问题:制冷技术是电力消费和工业能耗的重要组成部分,关系居民生活品质、数据中心运行、医药冷链、食品储运以及先进制造等多领域发展。
当前应用最广的蒸汽压缩制冷技术成熟可靠,但整体系统能耗高、间接碳排放压力大,同时传统制冷剂管理和替代也持续面临环保与安全约束。
在“双碳”目标与用冷需求同步增长的背景下,兼顾低碳、高冷量与高换热效率的制冷新路线成为行业迫切需求。
原因:近年来,固态制冷因不依赖气体工质排放、具备潜在高效率而受到关注,其典型路径多围绕材料相变,通过压力或磁场变化引发吸放热(如压卡、磁卡等)。
但工程化过程中,固态材料导热能力有限、界面热阻较大,换热效率与功率密度受制约,导致“材料有潜力、系统难放大”的瓶颈较为突出。
尤其在大功率场景中,如何让热量快速、稳定地进出材料并形成可持续循环,仍是制约固态制冷走向应用的关键难题之一。
影响:据中国科学院金属研究所发布的信息,科研团队提出并验证“溶解压卡效应”——利用压力变化调控溶解与析出过程的热效应,实现吸热与放热的可逆循环。
与以固体相变为中心的传统思路不同,该机制把制冷“工质”与“换热介质”在同一溶液体系中加以统一:一方面依靠溶解/析出热实现显著热量交换,另一方面利用流体体系更有利于传热与输运,减少因导热慢与界面热阻带来的性能损失。
研究团队基于该效应设计了四步循环:加压升温、向环境散热、卸压降温、输出冷量。
公开数据表明,单次循环每克溶液可吸热67焦耳,理论效率可达约77%。
该成果以“Extreme barocaloric effect at dissolution”为题发表于《自然》期刊,显示了新的制冷机理在提升冷量与效率方面的潜在优势,为破解“低碳—大冷量—高换热效率”难以兼得的工程矛盾提供了可验证的思路。
对策:从技术路径看,“溶解压卡效应”仍需面向工程化开展系统集成与长期运行验证。
下一步工作重点可集中在三方面:其一,围绕材料与体系选择开展筛选与优化,兼顾溶解/析出热效应强度、可逆性、稳定性以及安全与成本可控;其二,完善循环系统的关键部件设计,包括压力调控装置、换热器结构与流体输运方案,提升单位体积冷量输出并降低系统损失;其三,建立面向应用场景的评价体系和标准化测试方法,对循环寿命、效率随工况变化规律以及规模化条件下的可靠性开展系统评估。
与此同时,该方向也有望与现有制冷体系形成互补:在特定温区、特定负载形态或对环保要求更高的场景中,探索混合系统或分布式冷源方案,逐步形成可落地的应用路线。
前景:制冷需求增长与减排压力并存,决定了制冷技术迭代将长期持续。
此次发现为“压力驱动的溶解/析出热管理”打开新的研究空间:一方面,有望推动高效、低碳制冷系统的原理创新;另一方面,也将带动溶液体系热力学、传热传质耦合与高频循环工程技术的交叉发展。
若后续在材料体系稳定性、系统能耗构成优化、规模化制造与运行成本等方面取得突破,这一路线可能在数据中心冷却、工业余热耦合降温、冷链装备等领域释放应用潜力,并为能源结构转型背景下的用能效率提升提供新的支撑点。
溶解压卡效应的发现体现了科学研究中的创新思维——当传统框架无法同时满足多重需求时,突破的关键在于跳出原有思路,寻找全新的物理原理。
这一成果不仅为全球节能减排事业提供了新的技术选择,更为我国在应对气候变化、推进绿色发展中贡献了科学智慧。
随着后续研究的深入和应用的推进,这项创新性技术有望在不远的将来改变制冷产业的格局,为建设绿色低碳社会做出重要贡献。