零排放、低耗能重塑空调行业，全球首台千瓦级弹卡绿色制冷装置

香港科技大学（科大）研究团队成功研发出全球首台千瓦级弹卡制冷装置，仅需15分钟，便能在31℃高温的室外环境下，将室内温度稳定在21至22℃的区间，并实现零温室气体排放，标志着弹卡固态制冷技术在商业化应用上迈出关键一步。该研究成果已于国际顶级学术期刊《自然》发布，为应对气候变化及推动制冷行业低碳转型提供了创新解决方案。

机械及航空航天工程学系孙庆平教授（右二）和姚舒怀教授（左二）、博士后研究员周国安博士（左一）和博士生李泽希（右一）与其研发的全球首台千瓦级弹卡制冷装置。

随着全球气候暖化加剧，空调制冷需求持续攀升，目前制冷用电已占全球总电力消耗的20%。一直以来，主流蒸气压缩制冷技术所用的制冷剂属于典型的温室气体，其排放导致全球变暖。因此，世界各国均着手开发环保替代方案，其中，“基于形状记忆合金（SMAs）弹卡效应的固态制冷技术”凭借其零温室气体排放及高能效潜力，引起学术界与产业界的广泛关注。

然而，此前的弹卡制冷装置，最大制冷功率只有约260瓦，远未达到商用空调所需的千瓦级要求。科大机械及航空航天工程学系孙庆平教授与姚舒怀教授领导的研究团队发现，这一技术瓶颈源于两大核心问题：包括（1）制冷剂单位质量制冷功率（SCP）与系统总质量难以兼顾及（2）高频运行时传热效率不足。

为突破上述限制，研究团队提出”材料串联—流体并联”的多胞架构设计（图1a）。该架构将10个弹卡制冷单元沿受力方向串联，每个单元包含4根薄壁镍钛合金管，总质量仅为104.4克。镍钛管的表面积体积比达到7.51 mm-1，显著提升换热效率，与此同时，并联流体通道的设计将系统的压力差控制在1.5巴以下，确保高频稳定运行。

图1：千瓦级弹卡制冷装置示意图（图片来源：Nature Press）

另一项重要技术创新是采用石墨烯纳米流体作为传热介质，代替传统蒸馏水。这种先进传热介质具有卓越导热性，实验显示，仅2克/升浓度的石墨烯纳米流体，便可将导热性能较蒸馏水提升50%（图1d）；其纳米颗粒直径只有0.8微米，远小于流体通道的150-500微米宽度，避免了堵塞风险。X射线断层扫描（图2b）证实，镍钛管在950兆帕应力下仍能保持均匀压缩形变，未发生屈曲失效。

图2：千瓦级弹卡制冷装置的组装与运作（图片来源：Nature Press）

在3.5赫兹高频运行下，该装置实现了12.3 W/g的单位质量制冷功率，总制冷功率达1,284瓦（零温升条件下），充分展现该技术在实际应用中的可行性。

在应用测试场景中，该设备成功为一间2.7立方米的模型房屋降温（图3），在夏季室外30-31℃的环境下，仅需约15分钟，便能将室内温度稳定在舒适的21-22℃。

图3:千瓦级弹卡制冷装置的应用（图片来源：Nature Press）

与现有固态制冷技术相比（图4），该项创新成果在制冷功率与温升综合性能上均处于国际领先地位。其单位质量制冷功率（12.3 W/g）是液体传热弹卡装置纪录（4.4 W/g）的近三倍，并首次突破千瓦级制冷的门槛。

图4：制冷效果对比（图片来源：Nature Press）

孙庆平教授表示：这项研究成果展示了弹卡制冷技术的大规模应用潜力。研究团队正与产业界紧密合作，积极推动将技术商业化。随着全球对氢氟碳化物（HFCs）管控越趋严格，这项零排放、低耗能的制冷技术有望重塑空调行业的格局，为实现碳中和目标提供关键的技术支持。消费者将可受惠于较低的电费，技术改进也将使制冷装置变得较轻巧，节省室内空间。

姚舒怀教授亦指：未来，可通过开发新型弹卡材料以及优化旋转驱动架构，进一步提升系统性能，有望进一步加强制冷效能，大幅缩减室内降温的时间。

值得一提的是，此次创新成果是研究团队在一年内取得的第二项重大突破。团队此前研发的多材料级弹卡制冷装置实现了75 K的温跨，创下世界纪录，该研究已在2024年发表于国际顶级学术期刊《自然能源》，而此次研究则以《Achieving Kilowatt-Scale Elastocaloric Cooling by a Multi-Cell Architecture》为题，于国际顶级学术期刊《自然》发布。

此项研究获香港研究资助局的策略专题研究资助金及优配研究金项目、香港创新科技署项目、深圳市政府科创委深港合作项目、国家自然科学基金委员会等项目重点支持。相关技术已申请多项国际专利，加速推进产业化进程。

小知识：什么是弹卡固态制冷技术？

弹卡固态制冷技术（Elastocaloric Cooling）核心原理是通过对材料施加或卸载轴向应力，使其在奥氏体与马氏体之间发生可逆相变，释放或吸收潜热，从而实现热量传递和制冷效果。

核心特点与工作原理

1.零温室气体排放

该技术使用固态材料（如镍钛合金）作为制冷剂，完全避免了传统蒸气压缩技术中氟代烃类制冷剂（如HFCs）的臭氧破坏效应（ODP）和温室效应（GWP），符合全球环保趋势。

2.高能效潜力

形状记忆合金在相变过程中产生的绝热温变可达20K以上，单位体积制冷能量密度可达100 J/cm³，远超磁热制冷材料（如GdSiGe）的4倍，理论卡诺效率可达84%。

3.循环过程

加载阶段：施加外力使奥氏体转变为马氏体，释放潜热（材料升温）；

卸载阶段：撤除外力使马氏体逆向相变为奥氏体，吸收潜热（材料降温）；

通过周期性加载/卸载，配合热交换流体网络，实现连续制冷。

4.系统构成

包括三大核心组件：

固态制冷剂：以镍钛合金为主，需具备高相变应变（约8%）、低相变回滞和高疲劳寿命；

驱动装置：需提供高压（数百兆帕至吉帕级）、小位移的机械加载，如专利中的缺口齿轮设计可降低能耗；

传热系统：多采用石墨烯纳米流体或液态金属，提升换热效率。

素材来源：香港科技大学，Nature等