问题——制冷需求快速增长与减排压力叠加,行业亟需更绿色的技术路线。
制冷是现代社会的重要基础能力,广泛应用于居民生活、冷链物流、数据中心、工业制造等场景。
当前主流的气体压缩制冷体系效率持续提升,但依旧面临能耗高、碳排放压力大等现实约束。
在“双碳”目标背景下,如何在保障制冷能力的同时降低系统能耗与环境影响,成为行业与科研界共同面对的紧迫课题。
原因——传统方案存在结构性掣肘,新型材料路线又受工程瓶颈限制。
气体压缩制冷依赖制冷剂与压缩机等关键部件,系统复杂、能耗占比高,并伴随制冷剂管理与泄漏风险。
近年来,固态相变制冷材料因可通过压力、磁场等刺激实现吸放热,被视为替代路径之一,理论上可减少对传统制冷剂的依赖。
然而,固态材料在大功率工况下往往受制于导热慢、界面热阻大、换热能力不足等问题,导致“冷量上不去、热量带不走、系统做不大”的工程难题突出,形成“低碳—大冷量—高换热效率”难以兼顾的矛盾格局。
影响——新效应为破解矛盾提供了可能,或推动制冷系统形态发生变化。
中国科学院金属研究所李昺研究员团队与合作者在实验中发现,硫氰酸铵溶液在压力变化下出现强烈热效应:加压时溶液发生盐析并释放热量,卸压后盐快速溶解并显著吸热,可在较短时间内实现大幅降温;在更高温度环境下,降温幅度进一步提升。
研究团队将这一现象命名为“溶解压卡效应”。
该效应的关键意义在于,它把“制冷工质”与“换热介质”在一定程度上融为一体:溶液本身可流动,有利于强化换热;同时通过溶解与析出过程提供较大热量交换能力,为提升单位质量冷量与系统传热效率打开新空间。
这一思路如果能在工程系统中稳定实现,有望从机理层面缓解固态路线的换热瓶颈,也为降低制冷系统碳排放提供新的技术抓手。
对策——以循环系统设计把实验现象转化为可用技术,并面向应用场景验证。
基于“溶解压卡效应”,研究团队提出“加压升温→向环境散热→卸压降温→输送冷量”的四步循环构想:先通过加压使体系放热升温,再将热量高效排向环境;随后卸压触发快速吸热降温,形成可利用的冷端;最后将冷量传递至目标负载。
研究显示,该循环在单次过程中每克溶液可吸收一定热量,理论效率达到较高水平,呈现出向工程化迈进的潜力。
下一步的关键在于:一是围绕溶液体系的稳定性、耐久性与安全性建立工程参数边界;二是开发适配的压力驱动、密封与换热器组件,形成可规模化的系统架构;三是面向冷链、建筑空调、电子器件散热等典型场景开展样机验证,评估在不同环境温度、负载波动下的综合能效与全生命周期环境收益;四是完善标准与安全规范,为未来产业化应用奠定基础。
前景——绿色制冷或迎来“多路线并进”新阶段,关键在从实验室走向工程系统。
面向未来,制冷技术的演进很可能不再是单一路线替代,而是围绕不同应用场景形成多元技术组合:高效压缩制冷继续提升能效并加强低碳制冷剂管理,新型固态或准固态路径则在特定场景率先落地,逐步扩展应用边界。
“溶解压卡效应”提供了一个兼顾传热与冷量的新方向,有望为数据中心局部散热、工业过程冷却以及高温环境制冷等需求提供新选项。
与此同时,产业化仍需跨越材料体系优化、循环控制策略、系统可靠性与成本约束等关口,尤其需要在效率、可维护性与安全性之间找到工程最优解。
这项源自中国科学家的原创性突破,不仅为解决制冷行业世纪难题提供了中国方案,更彰显了我国在基础研究领域的创新实力。
在全球气候治理日益紧迫的当下,科技创新正成为破解发展与环境矛盾的关键钥匙。
随着更多类似"溶解压卡效应"的发现,中国将为全球绿色转型贡献更多智慧和力量。