【科學背景】

傳統蒸汽壓縮制冷技術依賴高全球變暖潛能值（GWP）的首次色冷術今制冷劑（如R410a的GWP值高達2088），加劇了溫室效應。千瓦卻技固態制冷技術（如彈性熱、料牛磁熱、首次色冷術今電熱效應）因其環保性和高能效潛力備受關注。千瓦卻技其中，料牛彈性熱制冷利用形狀記憶合金（SMAs）在應力作用下的首次色冷術今相變吸放熱特性，理論卡諾效率可達84%。千瓦卻技然而，料牛現有彈性熱制冷設備的首次色冷術今最大冷卻功率僅為260 W，遠低于商用空調所需的千瓦卻技千瓦級需求，阻礙了該技術的料牛商業化。其瓶頸在于缺乏高效的首次色冷術今系統架構設計，無法同時實現高比冷卻功率（SCP）和足夠的千瓦卻技制冷劑質量。

【創新成果】

香港科技大學機械與航空工程系姚舒懷、料牛孫慶平、周國安團隊使用壓縮型薄壁管狀鎳鈦構建了一個千瓦級的彈性熱冷卻裝置，該裝置采用“形狀記憶合金（SMAs）串聯-石墨烯納米流體并聯”架構，稱為多單元架構。在高頻操作（3.5 Hz）下，薄壁管狀NiTi具有較大的表面積體積比，并輔以石墨烯納米流體作為高效的傳熱劑，從而實現了可達12.3 W g^?1的比冷卻功率。此外，多單元結構確保了足夠的彈性熱質量，以實現緊密組裝，同時保持較低的系統流體壓力。在最初的50萬次循環中，該設備在零溫度升程下實現了1284 W的冷卻功率，證明了這種綠色冷卻技術在低碳未來的潛力。該研究通過多單元架構設計與石墨烯納米流體的協同作用，首次將彈性熱制冷提升至千瓦級，解決了傳統技術冷卻功率不足的核心難題。2月26日，相關論文以題為“Achieving kilowatt-scale elastocaloric cooling by a multi-cell architecture”的論文發表在Nature上。

【數據概況】

圖1 千瓦級彈性熱冷卻裝置示意圖??2025?Springer Nature

圖2 彈熱冷卻裝置的組裝和操作??2025?Springer Nature

圖3 裝置在3.5 Hz時的制冷性能??2025?Springer Nature

圖4 ?千瓦級彈性熱冷卻裝置的應用??2025?Springer Nature

圖5 制冷性能比較??2025?Springer Nature

【科學啟迪】

該項研究開發了一款千瓦級彈熱冷卻裝置，該裝置采用石墨烯納米流體在串聯合金材料-并聯流體架構中實現基于壓縮型薄壁管狀鎳鈦（NiTi）合金（屬形狀記憶合金SMAs系列）的熱量傳遞。彈熱單元沿施力方向串聯排列的設計確保充分質量的活性材料被緊湊集成于裝置內，而并聯布局的短程流體回路有效抑制運行期間系統流體壓力增高。通過提高工作頻率可提升裝置理論最大比冷卻功率（SCP）；同時NiTi合金固有的高比表面積特性與石墨烯納米流體的優異熱性能協同作用，顯著提高了熱源材料與流體間的傳熱效率，進而改善實驗SCP指標。該項研究突出了架構設計在彈熱冷卻技術研發中的關鍵作用，為這一綠色制冷技術在碳中和背景下的大規模商業化應用鋪平了道路。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08549-9