利用形状记忆合金线束实现低驱动力的扭转热冷却

《Energy Conversion and Management》：Twistocaloric cooling with shape memory alloy wire bundles for low driving force

本研究通过实验与理论建模，系统分析了扭转ocaloric冷却中SMA线束的行为，获得最大平均温降-21.8K和归一化热吸收338.627 μJ mm?3N?1。模型可评估应力分布、温度变化及相变程度，阐明低驱动力的机制，并揭示材料冷却功率与扭转参数的关系，为优化设计提供理论指导。

　　

阮倩婷|彭华|周建友|郑忠

哈尔滨工业大学理学院，中国广东省深圳市518055

摘要

扭曲热冷却在驱动力需求、比冷却功率和性能系数方面显示出令人满意的优势，表明了其在未来弹性热制冷设备中的潜力。然而，与单轴或弯曲诱导的弹性热效应相比，扭曲热加载引入了复杂的多轴应力状态，这使得建模和设计变得更加复杂。本研究结合实验研究和理论建模，系统地研究了形状记忆合金（SMA）线束的扭曲热行为，实验结果实现了最大平均温度下降21.8 K和标准化热吸收量为338.627 μJ mm^?3N^?1。该建模框架还提供了一个强大的工具，用于全面评估扭曲SMA线束横截面上的应力分布、温度变化和马氏体体积分数（相变程度），以及其安全操作范围。此外，还阐明了扭曲热冷却所需的低驱动力的机制。参数化建模还表明，材料的比体积冷却功率随扭曲加载率和SMA线的螺旋半径的增加而增加，而冷却/加热能力则取决于扭曲密度。这项工作有望为优化扭曲热制冷剂的设计和操作参数提供有价值的见解。

引言

常用的蒸汽压缩制冷系统中的制冷剂，如氢氟碳化物（HFCs），是强效的温室气体，其全球变暖潜能值（GWP）是二氧化碳的数百到数千倍[1]，[2]。因此，这些传统制冷剂的泄漏将加剧全球温室效应。在零GWP、不可燃且无毒的蒸汽压缩制冷替代品中，固态冷却是一个潜在的领先者。固态冷却利用固体中的场驱动相变，并表现出内在的高能量转换效率。主流的固态冷却技术包括磁热冷却、电热冷却和弹性热冷却。尽管近年来固态冷却技术取得了进展，但其性能系数（COP）仍远低于理论预测[2]。因此，迫切需要进一步研究固态冷却技术的性能。

作为一种新型的固态冷却技术，弹性热冷却利用了形状记忆材料（通常是形状记忆合金（SMAs）的马氏体相变所诱导的潜热[2]，[3]，[4]，[5]。在机械载荷作用下，SMAs会从奥氏体相转变为马氏体相，当载荷去除时会发生逆转变。由于SMAs表现出极大的绝热温度变化，弹性热冷却已成为最有前景的热制冷技术之一[6]，[7]，[8]。在过去十年中，基于SMA的弹性热冷却原型取得了显著进展。开发的原型采用了不同的加载模式和制冷剂配置，例如SMA带材的拉伸[9]，[10]，SMA薄壁管的压缩[2]，[11]，[12]，[13]，以及SMA线材或片材的弯曲[15]，[16]。然而，现有的弹性热冷却设备仍面临一些关键挑战，特别是高驱动力、结构笨重和冷却功率不足，这些因素严重阻碍了它们的实际应用。

受到使用天然橡胶纤维的基于扭曲的冷却技术的启发[17]，[18]，人们致力于研究基于SMA扭转的弹性热效应，以解决上述挑战，这通常被称为扭曲热效应。初步研究表明，使用SMA的扭曲热冷却在材料COP_mat（冷却能量与材料滞后功的比率）、比冷却功率和驱动力方面可能具有优势[19]，[20]。尽管在扭曲热冷却技术上取得了一些进展，但它仍处于起步阶段，高功率应用尚未实现。为了加速高功率扭曲热冷却设备的发展，阐明扭曲热制冷剂的热机械性能非常重要。在这项工作中，选择了一束SMA线材作为扭曲热制冷剂。当一束SMA线材被扭曲并释放时，潜热的释放和吸收导致扭曲热冷却效应，这强烈依赖于线材的复杂变形。通常，可以通过三种理论来考虑线束的变形[21]，即弦/梁理论[22]，[23]，[24]，[25]，细杆理论[26]，[27]及其衍生模型。在这些理论中，细杆模型分别考虑了每根线材的拉伸、弯曲和扭转，并结合了每根线材的贡献来确定线束的整体变形。

此外，在评估扭曲线材的马氏体相变和潜热之前，需要建立SMA的热机械耦合本构关系（材料模型）。现有的本构模型可以分为三类[28]，即基于微观力学的模型、现象学模型和微观-宏观模型。微观力学模型主要基于Ginzburg-Landau理论[29]，[30]，[31]，[32]，或使用分子动力学方法开发[33]，[34]，[35]。它们倾向于描述SMA在晶格或晶粒级别的行为，如相核化、界面运动和马氏体孪晶生长。相反，现象学模型主要基于连续介质力学，采用能量势和内部变量来描述热机械耦合和相变[28]，[36]。一方面，现象学模型能够考虑功能疲劳[37]，[38]、大旋转[39]、大变形[40]、伪弹性[41]，[42]和复杂加载[43]，[44]，[45]等因素。另一方面，它们通常具有较高的计算效率，并且易于在有限元分析（FEA）中实现，因此在工程实践中得到广泛应用。

在这项研究中，通过实验全面探讨了SMA线束的扭曲热行为。此外，基于Lagoudas模型和细杆理论建立了热机械建模框架，以研究SMA线束的扭曲热冷却效应。根据电机的扭矩和SMA线束的平均表面温度，提出了实验与理论之间的相互验证。由于无法测量SMA线束横截面的特性，因此使用所提出的建模框架进行预测。此外，还研究了SMA制冷剂的加载极限、比体积冷却功率（SVCP）和COP_mat，其中SVCP决定了在扭曲热设备中使用SMA材料以实现指定的功率输出。这项研究有望为预测扭曲热设备的性能和优化其设计提供理论指导。

本文的其余部分组织如下。第2节介绍了用于研究SMA线束扭曲热行为的实验平台。第3节提出了用于研究SMA线束扭曲热效应的热机械建模框架，并通过实验进行了验证。第4节对SMA线束的热机械响应进行了全面分析，特别是线材横截面的特性。最后，我们在第5节概述了关键结论和未来研究的潜在方向。

节选内容

实验设置

实验旨在评估在不同扭曲密度（即单位长度的扭转次数）、扭转速度和保持时间下SMA线束的表面温度、施加的扭矩和扭曲热性能。基于SMA线束的扭曲热冷却装置如图1所示。线材的两端由两个固定器固定，并由旋转电机（由Arduino Mega控制）进行扭转。热成像相机（Fotric 288，上海热成像）用于记录过程。

SMA线束在扭转下的变形

如图2(a)所示，典型的扭曲热制冷剂由两端固定的SMA线束组成。SMA线束可能包含不同数量的小堆和层。扭转载荷使SMA线束从直线配置变形为螺旋配置，如图2(b)所示。以7根NiTi线材（外层有六根线材）的线束为例（图2(c)和2(d)），该扭曲热制冷剂是轴对称的。变形或响应

扭曲热性能

实验结果如图6所示。如图6(a)所示，温度跨度与扭曲密度成正比，在扭曲密度为0.04时，最大平均温度下降ΔT_drop达到21.8 K。材料的性能系数（COP_mat）最初定义为净冷却能力Q_{c与完整热机械加载-卸载循环中的净机械功输入W的比率，即COPmat = Qc/W。在工作共轭平面上，净}

结论

在这项研究中，建立了一个实验平台来研究在不同加载条件下扭曲SMA线束的温度演变和扭矩响应。随后，为受扭转载荷作用的SMA线束开发了弹性热效应的建模框架。该建模框架适用于非绝热和非等温加载条件，并通过实验测量的扭矩和SMA线束的平均表面温度进行了验证

CRediT作者贡献声明

阮倩婷：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、正式分析。彭华：撰写——审阅与编辑、验证、研究。周建友：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、研究、资金筹集。郑忠：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

这项工作得到了深圳市科技计划（项目编号SGDX20230116091247009）、国家自然科学基金（项目编号12102108）、深圳市发展和改革委员会（项目编号XMHT20220103004）以及广东省人才招聘计划（项目编号2021QN02G677）的支持。