refrigerator. Innov. 3, 100205 (2022).

S. Qian, D. Catalini, J. Muehlbauer, B. Liu, H. Mevada, H. Hou, Y. Hwang, R. Radermacher, I. Takeuchi, High-performance multimode elastocaloric cooling system. Science. 380, 722–727 (2023).

S. Yao, P. Dang, Y. Li, et al. Efficient roller-driven elastocaloric refrigerator. Nat. Commun. 15, 7203 (2024).

G. Zhou , Z. Li , Q. Wang , et al. A multi-material cascade elastocaloric cooling device for large temperature lift. Nat. Energy. 9, 862-870 (2024).

G. Zhou, L. Zhang, Z. Li, et al. Achieving kilowatt-scale elastocaloric cooling by a multi-cell architecture. Nature. 639, 87 (2025).