我国科学家首创"溶解压卡效应"制冷技术 破解数据中心冷却高耗能难题

算力基础设施快速扩张,能源消耗与散热压力同步攀升。

当前数据中心用电中,冷却系统占比高、波动大,制冷效率直接影响运营成本与碳排放水平。

在算力密度持续提升、机柜功率不断走高的背景下,传统压缩机制冷虽成熟可靠,但在高换热需求场景下往往面临能耗上升、系统复杂度增加以及换热瓶颈等问题,行业对更高效、更低碳的新型制冷技术需求迫切。

从原因看,数据中心散热难题具有结构性特点:一是热源集中、功率密度高,要求冷却系统具备更强“瞬态响应”和“单位体积换热能力”;二是传统路线多依赖制冷剂相变与压缩机做功,系统能效与碳排放受工况波动、设备效率、管路损耗等多因素制约;三是部分新型固态制冷原理虽具低碳潜力,但在工程实践中常受制于传热速率不足、冷量密度有限等现实约束,导致“能产生冷量,却难以快速带走热量”。

因此,制冷领域长期存在兼顾低碳、强冷量和高换热的难题。

此次研究为破解上述难题提供了新的科学线索。

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驱动下会出现强烈热效应:加压时溶质析出并释放热量,卸压时溶质迅速溶解并吸收大量热量,溶液温度可在较短时间内快速下降,并在高温条件下表现出更显著的降温幅度。

研究团队将这一新现象命名为“溶解压卡效应”,相关成果已发表于国际学术期刊《自然》。

这一发现的重要意义在于,它为“制冷工质”和“换热介质”长期分离的工程格局提供了新的整合思路。

传统固态压卡材料依靠结构变化产生冷热效应,但传热速度相对缓慢;而溶液体系具有天然流动性,可在循环过程中实现快速换热与能量传递。

换言之,该效应不仅提供可观冷量,还在传热环节具备潜在优势,为构建紧凑、高功率密度的冷却装置提供了新可能。

研究团队进一步提出四步循环思路,即加压升温、向环境散热、卸压降温、输出冷量,通过循环实现连续制冷。

实验表明,单次循环每克溶液可吸收一定热量,理论效率水平较高,显示出面向工程应用的潜力。

从影响看,“溶解压卡效应”若能实现稳定、可规模化的系统集成,或将在多个方面带来变化:其一,为数据中心、超算中心等场景提供新的低碳冷却路线,缓解冷却能耗对整体能效的“拖累”;其二,为高功率电子器件热管理提供可拓展方案,支撑更高算力密度的基础设施演进;其三,推动制冷产业在材料体系、循环结构与系统控制等环节的创新,为绿色低碳转型提供新的技术储备。

特别是在“源网荷储”协同和用能精细化管理趋势下,更高效的冷却技术有望与能源管理系统联动,进一步提升整体能效。

面向落地应用,对策与路径同样需要清晰规划。

首先,要围绕材料体系的稳定性与可控性开展更系统验证,包括循环寿命、热力学可逆性、溶液长期使用的性能衰减等关键指标;其次,需在工程环节攻关压力控制、密封与耐腐蚀、热交换结构优化等问题,确保系统在实际工况下安全可靠;再次,应结合数据中心实际运行特点,开展模块化样机与场景化测试,形成可对比的能效、成本与运维指标体系,为规模化推广提供依据;同时,还可探索与液冷、余热回收等技术路线的协同,形成多路径组合的综合解决方案。

就前景判断而言,新型制冷原理的价值不仅在于实验室指标,更在于能否在真实工况中兑现“高效率、低排放、可运维”的综合优势。

“溶解压卡效应”将溶解/析出过程与压力驱动耦合,为制冷领域拓展了新的研究方向。

随着算力基础设施持续增长、绿色低碳要求不断提高,围绕新效应的机理完善、材料筛选与系统工程化研究若持续推进,有望形成从基础发现到技术应用的完整链条,为我国在绿色算力、低碳制冷等领域提供新的竞争优势与产业机会。

这项科学发现充分体现了基础研究对产业发展的重要支撑作用。

面对数字经济时代的能源挑战,我国科研工作者通过原创性创新,找到了兼顾效率与环保的新路径。

随着"溶解压卡效应"从实验室走向应用场景,必将推动我国制冷产业的技术升级,为建设绿色、高效的数字基础设施注入新的动力。