镍钛形状记忆合金助力，香港科技大学打造75K温差环保制冷装置，节能又高效

镍钛形状记忆合金助力，香港科技大学打造75K温差环保制冷装置，节能又高效

在当今时代，制冷技术在我们的生活与工业生产中扮演着至关重要的角色。然而，传统的蒸汽压缩制冷技术却面临着严峻的挑战。这种传统技术依赖于具有高全球变暖潜能值的制冷剂，这些制冷剂在使用过程中会对环境造成极大的破坏，加剧全球变暖的趋势。

面对这样的困境，新型的冷却技术开始逐渐进入人们的视野。其中，基于形状记忆合金（SMA）循环相变潜热的固态弹性热制冷技术脱颖而出。这种技术的核心在于利用形状记忆合金作为制冷剂，它具有无温室气体、100% 可回收以及节能等显著优点。它的工作原理是基于材料在受到外部机械力的作用下可逆地改变形状并发生相变，由于两种共存相之间的熵差，材料可以实现降温或者升温的效果。

香港科技大学的开创性研究

香港科技大学的工程学院在制冷技术的研发上取得了突破性的进展。由机械与航空航天工程系的孙庆平教授和姚树怀教授领导的研究团队开发出了一种创新的环保型制冷装置。

他们将目光聚焦于镍钛（NiTi）形状记忆合金，利用这种特殊的材料来构建多材料级联弹热冷却装置。研究人员精心选取了三种相变温度不同的 NiTi 合金，分别让它们在冷端、中间端和热端发挥作用。通过巧妙地使各单元的工作温度与相应的相变温度相互匹配，成功地将整个装置的超弹温度窗口拓展到了 100K 以上。这意味着每个 NiTi 单元都能够在最适合自己的温度范围内工作，从而显著地提升了冷却效率。

在实验过程中，他们不断地调整和优化各个环节。从材料的选择到装置的结构设计，每一个细节都经过了反复的考量和试验。经过不懈的努力，这种多材料级联弹热冷却装置在水侧实现了令人瞩目的 75K 的升温，打破了此前 50.6K 的世界纪录。这一成就不仅仅是数字上的突破，更是在制冷技术领域迈出的坚实一步。

环保高效冷却装置的深远意义

这种新型冷却装置的出现对于环境的保护具有深远的意义。它完全摒弃了传统制冷技术中对环境有害的制冷剂，从源头上减少了温室气体的排放。在全球气候变暖日益严重的今天，这种环保型的制冷技术为我们提供了一种可持续发展的解决方案。它有助于减缓全球变暖的速度，为我们的地球环境带来了新的希望。

空间制冷和供暖在全球总电力消耗中占据了相当大的比例，据业内估计，到 2050 年它将成为全球第二大电力需求来源。而香港科技大学研发的这种新型冷却装置由于其高效的冷却性能，能够在很大程度上降低能源的消耗。它的出现为解决能源短缺问题提供了新的思路，有助于提高能源的利用效率，减少不必要的能源浪费。

全球制冷技术研究的竞争格局

在制冷技术的研究领域，香港科技大学并非是唯一的探索者。卢森堡理工学院的研究人员也在这方面取得了一定的成果。他们开发了一种基于电制冷效应的系统，这种系统利用陶瓷和聚合物等材料在受到电场作用时发生可逆的温度变化来实现制冷效果。

他们的设备产生了 20 开尔文的温差，虽然与香港科技大学的 75K 温差相比还有一定的差距，但这也显示出了他们在这一领域的努力和创新。而且他们的设备在运行过程中没有观察到任何故障，这说明该系统具有一定的稳定性和可靠性。

香港科技大学的弹热制冷技术的优点在于其高效的冷却效率和对环境的友好性。它利用形状记忆合金的独特性质，实现了在不使用有害制冷剂的情况下达到出色的冷却效果。然而，这种技术可能在材料成本和制造工艺上存在一定的挑战，需要进一步的研究和优化来降低成本和提高生产效率。

卢森堡理工学院的电制冷技术则具有设备稳定性好的优点，而且其使用的大部分电能都可以重复利用，这使得该技术在能源利用效率方面表现出色。但是，它目前的冷却温差相对较小，在一些对冷却效果要求较高的场合可能无法满足需求。

制冷技术商业化的前景与挑战

商业化的机遇

随着人们对环境问题的日益关注以及对能源效率的要求不断提高，像香港科技大学研发的这种环保高效的冷却装置在市场上具有巨大的潜力。它符合当前社会可持续发展的趋势，有望在空调、工业制冷等多个领域得到广泛的应用。

在空调市场方面，随着消费者环保意识的增强，他们更倾向于选择那些对环境影响小、能源效率高的产品。这种新型冷却装置正好满足了这一需求，它有可能推动空调行业的一次技术革新，为消费者带来更加绿色、节能的空调产品。

在工业制冷领域，许多工业生产过程对制冷设备的性能和环保性都有较高的要求。例如食品加工、化工生产等行业，需要稳定、高效且环保的制冷设备来保证生产过程的顺利进行。这种新型冷却装置的出现为这些行业提供了新的选择，有望在工业制冷市场中占据一席之地。

面临的挑战

尽管这种新型冷却装置具有广阔的商业化前景，但在实际推广过程中仍然面临着一些挑战。首先是成本问题，目前这种基于形状记忆合金的冷却装置在材料和制造工艺上可能需要较高的投入，这导致其初始成本较高。在市场竞争中，如果不能有效地降低成本，可能会影响其市场竞争力。

其次是技术的稳定性和可靠性。虽然在实验室环境下这种装置已经取得了出色的成果，但在实际的工业生产和日常使用环境中，可能会面临各种各样的复杂情况。例如温度、湿度、压力等环境因素的变化以及长时间运行对设备的损耗等问题。确保设备在各种复杂环境下都能够稳定、可靠地运行是商业化过程中需要解决的关键问题。

总结与展望

制冷技术的发展是一个不断探索和创新的过程。香港科技大学研发的新型冷却装置为我们展示了制冷领域的新希望，它的高效性和环保性为未来制冷技术的发展指明了方向。

从目前的研究成果来看，我们已经在环保高效制冷技术的道路上迈出了坚实的一步。虽然在商业化过程中还面临着一些挑战，但只要我们坚持不懈地进行研究和创新，积极应对各种挑战，就一定能够实现制冷技术的可持续发展，为人类创造一个更加舒适、环保的生活和生产环境。