香港科技大學(xué)機(jī)械及航天工程系姚舒懷教授和孫慶平教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與合作者近日成功研制出全球首臺(tái)千瓦級(jí)彈卡固態(tài)制冷設(shè)備，這標(biāo)志著彈卡固態(tài)制冷技術(shù)在商業(yè)化應(yīng)用上邁出了關(guān)鍵一步。相關(guān)研究成果以《Achieving kilowatt-scale elastocaloric cooling by a multi-cell architecture》為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》上（2025-02-26），為應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)制冷行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供了創(chuàng)新解決方案。
**傳統(tǒng)制冷技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，彈卡制冷優(yōu)勢(shì)凸顯**隨著全球氣候變暖的加劇，空調(diào)制冷需求不斷攀升。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，制冷用電已占全球總電力消耗的20%。目前，主流的蒸氣壓縮制冷技術(shù)依賴于高全球變暖潛能值（GWP）的制冷劑，例如R410a的GWP值高達(dá)2088（以二氧化碳為基準(zhǔn)）。在此背景下，基于形狀記憶合金（SMAs）彈卡效應(yīng)的固態(tài)制冷技術(shù)因其零溫室氣體排放、高能效潛力（理論卡諾效率可達(dá)84%）而成為學(xué)界與工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，此前彈卡制冷設(shè)備的最大制冷功率約為260瓦，尚無(wú)法滿足商用空調(diào)所需的千瓦級(jí)要求。研究團(tuán)隊(duì)指出，這一瓶頸主要源于兩大核心問(wèn)題：一是制冷劑的單位質(zhì)量制冷功率（SCP）與總質(zhì)量難以兼顧；二是高頻運(yùn)行時(shí)熱傳遞效率不足。圖1.千瓦級(jí)彈卡固態(tài)制冷設(shè)備示意圖**多胞架構(gòu)突破瓶頸，石墨烯納米流體增效**針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了“材料串聯(lián)-流體并聯(lián)”的多胞架構(gòu)設(shè)計(jì)。該架構(gòu)將10個(gè)彈卡制冷單元沿受力方向串聯(lián)，每個(gè)單元包含4根薄壁鎳鈦合金管，總質(zhì)量達(dá)104.4克。鎳鈦管的高表面積體積比（7.51 mm-1）顯著提升了熱交換效率，而并聯(lián)流體通道設(shè)計(jì)則將系統(tǒng)壓力控制在1.5 bar以下，確保了高頻穩(wěn)定運(yùn)行。 另一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新是采用石墨烯納米流體替代傳統(tǒng)蒸餾水作為傳熱介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)顯示，濃度為2克/升的石墨烯納米流體的導(dǎo)熱性能較蒸餾水提升了50%。其納米顆粒直徑（0.8微米）遠(yuǎn)小于流體通道寬度（150-500微米），從而避免了堵塞風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)X射線斷層掃描證實(shí)，在950兆帕應(yīng)力下，鎳鈦管仍保持均勻壓縮形變，未發(fā)生屈曲失效。圖2.千瓦級(jí)彈卡固態(tài)制冷設(shè)備組裝和運(yùn)行。**高頻運(yùn)行刷新紀(jì)錄，實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證效能**在3.5赫茲的高頻運(yùn)行條件下，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了12.3 W/g的單位質(zhì)量制冷功率，總制冷功率達(dá)到1284瓦（零溫升條件）。即便在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)10K溫升條件下，其能效比（COP）仍可達(dá)0.9，外熱效率（exergy efficiency）為3.1%。為驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用能力，研究團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)2.7立方米的模型房屋。在夏季室外溫度為30-31℃的環(huán)境下，該設(shè)備約15分鐘即將室內(nèi)溫度穩(wěn)定在21-22℃。圖3.3.5Hz下，千瓦級(jí)彈卡固態(tài)制冷設(shè)備制冷性能。**技術(shù)對(duì)比與未來(lái)展望**與現(xiàn)有固態(tài)制冷技術(shù)相比，該設(shè)備在制冷功率與溫升綜合性能上處于領(lǐng)先地位。其SCP值（12.3 W/g）遠(yuǎn)超液體傳熱彈卡設(shè)備的原紀(jì)錄（4.4 W/g），且首次突破了千瓦級(jí)制冷門檻。研究團(tuán)隊(duì)指出，未來(lái)可通過(guò)開發(fā)新型彈卡材料（如CuAlZn、NiFeGaCo合金）、采用液態(tài)金屬傳熱介質(zhì)（如鎵銦錫合金）以及優(yōu)化旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。圖4.千瓦級(jí)彈卡固態(tài)制冷設(shè)備應(yīng)用
**推動(dòng)綠色制冷革命，助力碳中和目標(biāo)**研究負(fù)責(zé)人姚舒懷教授和孫慶平教授表示：“這項(xiàng)成果證明了彈卡制冷技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用潛力。我們正在與產(chǎn)業(yè)界合作，積極推進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程。”隨著全球?qū)浞蓟铮℉FCs）的管控日益嚴(yán)格，這項(xiàng)零排放、低能耗的制冷技術(shù)有望重塑空調(diào)行業(yè)格局，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。此項(xiàng)研究獲得了香港政府研究資助局STG及GRF項(xiàng)目、香港政府科創(chuàng)局項(xiàng)目、深圳市政府科創(chuàng)委深港合作項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的重點(diǎn)支持。相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)際專利，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在加速推進(jìn)。https://www.nature.com/articles/s41586-024-08549-9
