问题:制冷需求持续增长与能耗、排放压力并存。
当前气体压缩制冷仍是产业主力,广泛应用于建筑空调、冷链物流、工业生产以及信息基础设施等领域,支撑了规模庞大的产业体系。
但与此同时,传统路线对电力高度依赖,制冷相关能耗占比高,并伴随工质泄漏等环境风险,在“双碳”目标与能源转型背景下,行业亟需更高效率、更低环境负担的新技术来满足快速增长的冷量需求。
原因:既有替代路线在工程端存在“卡点”。
近年来,固态相变制冷材料因可在压力或磁场作用下实现吸放热、并可减少气态工质排放而受到关注。
然而固态体系往往面临导热速度有限、界面热阻偏大、传热面积与传热路径受限等共性难题,导致在大功率、快速换热的应用场景中难以充分释放潜在制冷能力。
简言之,材料能“产生冷”,但系统难“把冷送出去”,这成为制约固态制冷走向规模化的重要原因之一。
影响:新效应为突破“低碳—大冷量—高换热”矛盾提供思路。
研究团队在实验中观察到,硫氰酸铵溶液在加压与卸压过程中发生“析出—溶解”的可逆转变:加压时盐析出并释放热量,卸压后盐快速溶解并强烈吸热,室温下溶液温度在约20秒内可下降近30摄氏度,在更高温环境下降温幅度更为明显。
研究人员将这一现象命名为“溶解压卡效应”。
其关键意义在于把“工质”和“换热介质”统一到同一溶液体系中:溶液具备流动性,天然有利于对流换热与快速传热;同时,溶解与析出过程能够提供显著的吸放热效应,从机制层面为同时实现低排放、大冷量与高换热效率打开空间。
这一思路若能工程化,将有助于突破长期困扰制冷技术路线选择的结构性矛盾。
对策:从材料发现走向系统循环与工程验证。
基于该效应,团队提出并设计了由“加压升温—对外散热—卸压降温—输出冷量”构成的四步循环方案。
数据显示,单次循环每克溶液可吸收约67焦耳热量,理论效率可达77%,体现出较强的能效潜力和可扩展的系统构型可能。
下一步工程化推进的重点,需围绕压力加载与释放装置的可靠性、循环稳定性与寿命、溶液成分与浓度的可控性、腐蚀与材料兼容性、安全与环保属性、以及在不同工况下的性能边界等开展系统验证。
同时,还需在系统集成层面优化换热器结构、降低泵功与压降损耗,形成从“效应”到“装置”再到“应用场景”的完整链条。
前景:面向高热流密度场景的热管理需求或成重要落点。
随着算力基础设施扩张,数据中心、通信机房及功率电子设备对热管理提出更高要求,既要高效散热、快速响应,也要兼顾能耗与环境影响。
“溶解压卡效应”所体现的快速温变与较高单位质量吸热能力,为构建新型液态制冷循环、提升系统换热能力提供了方向。
若后续在材料体系选择、循环控制策略、规模化制造与成本等方面取得突破,相关技术有望在大型冷却系统、区域热管理以及新型工业冷源中展现应用价值,并推动制冷行业向更高能效、更低排放的路径演进。
在全球应对气候变化和能源转型的大背景下,科技创新正成为破解发展难题的关键钥匙。
"溶解压卡效应"的发现,不仅展现了我国在基础研究领域的实力,更为实现绿色低碳发展提供了新的技术路径。
这一突破再次证明,面向国家重大需求的前沿基础研究,往往能催生改变行业格局的颠覆性创新。