image: 機械及航空航天工程學系孫慶平教授（右二）和姚舒懷教授（左二）、博士後研究員周國安博士（左一）和博士生李澤希（右一）與其研發的全球首台千瓦級彈卡製冷裝置。 view more
Credit: HKUST
香港科技大學（科大）研究團隊成功研發出全球首台千瓦級彈卡製冷裝置，僅需15分鐘，便能在31℃高溫的室外環境下，將室內溫度穩定在21至22℃的區間，並實現零溫室氣體排放，標誌著彈卡固態製冷技術在商業化應用上邁出關鍵一步。該研究成果已於國際頂級學術期刊《自然》發布，為應對氣候變化及推動製冷行業低碳轉型提供了創新解決方案。
隨著全球氣候暖化加劇，空調製冷需求持續攀升，目前製冷用電已佔全球總電力消耗的20%。一直以來，主流蒸氣壓縮製冷技術所用的製冷劑屬於典型的溫室氣體，其排放導致全球變暖。因此，世界各國均著手開發環保替代方案，其中，「基於形狀記憶合金（SMAs）彈卡效應的固態製冷技術」憑藉其零溫室氣體排放及高能效潛力，引起學術界與產業界的廣泛關注。
然而，此前的彈卡製冷裝置，最大製冷功率只有約260瓦，遠未達到商用空調所需的千瓦級要求。科大機械及航空航天工程學系孫慶平教授與姚舒懷教授領導的研究團隊發現，這一技術瓶頸源於兩大核心問題：包括（1）製冷劑單位質量製冷功率（SCP）與系統總質量難以兼顧及（2）高頻運行時傳熱效率不足。
為突破上述限制，研究團隊提出「材料串聯—流體並聯」的多胞架構設計（圖1a）。該架構將10個彈卡製冷單元沿受力方向串聯，每個單元包含4根薄壁鎳鈦合金管，總質量僅為104.4克。鎳鈦管的表面積體積比達到7.51 mm-1，顯著提升換熱效率，與此同時，並聯流體通道的設計將系統的壓力差控制在1.5巴以下，確保高頻穩定運行。
另一項重要技術創新是採用石墨烯納米流體作為傳熱介質，代替傳統蒸餾水。這種先進傳熱介質具有卓越導熱性，實驗顯示，僅2克/升濃度的石墨烯納米流體，便可將導熱性能較蒸餾水提升50%（圖1d）；其納米顆粒直徑只有0.8微米，遠小於流體通道的150-500微米寬度，避免了堵塞風險。X射線斷層掃描（圖2b）證實，鎳鈦管在950兆帕應力下仍能保持均勻壓縮形變，未發生屈曲失效。
在3.5赫茲高頻運行下，該裝置實現了12.3 W/g的單位質量製冷功率，總製冷功率達1,284瓦（零溫升條件下），充分展現該技術在實際應用中的可行性。
在應用測試場景中，該設備成功為一間2.7立方米的模型房屋降溫（圖3），在夏季室外30-31℃的環境下，僅需約15分鐘，便能將室內溫度穩定在舒適的21-22℃。
與現有固態製冷技術相比（圖4），該項創新成果在製冷功率與溫升綜合性能上均處於國際領先地位。其單位質量製冷功率（12.3 W/g）是液體傳熱彈卡裝置紀錄（4.4 W/g）的近三倍，並首次突破千瓦級製冷的門檻。
孫慶平教授表示：「這項研究成果展示了彈卡製冷技術的大規模應用潛力。我們正與產業界緊密合作，積極推動將技術商業化。隨著全球對氫氟碳化物（HFCs）管控越趨嚴格，這項零排放、低耗能的製冷技術有望重塑空調行業的格局，為實現碳中和目標提供關鍵的技術支持。消費者將可受惠於較低的電費，技術改進也將使製冷裝置變得較輕巧，節省室內空間。」
姚舒懷教授亦指：「未來，我們可通過開發新型彈卡材料以及優化旋轉驅動架構，進一步提升系統性能，有望進一步加強製冷效能，大幅縮減室內降溫的時間。」
值得一提的是，此次創新成果是研究團隊在一年內取得的第二項重大突破。團隊此前研發的多材料級彈卡製冷裝置實現了75 K的溫跨，創下世界紀錄，該研究已在2024年發表於國際頂級學術期刊《自然能源》，而是次研究則以《Achieving Kilowatt-Scale Elastocaloric Cooling by a Multi-Cell Architecture》為題，於國際頂級學術期刊《自然》發布。
此項研究獲香港研究資助局的策略專題研究資助金及優配研究金項目、香港創新科技署項目、深圳市政府科創委深港合作項目、國家自然科學基金委員會等項目重點支持。相關技術已申請多項國際專利，加速推進產業化進程。
該研究由孫慶平教授和姚舒懷教授（均為通訊作者）、博士後研究員周國安博士（第一作者及同系的2023年博士畢業生）、博士生李澤希，與廣東生態工程職業學院的張齡勻（同系的2020年理學碩士畢業生），以及哈爾濱工業大學的華鵬教授（同系的2019年博士畢業生）共同進行。