Science：UCLA裴启兵教授课题组开发新型固态自我再生热泵

        全世界约20%的电力被用于空调和制冷的目的。尽管蒸汽压缩制冷（Vapor-compression cooling, VCC）技术已存在一个世纪，但仍然是被普遍使用的主动制冷技术。然而其存在低效率、噪音污染、体积庞大和温室气体泄漏等问题。全球变暖的加剧使得引入新型高效环保的制冷技术变得迫在眉睫。近年来，热电制冷技术在紧凑型和便携式制冷设备中崭露头角。然而这项技术由于性能系数（coefficient of performance, COP）较低，通常需要通过二次冷却以防止热端过热。科研人员正在探究多种热卡效应以实现高效的固态制冷。这些热卡材料在施加磁场（磁卡效应magnetocaloric）、机械应变（弹卡效应elastocaloric和压卡效应baroelectric）或电场（电卡效应electrocaloric）时，都会经历显著的可逆熵变，从而导致绝热温度变化。在这些效应中，电卡效应具有将电能直接可逆转化为热能的特点。巨电卡材料的存在以及便于施加的电场，揭示着高效率、简单集成和紧凑冷却系统的前景。

        为将热量从冷端搬运到热端，电卡材料的热力学循环必须与传热机制相耦合。此外，已知的电卡材料的稳定绝热温变（ΔT_ECE）通常只有几开尔文，远低于实际制冷设备所需的温度变化。因此，需要使用级联或再生的方式进行提高。主动热再生和级联机制往往需要与电卡热力学循环同步运行的独立泵或驱动器，这消耗了额外的能量并增加了设备体积。基于PVDF的聚合物在高电场下的电致伸缩驱动已长期被研究，并且在近期被提出可应用于热泵。

        加州大学洛杉矶分校裴启兵教授课题组发明了一种自我再生热泵（Self-Regenerative Heat Pump, SRHP），充分利用了P(VDF-TrFE-CFE)薄膜的电致伸缩形变，形成与材料的电卡循环天然同步的热传输机制，从而实现高效且紧凑的固态制冷。SRHP由六个单元级联组成，其总厚度小于6mm。每个薄膜组上的背层（backing layer）将薄膜在外部电场下的较大平面膨胀转化为规则的垂直形变和较大的下压力，以便与相邻单元成良好的热接触。当邻近单元被设定为反相工作时，热量可顺畅地从级联制冷器的一端被逐级传输到另一端。相关成果以“A self-regenerative heat pump based on a dual-functional relaxor ferroelectric polymer”为题发表在Science期刊上。加州大学洛杉矶分校博士后吴瀚翔、博士生祝媛、博士后颜文忠为共同第一作者。

图1：自我再生热泵（SRHP）的结构和工作原理

        SRHP的有效制冷面积约为4.52cm²，总厚度小于6mm。导热通路上除电卡材料外，仅有厚度为25μm的聚酰亚胺（polyimide）背层作为力学引导和电学绝缘层。利用三元聚合物材料的电卡效应和电致伸缩驱动的同时性，且令奇数和偶数编号的单元器件反相工作，可以达到级联传热的效果。器件的顶层与热源接触，底层与散热器接触。