扭热制冷的发展：从原理到应用

范满; 李正; 李世泽; 李太禄; 孔祥飞; 李晗; 张寅

doi:10.12465/issn.0253-4339.20260311001

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扭热制冷的发展：从原理到应用

XXXX | 更新时间：2026-07-15

- 扭热制冷的发展：从原理到应用
- Advances in Twistocaloric Cooling： From Fundamentals to Applications
- 制冷学报 2026年页码：1-12
- 作者机构：
  
  1.河北工业大学能源与环境工程学院天津 300301
  2. 自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所天津 300192
- 作者简介：
  
  孔祥飞，男，教授，河北工业大学能源与环境工程学院，022-60435279，E-mail：xfkong@hebut.edu.cn。研究方向：热环境调控技术。
- 基金信息：
- DOI：10.12465/issn.0253-4339.20260311001
  中图分类号： TB61⁺1;TB64
- 收稿：2026-03-11，
  
  修回：2026-04-23，
  
  录用：2026-05-06，
  
  网络首发：2026-07-15，
- 稿件说明：
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范满，李正，李世泽，等. 扭热制冷的发展：从原理到应用［J］. 制冷学报，XXXX，XX（XX）：1-12.

Fan Man，Li Zheng，Li Shize，et al. Advances in Twistocaloric Cooling： From Fundamentals to Applications［J］. Journal of Refrigeration，XXXX，XX（XX）：1-12.
范满，李正，李世泽，等. 扭热制冷的发展：从原理到应用［J］. 制冷学报，XXXX，XX（XX）：1-12. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20260311001.

Fan Man，Li Zheng，Li Shize，et al. Advances in Twistocaloric Cooling： From Fundamentals to Applications［J］. Journal of Refrigeration，XXXX，XX（XX）：1-12. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20260311001.

摘要

本文系统综述了新兴的扭热制冷技术，该技术通过加捻与解捻驱动材料发生可逆微观结构变化，展现出高效固态制冷的潜力。文章首先阐明扭热效应的制冷机理及数学模型，厘清其获得高熵变与高热力学效率的内在机理；其次围绕扭转程度、扭转速度、环境温度及材料几何参数等关键调控参数开展影响规律分析，构建以迟滞损耗、制冷系数、疲劳寿命为评价指标的综合评价体系。依托上述理论框架，梳理天然橡胶、高分子聚合物、镍钛形状记忆合金等主流工质的现有研究成果，证实扭热制冷可产生可观绝热温变，同时兼具高制冷系数、低滞后损耗、长循环服役寿命等综合优势。最后，展望了扭热制冷在微型电子冷却、绿色制冷等领域的应用潜力，点明“以扭代拉” 的创新技术方案对推动固态制冷发展的重要价值。

Abstract

This study provides a systematic review of the emerging twistocaloric cooling technology， which shows significant potential for the applications in high-efficiency solid-state refrigeration by driving reversible microstructural changes via twisting and untwisting. Firstly， the mechanism and mathematical models for refrigeration by the twistocaloric effect are elucidated， revealing the principles for realizing a high entropy change and thermodynamic efficiency. Subsequently， the influences of key factors， including the twist degree and rate， ambient temperature， and geometric parameters of the material， are analyzed， and a comprehensive evaluation system focused on the hysteresis effects， coefficient of performance （COP）， and fatigue life is established. Based on the analyses， the research progress of materials like natural rubber， polymers， and NiTi shape memory alloys are reviewed in detail， verifying that twistocaloric cooling yields significant temperature changes while offering the integrated advantages， e.g.， a high COP and low hysteresis and an excellent cyclic stability. Finally， the application potentials of twistocaloric cooling in fields such as the microelectronic cooling and green refrigeration are discussed， indicating the critical value of the "twist-instead-of-stretch" technical pathway in advancing the development of solid-state refrigeration.

关键词

Keywords

references

International Energy Agency . The Future of Cooling ［R］. Paris ： IEA ， 2018 .

Ustaoglu A ， Kursuncu B ， Alptekin M ， et al . Performance optimization and parametric evaluation of the cascade vapor compression refrigeration cycle using Taguchi and ANOVA methods ［J］. Applied Thermal Engineering ， 2020 ， 180 ： 115816 .

McLinden M O ， Seeton C J ， Pearson A . New refrigerants and system configurations for vapor-compression refrigeration ［J］. Science ， 2020 ， 370 （ 6518 ）： 791 - 796 .

Coulomb D ， Dupont J L ， Morlet V . The impact of the refrigeration sector on climate change-35. Informatory note on refrigeration technologies ［R］. Paris ： IIR ， 2017 .

Lu Binfeng ， Liu Jian . Mechanocaloric materials for solid-state cooling ［J］. Science Bulletin ， 2015 ， 60 （ 19 ）： 1638 - 1643 .

Mañosa L ， Planes A ， Acet M . Advanced materials for solid-state refrigeration ［J］. Journal of Materials Chemistry A ， 2013 ， 1 （ 16 ）： 4925 - 4936 .

曹海山 . 热电制冷技术进展与展望［J］. 制冷学报， 2022 ， 43 （ 4 ）： 26 - 34 .

Cao Haishan . Progress and prospect of thermoelectric refrigeration ［J］. Journal of Refrigeration ， 2022 ， 43 （ 4 ）： 26 - 34 .

宋睿琪，张志东，李昺 . 压卡制冷材料及技术的现状与展望［J］. 制冷学报， 2022 ， 43 （ 4 ）： 35 - 43 .

Song Ruiqi ， Zhang Zhidong ， Li Bing . Status and prospect of barocaloric materials and refrigeration technology ［J］. Journal of Refrigeration ， 2022 ， 43 （ 4 ）： 35 - 43 .

Sun Ying ， An Shihai ， Gao Yihong ， et al . Materials with the barocaloric effect for solid-state refrigeration ［J］. Journal of Materials Chemistry A ， 2025 ， 13 （ 9 ）： 6152 - 6175 .

Wang Y ， Liu Y ， Xu S ， et al . Towards practical elastocaloric cooling ［J］. Communications Engineering ， 2023 ， 2 （ 1 ）： 79 .

陈炎亮，王尧，孙文，等 . 基于镍钛片的弹热冰箱设计与仿真研究［J］. 制冷学报， 2022 ， 43 （ 4 ）： 59 - 68 .

Chen Yanliang ， Wang Yao ， Sun Wen ， et al . Design and simulation of elastocaloric refrigerator based on Ni-Ti plate ［J］. Journal of Refrigeration ， 2022 ， 43 （ 4 ）： 59 - 68 .

Ossmer H ， Lambrecht F ， Gültig M ， et al . Evolution of temperature profiles in TiNi films for elastocaloric cooling ［J］. Acta materialia ， 2014 ， 81 ： 9 - 20 .

Qian Suxin ， Catalini D ， Muehlbauer J ， et al . High-performance multimode elastocaloric cooling system ［J］. Science ， 2023 ， 380 （ 6646 ）： 722 - 727 .

Kabirifar P ， Žerovnik A ， Ahčin Ž ， et al . Elastocaloric cooling： state-of-the-art and future challenges in designing regenerative elastocaloric devices ［J］. Strojniški Vestnik-Journal of Mechanical Engineering ， 2019 ， 65 （ 11/12 ）： 615 - 630 .

Bruederlin F ， Bumke L ， Chluba C ， et al . Elastocaloric cooling on the miniature scale： a review on materials and device engineering ［J］. Energy Technology ， 2018 ， 6 （ 8 ）： 1588 - 1604 .

Sebald G ， Lombardi G ， Coativy G ， et al . High-performance polymer-based regenerative elastocaloric cooler ［J］. Applied Thermal Engineering ， 2023 ， 223 ： 120016 .

Qian Suxin . Thermodynamics of elastocaloric cooling and heat pump cycles ［J］. Applied Thermal Engineering ， 2023 ， 219 ： 119540 .

Quarini J ， Prince A . Solid state refrigeration： cooling and refrigeration using crystalline phase changes in metal alloys ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science ， 2004 ， 218 （ 10 ）： 1175 - 1179 .

Cui Jun ， Wu Yiming ， Muehlbauer J ， et al . Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large ΔT using NiTi wires ［J］. Applied Physics Letters ， 2012 ， 101 （ 7 ）： 073904 .

Mevada H ， Liu Boyang ， Gao Lei ， et al . Elastocaloric cooling： a pathway towards future cooling technology ［J］. International Journal of Refrigeration ， 2024 ， 162 ： 86 - 98 .

Zhou Guoan ， Zhang Lingyun ， Li Zexi ， et al . Achieving kilowatt-scale elastocaloric cooling by a multi-cell architecture ［J］. Nature ， 2025 ， 639 （ 8053 ）： 87 - 92 .

Goetzler W ， Zogg R ， Young J ， et al . Energy savings potential and RDD opportunities for non-vapor-compression HVAC technologies ［J］. Navigant Consulting Inc. ， prepared for US Department of Energy， 2014 ， 199 .

Dong Xingkun ， Jiang Xiangjun ， Li Peng . An efficient low-grade thermal energy dual-driven elastocaloric cooling system： Thermodynamic cycle analysis， economic and sustainability assessment ［J］. Energy Conversion and Management ， 2025 ， 324 ： 119310 .

Chen Junyu ， Lei Liping ， Fang Gang . Elastocaloric cooling of shape memory alloys： a review ［J］. Materials Today Communications ， 2021 ， 28 ： 102706 .

Hou Huilong ， Qian Suxin ， Takeuchi I . Materials， physics and systems for multicaloric cooling ［J］. Nature Reviews Materials ， 2022 ， 7 （ 8 ）： 633 - 652 .

Wang Run ， Fang Shaoli ， Xiao Yicheng ， et al . Torsional refrigeration by twisted， coiled， and supercoiled fibers ［J］. Science ， 2019 ， 366 （ 6462 ）： 216 - 221 .

Qian Suxin ， Geng Yunlong ， Wang Yi ， et al . A review of elastocaloric cooling： Materials， cycles and system integrations ［J］. International Journal of Refrigeration ， 2016 ， 64 ： 1 - 19 .

Ahčin Ž ， Dall'Olio S ， Žerovnik A ， et al . High-performance cooling and heat pumping based on fatigue-resistant elastocaloric effect in compression ［J］. Joule ， 2022 ， 6 （ 10 ）： 2338 - 2357 .

Xiao Yicheng ， Mei Guangkai ， Feng Danyang ， et al . Elastocaloric heat pump by twist induced periodical non-linear stress for low hysteresis and high Carnot efficiency ［J］. Advanced Materials ， 2024 ， 36 （ 46 ）： 2407009 .

Holzapfel G A ， Simo J C . Entropy elasticity of isotropic rubber-like solids at finite strains ［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering ， 1996 ， 132 （ 1/2 ）： 17 - 44 .

Guyomar D ， Li Yang ， Sebald G ， et al . Elastocaloric modeling of natural rubber ［J］. Applied Thermal Engineering ， 2013 ， 57 （ 1/2 ）： 33 - 38 .

Mei Guangkai ， Li Jiatian ， Feng Danyang ， et al . Twistocaloric modeling of elastomer fibers and experimental validation ［J］. Macromolecular Rapid Communications ， 2023 ， 44 （ 23 ）： 2300275 .

Zhao Haibo ， Wu Kun . Experimental and numerical investigation of the transient thermal characteristics of twisted nitinol wires in a continuous torsional refrigeration system ［J］. PLoS One ， 2022 ， 17 （ 11 ）： e0277415 .

Zhou Xiang ， Fang Shaoli ， Leng Xueqi ， et al . The power of fiber twist ［J］. Accounts of Chemical Research ， 2021 ， 54 （ 11 ）： 2624 - 2636 .

Wang Run ， Zhou Xiang ， Wang Weichao ， et al . Twist-based cooling of polyvinylidene difluoride for mechanothermochromic fibers ［J］. Chemical Engineering Journal ， 2021 ， 417 ： 128060 .

Xie Zhongjian ， Sebald G ， Guyomar D . Temperature dependence of the elastocaloric effect in natural rubber ［J］. Physics Letters A ， 2017 ， 381 （ 25/26 ）： 2112 - 2116 .

杨萌，刘斌，朱宗升，等 . 不同温度下天然橡胶扭拉热效应分析［J］. 制冷学报， 2022 ， 43 （ 1 ）： 11 - 17 .

Yang Meng ， Liu Bin ， Zhu Zongsheng ， et al . Analysis of torsional tensile thermal effect of natural rubber at different temperatures ［J］. Journal of Refrigeration ， 2022 ， 43 （ 1 ）： 11 - 17 .

Zheng Jiaxing ， Li Zeyi ， Lv Chao ， et al . Twistocaloric effect versus elastocaloric effect in shape memory alloys for low-force mechanocaloric design ［J］. Journal of Physics D： Applied Physics ， 2025 ， 58 （ 7 ）： 075503 .

王美林，崔展鹏，刘时勇，等 . 捻曲纤维的新进展［J］. 高分子通报， 2023 ， 36 （ 9 ）： 1101 - 1119 .

Wang Meilin ， Cui Zhanpeng ， Liu Shiyong ， et al . New progress in twisted fibers ［J］. Polymer Bulletin ， 2023 ， 36 （ 9 ）： 1101 - 1119 .

滕昊霖 . 基于螺旋型纤维/纱线扭转弹热效应的研究与应用［D］. 天津：天津工业大学， 2022 .

Teng Haolin . Research and application of torsional elasto-thermal effect based on spiral fiber/yarn ［D］. Tianjin ： Tianjin Polytechnic University ， 2022 .

Feng Danyang ， Xiao Yicheng ， Wang Ge ， et al . High cycle-life twistocaloric cooling of poly-p-phenylene benzodioxole fibers ［J］. Macromolecular Rapid Communications ， 2023 ， 44 （ 23 ）： 2300318 .

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