做「空調」是門大學問，一天2篇《Science》

迄今為止，全球約有20%的能源被製冷消耗。據估計，空調機組的數量到2040年將翻一番。因此，發展高效率且環境友好的新型能源系統是解決全球變暖和促進自然資源可持續利用的首要問題。傳統的基於汽化壓縮的製冷系統經過100年的發展，已經逼近了熱力學極限。更加糟糕的是，它們排放了大量的溫室氣體，且噪音較大。

熱材料（caloric materials）在受外界刺激下（如磁場、電場、拉伸或是壓力等）相變時會產生大的熵變，在下一代製冷技術領域潛力巨大（相關介紹：「橡皮筋」做空調？先後登上Nature/Science的製冷新策略）。

在壓力作用下，彈性熱材料能夠改變溫度，有望推動下一代製冷技術的發展

電熱效應：當電場施加在電介質上或從電介質移除,電介質會經歷等溫熵變或絕熱溫度變化。相較於磁場，電場的構建更簡單，成本更低廉，因而更受歡迎。此外，電熱材料可以通過能量回收，提高的性能係數（coefficient of performance, COP）而備受關注。然而，相較於溫度跨度大多超過10 K的磁熱或是彈性熱材料，電熱材料的溫度跨度一直較低，缺乏競爭性。

01 流體熱傳導，打破電熱材料製冷關鍵壁壘

剛剛，盧森堡科學技術學院的A. Torelló和E. Defay等人合作，設計製備了一種基於鉭酸鉛鈧多層電容器的平行板式有源電熱再生器。在使用有限元模型指導優化結構設計並顯著提高保溫性能後，獲得了13.0 K的最高溫度跨度。這個溫度跨度打破了一個關鍵的障礙，並證實了電熱材料在製冷應用方面有著巨大潛力。該研究以題為「Giant temperature span in electrocaloric regenerator」的論文發表在最新一期的《Science》上。

作者遵循了主動再生的原則來設計電熱製冷器件。在基於低本徵熱變化材料的熱泵中，主動再生十分常見，因為它允許器件顯示器件熱側與冷側之間的溫差（∆Tspan）大於材料的絕熱電熱溫差變化（∆TEC）。這兩個溫差之間的對應比值被定義為再生因子（regeneration factor）。流體冷卻器的主動再生原則要求有熱材料是多孔的，以便冷卻液可以來回流動。此外，由於在組件上施加均勻電池易於實現，因此採用了平行板結構。

通過將Pb(Sc,Ta)O3多層電容器、用於排出流體的注射泵、觸發電熱效應的電源以及用於檢測溫度的K型熱電偶相集成，作者構建了一個電熱再生器（圖1A）。流體系統包括一個非封閉的單迴路，其中再生器的一端連接到注射泵，另一端連接到未密封的儲液器。作業系統(圖1B)由四步循環組成，前兩步和後兩步同時發生，以模擬類似Ericsson-Brayton的循環。

1、 給電熱電容器充電，利用電熱效應提高其溫度。

2、 激活流體運動，將產生的額熱量運輸到器件的另一端。

3、 對電熱電容器放電，由於電熱效應，溫度降低。

4、 逆轉流體的運動方向，將冷卻後的液體傳輸到另一端。

該循環重複多次後，便能夠在有源電熱再生器中形成穩定的溫度梯度，從而導致∆Tspan比材料的∆TEC大數倍。

圖1 有源電熱再生器實驗設計

在初次實驗中，作者使用了15個0.9 mm厚的多層電容器，排成三列五行的矩陣，產生的最大∆TEC為2.2 K，再生因子為0.45（圖2A）。隨後，作者採用有限元數值模擬對器件的結構進行了優化（圖1C），以尋求更大的∆TEC（圖2B）。模擬結果顯示，在初次設計中，不可活動的結構部分充當了熱阱，吸收了相當可觀的熱量，從而降低了整體性能。因此需要在保持隔熱的同時儘量減少再生器的結構部件。當從模型中移除多餘結構部件後，獲得了2 K的∆Tspan（圖2B，橘色方塊）。通過對多層電熱器的厚度進行優化，從0.9 mm減少至0.5 mm，模型的∆Tspan達到了4 K。通過提升多層電容器的列數，使得溫度梯度的鬆弛更加困難，獲得了9 K的∆Tspan（圖2B，綠色方塊）。最後將流體替換為水，∆Tspan提升了20%，且周期縮短一半（圖2B，藍色方塊與星星）。

圖2 模擬結果

在根據模擬結果對器件結構進行優化之後，作者在15.8 V μm-1的外加場強下，研究了初始溫度Ts對∆TEC的影響（圖3A）。觀察到在38℃下獲得最大為2.3 K的∆TEC。在25℃以下，∆TEC開始下降並在10℃達到了0.6 K。在18到25℃之間，∆TEC呈現出明顯的不對稱行為，可以歸因於其電場開關（即加熱與製冷）狀態下不同振幅。在初始溫度為30℃時，作者研究了電場對∆TEC的影響。在施加700 V的電場下，材料的∆TEC為2.37 K。在對優化後的器件持續運行1500 s後，作者測出了13.0 K的最大∆Tspan（圖3C）。在此條件下，多層電容器顯示出的∆TEC為2.2 K，再生因子為5.9。測量出的∆Tspan比初次設計的器件高出一個數量級，且顯著高於其他同類（圖3D）。

圖3 實驗數據

總結：作者設計製備了一種基於鉭酸鉛鈧多層電容器的平行板式有源電熱再生器。在使用有限元模型指導優化結構設計並顯著提高保溫性能後，獲得了13.0K的最高溫度跨度，證實了電熱材料在製冷應用方面有著巨大潛力。

02 高性能固態電熱冷卻系統

許多現代計算機技術的誕生地，施樂帕克研究中心的 Wang Yunda、David Schwartz等人僅使用固體材料和冷卻風扇即可從設備中散熱，從而獲得非常大的熱通量。該工作報導了一種可大規模生產的高性能系統架構，在PbSc0.5Ta 0.5O3多層陶瓷電容器，獲得了5.2°C的溫度跨度，最大熱通量達到每平方釐米135毫瓦，是常規電熱製冷原型的4倍，創陶瓷多層電容器中最高記錄。

兩個關鍵：

採用模塊化的級聯自再生架構，具有低熱損耗。

要點一：每個模塊包含一個多層陶瓷電容器製冷器件，並且用絕緣材料隔離。相對於連續有源蓄熱器，包含絕緣材料是該設計的關鍵改進，因為它會中斷沿溫度梯度的熱分流，這是造成損耗的主要根源。模塊被熱耦合，使得熱量容易從一個傳遞到另一個。當極化電場同步切換時，它們彼此相對橫向移動（圖1C）。這樣，我們在設備的兩端之間產生了一個比MLCC絕熱溫度變化更大的溫升

要點二：另一個關鍵的設計創新是使用各向異性導熱板ATC（由玻璃增強環氧樹脂（FR-4）層壓板和商用印刷電路板製造）來增強層之間的熱交換，同時保持較低的橫向熱洩漏。

EC系統的模塊化設計

關鍵組件：在一端連接了一個微型風扇，以使空氣流過熱端散熱器。

EC冷卻器和關鍵組件。

總之，通過系統設計，獲得了5.2°C的溫度跨度，最大熱通量達到每平方釐米135毫瓦，是常規電熱製冷原型的4倍，創陶瓷多層電容器中最高記錄。

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

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

來源：高分子科學前沿

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