制冷技术广泛服务于居民生活、食品医药冷链、工业制造以及数据中心散热等领域,是现代社会不可或缺的基础支撑。
然而,长期以来占主导的气体压缩制冷依赖电力驱动的压缩与节流过程,系统能耗较高,并伴随间接碳排放压力;同时,制冷剂管理、设备维护与峰值用电等问题,也对绿色低碳转型提出更高要求。
如何在确保冷量规模化供给的同时降低能耗与排放,成为制冷技术迭代的关键课题。
围绕节能减排需求,近年来学界与产业界将目光投向固态相变制冷等新路线,例如通过压力或磁场变化触发材料吸放热,以减少对传统工质的依赖。
这类技术在理念上具有环境友好、结构紧凑等潜在优势,但在工程放大过程中也暴露出共性瓶颈:固态材料导热相对缓慢,界面热阻难以消除,热量从材料内部向换热端的传输效率受限,导致高功率、连续运行场景中冷量输出与系统效率难以兼顾。
简言之,部分固态制冷方案在实验室“可行”,却在工程化阶段面临“换热不过关”的现实约束。
据中国科学院金属研究所1月22日发布的信息,该所沈阳材料科学国家研究中心相关团队与合作者在这一背景下提出新的突破方向:首次发现“溶解压卡效应”,利用压力对溶解/析出过程热效应的调控来实现制冷。
与以材料固态相变为核心的传统构型不同,这一路线把“产生冷量”的过程与“传递冷量”的介质体系更紧密地耦合:以溶液为载体,通过压力变化驱动溶解或析出,从而实现可逆的吸放热循环。
研究团队表示,该效应具备大冷量输出潜力,并在系统层面有望同时兼顾低碳、冷量规模与换热效率三方面需求,为长期存在的工程难题提供了新的解题思路。
从原理机理看,“溶解”与“析出”本质上是溶质与溶剂之间相互作用与结构重排的过程,伴随能量交换。
当外界压力变化能够有效影响该过程的热效应与平衡状态时,就可能形成可控、可循环的“压力—热”转换路径。
相较于传统固态相变材料需要在固体内部完成热量传导,溶液体系在流动、对流与传热方面具备天然优势,若设计得当,可显著降低界面热阻带来的限制。
这也解释了该成果被认为“超越以材料相变为核心框架”的原因:其关注点从单一固体材料的相变潜力,扩展到“溶解过程+压力调控+循环系统”的综合热管理设计。
在工程验证方面,团队提出一套四步循环思路:加压升温、向环境散热、卸压降温、输出冷量。
研究显示,单次循环可实现每克溶液吸热67焦耳,理论效率达到77%。
从制冷工程角度,衡量技术路线的关键不仅在于单次吸热数值,更在于循环稳定性、热交换速率、系统可控性与安全性等综合指标。
此次工作给出的指标组合,表明其在冷量密度与效率层面具备进一步工程探索的价值,也为面向大功率应用的连续运行提供了可讨论的技术起点。
这一发现的影响主要体现在三方面:其一,拓展了制冷原理谱系,为构建多元化的低碳制冷技术体系提供新的基础科学支点;其二,为冷链物流、工业余热利用、精密制造温控以及数据中心热管理等高能耗场景提供了潜在替代方案,有望缓解峰值用电压力并促进能效提升;其三,推动材料科学与系统工程的协同创新,提示未来制冷技术竞争不再只看“材料本身”,还要看“材料—工质—换热—控制”的整体方案能力。
同时也应看到,从实验室成果迈向产业化仍需系统性攻关。
一方面,需要进一步评估循环过程在长时间、多工况下的稳定性与衰减机理,明确溶质溶剂体系的化学稳定、腐蚀风险与安全边界;另一方面,需围绕压力加载装置、密封结构、热交换器匹配与能量回收等环节开展工程优化,以降低系统复杂度和成本。
此外,相关性能指标应在接近真实工况的装置与标准化评测体系下进行对比验证,形成可复现、可量产、可维护的技术路径。
展望未来,随着“双碳”目标推进以及冷链与算力基础设施规模扩大,制冷需求仍将保持增长态势。
更高效率、更低排放、更强适配性的制冷技术将成为重要发展方向。
“溶解压卡效应”的提出与验证,为我国在新型制冷与热管理领域抢占原理与技术制高点提供了难得窗口。
若后续在材料体系筛选、系统集成与可靠性验证上持续突破,并与产业需求形成协同牵引,有望在特定应用场景率先落地,进而带动更广范围的技术迭代。
这项源于基础科学发现的创新成果,不仅展现了我国科研人员在前沿科技领域的原始创新能力,更为全球应对气候变化、实现碳中和目标提供了重要的技术支撑。
正如科学界所共识,真正的技术革命往往源于对基础理论的突破性认知,溶解压卡效应的发现再次印证了加强基础科学研究对推动产业转型升级的战略意义。
随着这项技术的进一步完善和推广,或将引领制冷行业走向更高效、更清洁的发展新阶段。