我們都知道，制冷是現代生活中不可或缺的一部分，從空調到食品保存，都離不開制冷技術。目前，所有的制冷技術都是基于蒸汽壓縮循環的，它占據了全球能源消耗的約20%。然而，蒸汽壓縮循環使用的制冷劑是一種超級污染的溫室氣體，它們的全球變暖潛能比二氧化碳高出幾百到幾千倍，而且它們的泄漏預計到2050年將占全球二氧化碳排放的11%以上。但目前還沒有理想的替代制冷劑。

為了解決這個問題，一種可能的方案是使用熱致冷技術，它是一種利用固體材料在外場作用下發生相變而產生溫度變化的效應來實現制冷的技術。根據外場的不同，熱致效應可以分為四種：電熱致效應、磁熱致效應、彈性熱致效應和巴羅熱致效應。這些效應都可以實現無氟制冷，并且具有高效率、低噪音、可靠性高等優點。然而，要將這些效應從實驗室擴展到工業應用仍然面臨著很多挑戰，比如材料選擇、循環設計、換熱優化等。

最新發表在《科學》雜志上的論文中，作者介紹了一種基于彈性熱致效應（ECE）的制冷系統，它可以克服上述挑戰，并且達到了非常高的性能指標。ECE是指當某些形狀記憶合金在機械應力作用下發生馬氏體相變時，會產生溫度變化的效應。這種效應最早在2013年被發現，并且在近年來得到了快速的發展。

ECE的優點是具有高的熱致系數、低的循環疲勞、低的成本和易于加工等。作者使用了一種鎳鈦合金作為ECE材料，它是一種最常用的形狀記憶合金，具有很好的機械和熱性能。作者將鎳鈦合金制成了一種管束結構，可以實現高效的換熱和壓縮。作者還設計了一種多模式的換熱結構，可以根據不同的需求切換不同的循環模式，從而實現高制冷功率或者大溫差。下面，我將詳細介紹這種系統的工作原理和性能特點。

系統原理

首先，我們來看看ECE材料的工作原理。當鎳鈦合金受到機械應力時，它會從奧氏體相變為馬氏體相，這個過程中會吸收周圍的熱量，使材料溫度降低，這就是ECE的冷卻階段。當機械應力釋放時，它會從馬氏體相變回奧氏體相，這個過程中會釋放出熱量，使材料溫度升高，這就是ECE的加熱階段。通過對鎳鈦合金進行周期性的壓縮和釋放，就可以實現制冷循環。

為了提高制冷效率和性能，作者將鎳鈦合金制成了一種管束結構，每個管束由多根直徑為1.5毫米、長度為100毫米的鎳鈦管組成。這樣做的好處是可以增加表面積和換熱系數，同時減少壓縮力和應變。作者使用了一種液壓驅動系統來對管束進行壓縮和釋放，可以實現高速、穩定和可控的循環。(www.ws46.com)

作者還使用了一種多模式的換熱結構，可以根據不同的需求切換不同的循環模式。具體來說，有兩種模式：主動再生模式和最大利用模式。在主動再生模式模式下，每個管束都有一個專用的換熱器，在冷卻階段將熱量傳遞給一個儲熱罐，在加熱階段從儲熱罐吸收熱量。這樣可以實現大溫差和高效率，但制冷功率較低。在最大利用模式模式下，所有的管束共享一個換熱器，在冷卻階段將熱量傳遞給一個冷端，在加熱階段從一個熱端吸收熱量。這樣可以實現高制冷功率和高利用率，但溫差較小。通過改變換熱器之間的閥門開關狀態，就可以在兩種模式之間切換。

系統性能

作者對這種系統進行了詳細的測試和分析，結果表明，這種系統具有非常高的性能指標。在主動再生模式模式下，系統可以達到22.5開爾文的最大溫差，并且保持了較高的制冷效率。在最大利用模式模式下，系統可以達到260瓦的最大制冷功率，并且保持了較高的利用率。這些數值都是目前為止任何熱致冷系統中最高的。

作者還對系統的穩定性和可靠性進行了測試，結果表明，系統可以在長時間的循環中保持穩定的性能，沒有出現明顯的疲勞或退化現象。系統在1000次循環后的，溫度變化幅度和周期性都沒有發生變化。