編輯總結(jié)
電致冷材料可以通過電場誘發(fā)的相變來泵送熱量。然而，設(shè)計能夠保持大溫差的設(shè)備具有挑戰(zhàn)性。本文設(shè)計了一種熱泵，使用在電場下也會變形的鐵電聚合物層。通過多個聚合物薄膜堆疊的級聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效的熱傳遞，達(dá)到了14K的溫度差。這種冷卻不需要流體或其他增加系統(tǒng)復(fù)雜性的策略。——Brent Grocholski
研究背景
電致冷（EC）冷卻提供了一種高效且緊湊的固態(tài)熱泵的前景。然而，現(xiàn)有的EC冷卻器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和有限的冷卻溫升。在本研究中，美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校裴啟兵教授團(tuán)隊介紹了一種自我再生熱泵（SRHP），該熱泵使用級聯(lián)的電致冷聚合物薄膜堆疊，這些薄膜在電場作用下表現(xiàn)出電致伸縮效應(yīng)，以實現(xiàn)高效的熱傳遞，消除了對額外運(yùn)輸或再生機(jī)制的需求。SRHP在30秒內(nèi)實現(xiàn)了低于環(huán)境溫度8.8開爾文的冷卻，并提供了最高1.52瓦每克的特定冷卻功率。SRHP的溫度提升達(dá)到14.2開爾文。這些結(jié)果突顯了這種緊湊固態(tài)冷卻機(jī)制在滿足日益增長的局部熱管理需求方面的潛力。
研究亮點
（1）本研究首次提出自我再生熱泵（SRHP）概念，利用鐵電聚合物P(VDF-TrFE-CFE)的電致伸縮變形實現(xiàn)有效熱傳遞。通過級聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，SRHP能夠在電場作用下將熱量從冷端傳輸至熱端，實現(xiàn)緊湊型的固態(tài)冷卻。（2）實驗通過六個聚合物薄膜堆疊的級聯(lián)架構(gòu)，成功實現(xiàn)了14.2K的溫度提升，達(dá)到8.8K的冷卻效果，并在30秒內(nèi)完成冷卻過程，顯示出優(yōu)越的冷卻能力。每個薄膜堆疊的背板設(shè)計有效地將面內(nèi)膨脹轉(zhuǎn)換為面外變形，增強(qiáng)了與相鄰薄膜的熱接觸，提升了整體熱傳遞效率。（3）此外，SRHP的設(shè)計消除了對額外泵或致動器的需求，減少了能耗和設(shè)備體積。該裝置的最大特定冷卻功率為1.52瓦每克，展示了在緊湊型冷卻解決方案中的廣泛應(yīng)用潛力。
圖文解讀
圖1. 自再生式熱泵self-regenerative heat pump，SRHP的體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制。圖2: 電卡Electrocaloric，EC效應(yīng)和電致伸縮的單元裝置工作機(jī)制。圖3: 自再生式熱泵SRHP的冷卻溫度T和熱通量測量。圖4: 確定自再生式熱泵SRHP的最佳運(yùn)行參數(shù)。
結(jié)論展望
SRHP將聚（氟化乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）的受控電致伸縮變形與聚合物的電致冷加熱-冷卻循環(huán)相結(jié)合，展示了緊湊的固態(tài)冷卻特性。聚合物薄膜的PI背板有效地將面內(nèi)致動轉(zhuǎn)換為大面外變形，并提供高阻擋力，從而與相鄰堆疊形成良好的熱接觸。相鄰電致冷薄膜堆疊之間的直接熱接觸使得熱傳遞路徑中所需的寄生材料最少。在相鄰階段之間的簡單反相操作實現(xiàn)了級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的自我再生熱傳輸。該六單元SRHP達(dá)到了最大冷卻溫度8.8K和172mW/cm2的熱流。此外，SRHP在達(dá)到最大冷卻溫度時具有30秒的低時間常數(shù)，使其在對時間有要求的便攜式應(yīng)用中具有優(yōu)勢，包括在高峰操作中對電子設(shè)備的主動冷卻以及在極端高溫事件中對人體的冷卻。熱量損失到周圍空氣中是相當(dāng)大的，特別是在SRHP的冷端，溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度。提高活性材料的熱導(dǎo)率并將其與級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的環(huán)境空氣絕緣應(yīng)能顯著提高最大冷卻溫度和冷卻功率。在冷卻溫度為7.4K時，SRHP的性能系數(shù)（COP）為10.1，通過三對薄膜堆疊之間的能量回收進(jìn)行調(diào)節(jié)。本研究介紹了一種可擴(kuò)展的電致冷聚合物薄膜及薄膜堆疊的制造工藝，這是實現(xiàn)高設(shè)備制造產(chǎn)率和性能的關(guān)鍵。Hanxiang Wu et al. , A self-regenerative heat pump based on a dual-functional relaxor ferroelectric polymer. Science 386, 546-551 (2024).DOI:10.1126/science.adr2268https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr2268
