全球首台零衰减“弹卡”制冷装置研制成功
全球首台零衰减“弹卡”制冷装置研制成功
制冷技术在现代社会不可或缺，但传统蒸汽压缩制冷系统不仅高耗能，所使用的制冷剂更会加剧温室效应和破坏臭氧层。日前，香港科技大学讲座教授孙庆平带领的研究团队成功研发出全球首台零衰减“弹卡”制冷装置。他们运用抗疲劳固态制冷剂，实现持久且环保的制冷技术，即使循环运行超过100万次，仍能保持稳定性能。相关成果发表于《焦耳》（ Joule ）。
孙庆平（右三）团队合影。研究团队供图，下同
“弹卡”制冷是一种利用形状记忆合金应力诱发可逆相变效应的技术，有望取代传统制冷剂成为绿色新方案，应用前景广阔；然而受制于制冷性能衰减和长期可靠性不足两大缺点，一直未获广泛使用。现有“弹卡”制冷装置大多采用商业镍钛形状记忆合金（NiTi）作为制冷剂，但这种材料在长期相变循环过程中容易产生功能疲劳，长期持续使用下，制冷效果会愈来愈差。
为突破这一瓶颈，研究团队开发出一种抗疲劳形状记忆合金，并将其集成于新颖的固态制冷剂结构中。团队通过结合此新型形状记忆合金材料、器件设计与系统工程，成功解决了材料功能疲劳和结构可靠性两大关键问题，并开发出崭新的零衰减“弹卡”制冷装置，能在长期运行过程中保持稳定制冷能力。该装置具有三大特点：
一是，抗疲劳形状记忆合金。团队开发了一种四元TiNiCuCo形状记忆合金，相比传统NiTi合金，这种材料在反复相变循环过程中能够保持稳定的弹卡性能，实现稳定的潜热释放和吸收，提供了可靠的固态制冷剂，让装置可长期制冷。
二是，高可靠性的固态制冷剂结构。团队设计并构建了双层翅片式制冷剂结构，在提升换热效率的同时增强结构的抗屈曲能力，实现超过1000万次循环压缩载荷下的超长疲劳寿命。
三是，结构紧凑和耐用的器件架构。团队进一步优化器件整体结构，以降低热损失并提升系统稳定性。新设计可减少约50%的零部件数量，并将无效结构比例由15%降低至5%。