薛明军 刘腾达

摘 要： 彈热固体制冷具有可逆温度变化范围较大，材料也相较磁热材料更便宜的优点，在精密电子元件等行业具有很好的发展前景，本文通过专利分析对基于弹热效应的固体制冷的技术做了介绍，并指出了其主要研究方向。

关键词： 弹热固体制冷;专利申请;专利分析

制冷是人类对环境温湿度进行调节的重要技术，自1902年美国人开利发明空调以来，制冷技术已经经过了200多年的长足发展，产生了多种制冷方式，如蒸汽压缩制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、热电制冷等，然而传统的蒸汽压缩制冷体积庞大，且其使用的氟利昂制冷剂会导致大气臭氧层空洞，而吸收式制冷、吸附式制冷、热电制冷等制冷方式效率较低，并不满足需求，此外，现在的精密电子元件也在向高集成度、小型化、高性能的方向发展，对电子元器件的散热需求也越来越高，而固体制冷器能非常方便地集成到电子元器件系统中，同时存在制冷温度范围广、制冷效果好的优点，因此，固体制冷已成为对电子芯片等高精密行业的一种有效的制冷方式。

现有的固体制冷也存在多种方式，最常见的是基于磁热效应的固体制冷方式，其原理是基于磁场的变化使磁热材料吸收或释放热量从而达到制冷效果，然而该制冷防止的可逆温度变化较小，制冷效率较低，其具体应用的场景受限，而基于弹热效应的固体制冷是一种新兴的制冷方式，其可逆温度变化范围较大，材料也相较磁热材料更便宜，有很大的改进空间。然而相较于其他传统的制冷方式发展了200多年的历史，已经非常成熟，基于弹热效应的固体制冷近年才出现，据不完全统计，第一件专利申请于2012年才由美国人提出，美国马里兰大学提出了一件名称为《热弹性冷却》[1]的专利申请，此后的2014年该校又提出了一件名称为《固体制冷或制热系统、装置和方法》[2]的专利申请，详细介绍了一种基于弹热效应的固体制冷装置和方法。

1 国内弹热固体制冷技术专利概况

国内也对基于弹热效应的固体制冷方式做了一些研究，西安交通大学于2016年提出了一件名称为《主动回热式弹热冷却系统》[3]的专利申请，并在此基础上作了进一步的研究，湘潭大学于2016年也在国内提出了两件名称分别为《一种基于铁电薄膜正负弹热效应的固体制冷器》[4]和《一种基于铁电薄膜畴结构的新型弹热固体制冷器》的专利申请，详细阐述了基于弹热效应的固体制冷器，并对固体制冷器核心部件的材料做了进一步的研究。而其他的申请人也对固体制冷方式做了一些研究，主要对其材料的改进做了大量的研究，如中国科学院宁波材料技术与工程研究所于2016年提出了一件《Ni2FeGa类应力制冷材料及其制备方法与应用》[5]的专利申请，哈尔滨工业大学于2017年提出了一件名称为《高弹热效应的镍锰镓合金及其制备方法》[6]的专利申请。

据不完全统计，共检索到涉及弹热固体制冷技术的国内专利12篇，其中7篇涉及弹热固体制冷装置，5篇涉及弹热制冷材料的制备方法。制冷装置方面，西安交通大学申请3篇专利，湘潭大学申请2篇专利，中国科学院理化技术研究所和西安电子科技大学分别申请一篇专利;材料制备方面，哈尔滨工业大学申请3篇专利，中国科学院宁波材料技术与工程研究所申请2篇专利，如图1所示。从图1可以看出，弹热固体制冷的申请人主要是高校和科研院所，主要是制冷装置以及弹热制冷材料的改进，还处于研究阶段。

2 弹热固体制冷技术专利简介

美国专利“固体制冷或制热系统、装置和方法”

美国马里兰大学是较早研究弹热效应固体制冷的研究机构，且其已经成功研制出了基于弹热效应的固体制冷原型机，对该技术进行了深入的研究，具有较强的实用意义，具体到该专利，其技术方案为：

一种基于布雷顿循环的弹热制冷系统，包括两个并列设置的第一弹热模块404和第二弹热模块406，对弹热模块施加压力使其压缩或不施加压力使其拉伸恢复原形的加载设备410，分别对第一弹热模块404或第二弹热模块406进行热量较好的流体网络414a和414b，流体网络414a和414b分别设有换热器Th和Tc与第一弹热模块404或第二弹热模块406进行换热，以及控制器412，用于控制加载设备的运动方向以改变应力。当加载设备410对第一弹热模块404施加压力使第一弹热模块404压缩，而第二弹热模块406的压力卸载而处于拉伸状态时，第一弹热模块404向环境散热并加热换热器Th，而第二弹热模块406向环境吸热并对换热器Tc进行冷却;而当加载设备410对第弹热模块404卸载压力使第一弹热模块404拉伸，而对第二弹热模块406的加载压力使其处于压缩状态时，第一弹热模块404向环境吸热并冷却换热器Th，而第二弹热模块406向环境散热并对换热器Tc进行加热，从而周期性的产生制冷和加热效果。

此外，该专利还对弹热模块的材质和结构进行了一些研究，其横截面为正方形或矩形或六边形的管，可以为形状记忆合金结构等等，也对弹热模块如何提高换热性能做了进一步的研究。

中国专利“一种主动回热式弹热制冷系统”

西安交通大学是国内较早研究弹热效应固体制冷的研究机构，对固体制冷装置的改进做出了大量的工作，具体到该专利，其技术方案为：

如图3所示，该系统包含至少两个由记忆合金填充或由记忆合金构成的第一床101和第二床102，床同时也是回热器，一个高温侧流体的高温换热器103，一个低温侧流体的低温换热器104，一个可往复流动的热交换流体网络105，至少一个提供床内流体往复流动的流体驱动装置106，如双向泵，一个机械驱动两个记忆合金床（回热器）相变的驱动装置107，如曲柄连杆装置，以及系统用于传递加载力的机架108;当曲柄连杆装置中连杆向上运动时，第一记忆合金回热器即第一床101被加载，由奥氏体转变为马氏体，合金温度升高，并向热交换流体排热，在该回热器中热交换流体自低温侧流向高温侧，同时完成向高温热汇的排热、回热器内部回热、从低温侧低温流体回热等传热过程;与此同时，由于连杆向上移动，第二记忆合金回热器即第二床102被卸载至无应力自由状态，由马氏体变回奥氏体，合金温度下降，从热交换流体吸热制冷，在该回热器中热交换流体从高温侧流向低温侧，同时完成向低温热源的吸热、回热器内部回热、从高温侧高温流体回热等传热过程。而当曲柄连杆装置中连杆向下运动时，第一记忆合金回热器即第一床101被卸载，第二记忆合金回热器即第二床102被加载额过程。在此过程中，相比上半个周期，第一床101和第二床102的相变、传热、回热关系对调，因此需要热交换流体流动反向，并且流体驱动装置106可以反向提供驱动。

3 结语

从上述专利可以看出，目前，国内弹热固体制冷技术的研究主体主要为科研院所，还处于初步研究阶段，国内企业对此项技术的研究还比较欠缺，距离大规模推广使用还有很长的路要走。此外，还可以看出，目前国内弹热固体制冷技术的研究方向主要为：（1）弹热制冷材料的改进，寻找一种弹热性能好，温度变化范围大的弹热制冷材料是目前的主要研究方向。（2）换热效率的提升，制冷装置中弹热装置结构的改进以与换热器进行换热，提高换热效率。

参考文献：

[1]热弹性冷却.美国马里兰大学，CN102778075A，2012.

[2]固体制冷或制热系统、装置和方法.美国马里兰大学，US2016084544A1，2016.

[3]主动回热式弹热冷却系统.西安交通大学，CN106052190A，2016.

[4]一种基于铁电薄膜正负弹热效应的固体制冷器.湘潭大学，CN107328137A，2017.

[5]Ni2FeGa类应力制冷材料及其制备方法与应用.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，CN106148765A，2016.

[6]高弹热效应的镍锰镓合金及其制备方法.哈尔滨工业大学，CN106906403A，2017.

作者简介： 薛明军（1988—），男，助理研究员，主要从事专利审查工作。第二作者刘腾达对本文的贡献等同于第一作者。