Nature：全球首台！千瓦级弹卡固态制冷设备问世，为绿色制冷技术开辟新路径
纳米人
2025-03-06
香港科技大学机械及航天工程系姚舒怀教授和孙庆平教授带领的团队与合作者近日成功研制出全球首台千瓦级弹卡固态制冷设备，这标志着弹卡固态制冷技术在商业化应用上迈出了关键一步。相关研究成果以《Achieving kilowatt-scale elastocaloric cooling by a multi-cell architecture》为题发表在国际顶级期刊《Nature》上（2025-02-26），为应对气候变化、推动制冷行业的低碳转型提供了创新解决方案。
随着全球气候变暖的加剧，空调制冷需求不断攀升。据相关统计，制冷用电已占全球总电力消耗的20%。目前，主流的蒸气压缩制冷技术依赖于高全球变暖潜能值（GWP）的制冷剂，例如R410a的GWP值高达2088（以二氧化碳为基准）。在此背景下，基于形状记忆合金（SMAs）弹卡效应的固态制冷技术因其零温室气体排放、高能效潜力（理论卡诺效率可达84%）而成为学界与工业界关注的焦点。然而，此前弹卡制冷设备的最大制冷功率约为260瓦，尚无法满足商用空调所需的千瓦级要求。研究团队指出，这一瓶颈主要源于两大核心问题：一是制冷剂的单位质量制冷功率（SCP）与总质量难以兼顾；二是高频运行时热传递效率不足。针对上述挑战，研究团队提出了“材料串联-流体并联”的多胞架构设计。该架构将10个弹卡制冷单元沿受力方向串联，每个单元包含4根薄壁镍钛合金管，总质量达104.4克。镍钛管的高表面积体积比（7.51 mm-1）显著提升了热交换效率，而并联流体通道设计则将系统压力控制在1.5 bar以下，确保了高频稳定运行。 另一项关键创新是采用石墨烯纳米流体替代传统蒸馏水作为传热介质。实验显示，浓度为2克/升的石墨烯纳米流体的导热性能较蒸馏水提升了50%。其纳米颗粒直径（0.8微米）远小于流体通道宽度（150-500微米），从而避免了堵塞风险。通过X射线断层扫描证实，在950兆帕应力下，镍钛管仍保持均匀压缩形变，未发生屈曲失效。在3.5赫兹的高频运行条件下，该设备实现了12.3 W/g的单位质量制冷功率，总制冷功率达到1284瓦（零温升条件）。即便在工业标准10K温升条件下，其能效比（COP）仍可达0.9，外热效率（exergy efficiency）为3.1%。为验证其实际应用能力，研究团队搭建了一个2.7立方米的模型房屋。在夏季室外温度为30-31℃的环境下，该设备约15分钟即将室内温度稳定在21-22℃。图3.3.5Hz下，千瓦级弹卡固态制冷设备制冷性能。与现有固态制冷技术相比，该设备在制冷功率与温升综合性能上处于领先地位。其SCP值（12.3 W/g）远超液体传热弹卡设备的原纪录（4.4 W/g），且首次突破了千瓦级制冷门槛。研究团队指出，未来可通过开发新型弹卡材料（如CuAlZn、NiFeGaCo合金）、采用液态金属传热介质（如镓铟锡合金）以及优化旋转驱动架构，进一步提升系统性能。研究负责人姚舒怀教授和孙庆平教授表示：“这项成果证明了弹卡制冷技术的规模化应用潜力。我们正在与产业界合作，积极推进其商业化进程。”随着全球对氢氟碳化物（HFCs）的管控日益严格，这项零排放、低能耗的制冷技术有望重塑空调行业格局，为实现碳中和目标提供关键技术支撑。此项研究获得了香港政府研究资助局STG及GRF项目、香港政府科创局项目、深圳市政府科创委深港合作项目、国家自然科学基金委等项目的重点支持。相关技术已申请多项国际专利，产业化进程正在加速推进。https://www.nature.com/articles/s41586-024-08549-9
