一个思路同时发2篇Science，打破2个记录，新型制冷技术给夏天降温！

纳米技术

2020-10-13

每到炎炎夏日，我们都会想到两个人。

一个是后羿，射掉了9个太阳；另一个是Willis Haviland Carrier，现代空调系统的发明者。

据统计，全球约有20％的能耗用于制冷；到2040年，空调数量预计将翻一番。虽然，传统空调制冷器的性能得到很好的优化，但是基于蒸汽压缩的制冷系统目前存在几个严峻的问题：

1）经过100多年的发展，基于蒸汽压缩的制冷系统已达到其热力学极限。

2）目前空调系统存在严峻的能耗和环境问题。目前，占据主导地位的空调制冷技术是基于温室气体的交替压缩和膨胀循环来实现。1 Kg典型的制冷剂对地球大气温室效应的贡献相当于两吨二氧化碳，相当于一辆汽车连续运行6个月。

3）噪音很大。

因此，有必要开发新型的制冷技术。

固态电热制冷技术

其实，除了常规的压缩膨胀循环过程的冷却系统，科学家已经相继开发除了多种新型的制冷技术，包括电热制冷、磁场制冷、压力制冷却、单轴应力制冷等等。

其中，电热制冷技术就是其中的佼佼者之一。

电热制冷技术的原理是基于电热效应，通过对固体电热材料施加或者移除电场，可以分别提高或者降低材料温度。由于不用加入对环境有害/易燃冷却剂，制冷效率高，电热制冷技术正成为一种极具吸引力的制冷技术，有望用于空调、电冰箱、微型电子器件等诸多领域。

当然，电热制冷技术之所以还没能取代目前的传统制冷技术，也是因为还有一些关键问题悬而未决，其中就包括以下2个关键挑战：

1）寻找更合适的电热材料。既要保证优异的制冷效率，又要保证廉价易得。

2）设计更合适的冷却系统。以确保更大的温度跨度和制冷效果。

为此，全球科学家尝试了各种方法，并取得了大量突破性进展。譬如，2017年，加州大学洛杉矶分校裴启兵等人在柔性聚合物薄膜（碳管和聚合物复合：CNT–P(VDF-TrFE-CFE)–CNT–P(VDF-TrFE-CFE)–CNT）上进行电致冷却，实现了29.7 mW cm^-2冷却性能，冷却功率达到2.8 W/g，性能系数（COF）达到13。

Highly efficient electrocaloric cooling with electrostatic actuation, Science 2017, 357, 1130-1134. DOI: 10.1126/science.aan5980

一个思路，两种做法

2020年10月2日，Science背靠背报道了2篇研究论文，都是基于同一种电热材料电容器的改进和系统设计，为进一步突破电热制冷技术的瓶颈问题提供了新的思路。

第一篇论文来自打印机领域的龙头施乐公司（Xerox）。Yunda Wang、David Schwartz等人基于PbSc_0.5Ta_0.5O₃多层结构电热陶瓷电容器，实现了5.2 ℃系统温差，最高达到135 mW cm^-2的热流密度，该系统的热流密度是目前陶瓷多层电容器基电热冷却系统中效果最好的结果，是之前报道的29.7 mW cm^-2的~4.5倍（2.8 ℃温差）。

坦白说，要不是因为这篇Science，我还真以为施乐公司就只会做打印机和复印机了。是我孤陋寡闻了。

图1. 冷却系统构建机理

第二篇论文来自卢森堡科学技术学院。由于在电热冷却领域中，温度变化模型仍未受到关注，并且没有比较深入的研究。有鉴于此，卢森堡科学技术学院A. Torelló、E. Defay等人报道了一种基于钽钪酸铅（Pb(Sc,Ta)O₃）陶瓷多层电容器（其一级相变过程中变化剧烈）的电热冷却体系，通过有限元建模进行指导模型构建、改进隔离层，实现了13 K的最高温度差。该温度差打破了关键参数障碍，验证了电热冷却系统有望在未来的冷却系统中大放异彩。

电热冷却系统构建

施乐公司Yunda Wang等人设计的冷却系统是通过一系列堆叠单元构成，其中每个结构单元中通过保温材料将多层陶瓷电容器隔开。作者发现这种保温处理对性能的改善有较大帮助，因为其抑制了沿着温度梯度变化的热分流（这种过程是非常重要的热损失）。

图2. 冷却系统和其中的关键部件

多组模块之间形成了热耦合作用，从而热量能够在不同模块中传递，在极化电场改变的同时，热量横向在不同模块中传递，从而实现了将热量从一端搬运到另外一端。此外，作者在该体系中应用了各向异性导热板ATC（anisotropically thermally conductive），从而改善了不同层之间的热交换，同时免于横向的热泄漏。

图3. 冷却模块结构

卢森堡科学技术学院A. Torelló、E. Defay等人，则通过多层Pb(Sc,Ta)O₃电容器阵列（PST-MLCs）作为基本结构，和辅助液体流动的微量注射泵、外加电源引发电热冷却、K型导热监控体系温度。

将电热冷却系统封装在加热盒子中，对实验起始温度控制；将电热冷却系统与电源连接，因此电源能够对电热冷却系统充放电；微液流系统为未封闭循环的体系，其中一端连接泵、一端连接液体池。该系统的测试过程显示，在经历了几分钟后系统温度稳定后，冷却性能结果达到材料本征ΔT_EC的数倍。

图4. Pb(Sc,Ta)O₃电热冷却系统搭建

制冷效果

施乐公司Yunda Wang等人的研究中，作者将MLCC系统进行电热冷却Brayton循环测试，分别经历两个等电位循环、两个等熵的循环，并测试精度达到0.1 ℃的热端(T_h)、冷端(T_c)的温度。作者发现冷却功率和温度升高之间呈线性变化，在没有温度增高的条件中最高的加热功率达到~85 mW，该性能等效于~135 mW/cm²的热流，并能够对MLCC中0.63 cm²的面积进行冷却。

图4. 测试结果图

卢森堡科学技术学院A. Torelló、E. Defay等人的研究中，在系统的优化过程中，作者使用了有限元模拟方法进行优化，分别对Pb(Sc,Ta)O₃电容器降低厚度/提高长度、并且对系统结构进行调控，从而将冷却温度从1 K优化为9 K，并将冷却液从介电液体更换为水，进一步的将冷却温度优化，最终在实际测试过程中，系统的冷却温度达到13 K。冷却性能明显高于以往结果。

图2. 电热冷却系统示意图

图3. 冷却性能表征

小结

总之，这两项研究都基于钽钪酸铅（Pb(Sc,Ta)O₃）陶瓷多层电容器，对电热制冷技术带来了新的突破，一个是温度跨度的13K的突破，一个是制冷效率的突破，这无疑为电热制冷技术的进一步发展，提供了重要推动力。

参考文献：

1. Yunda Wang*, Ziyang Zhang, Tomoyasu Usui, Michael Benedict, Sakyo Hirose, Joseph Lee, Jamie Kalb, David Schwartz*

A high-performance solid-state electrocaloric cooling system, Science 2020, 370, 125-129.

DOI: 10.1126/science.aba2648

https://science.sciencemag.org/content/370/6512/129

2. A. Torelló*, P. Lheritier, T. Usui, Y. Nouchokgwe, M. Gérard, O. Bouton, S. Hirose and E. Defay*

Giant temperature span in electrocaloric regenerator, Science 2020, 370, 125-129

DOI: 10.1126/science.abb8045

https://science.sciencemag.org/content/370/6512/125