我国科学家突破制冷技术瓶颈 攻克"低碳-大冷量-高换热"难题

问题:制冷是现代生产生活的必需,也是能源消耗和碳排放的重点领域。当前应用最广的气体压缩制冷技术虽然成熟可靠,但大规模使用下面临明显问题:电力消耗高、间接碳排放压力大,制冷剂泄漏风险也长期存在。面向"双碳"目标,行业急需更高效、更低环保负担的新型制冷方案。 原因:固态相变制冷等替代技术近年进展显著,不依赖传统气体制冷剂,通过压力、磁场等外场变化实现吸放热。但从实验室到高功率应用仍有关键难题:材料导热速率有限、界面热阻难以降低、温度快速响应与大冷量输出难以兼顾。简言之,低碳、大冷量、高换热效率三者往往相互制约。 影响:研究的核心突破是发现了一种新的热效应机制。团队观察到硫氰酸铵溶液在压力变化下会可逆地析出与溶解:加压时盐析出并释放热量,卸压时盐迅速溶解并吸收大量热量。室温条件下溶液温度约20秒内可下降近30摄氏度,高温环境下降温幅度更大。这个现象被命名为"溶解压卡效应",表现出不同于传统固态相变材料的快速热响应与较大冷量潜力。 对策:基于这一效应,团队提出将"制冷工质"与"换热介质"在同一体系内协同设计。溶液的流动性使其能在系统中循环流动,实现更高效的传热;溶解与析出过程提供主要吸放热来源,从机理上为同时提升冷量输出与换热效率创造了条件。团队构建了"加压升温—向环境散热—卸压降温—向负载输送冷量"的四步循环方案。研究结果显示单次循环每克溶液可吸收约67焦耳热量,理论效率达77%,具有继续工程化验证的潜力。 前景:从应用需求看,算力基础设施、先进制造、轨道交通与建筑能效等领域对热管理要求不断提高,高热流密度散热与高效制冷的需求将持续增长。若新效应与新循环能在安全性、稳定性、成本与系统集成上形成可复制的工程方案,有望为数据中心冷却等场景提供更低能耗的选择,推动制冷装备向高效、低碳、可扩展方向发展。同时,材料体系拓展、循环寿命与腐蚀控制、压力系统可靠性、规模化换热结构设计各方面仍需深入研究,并通过标准化测试与示范应用验证其综合优势。

这项研究成果表明了中国科学家在基础科学领域的创新突破,也践行了科技创新服务国家战略的责任。从发现溶解压卡效应到设计高效循环系统,研究团队用科学的力量为制冷行业的绿色转型开辟了新方向。随着后续研究深入和技术完善,这个成果有望在不远的将来转化为现实生产力,为全球节能减排做出中国贡献。