全球首創千瓦級彈熱冷卻裝置 開啟綠色冷卻新紀元

香港科技大學（HKUST）的研究團隊成功開發出全球首款千瓦級彈熱冷卻裝置，這項突破性技術僅需15分鐘便能將室內溫度穩定在舒適的21°C至22°C，即使室外溫度高達30°C至31°C也能輕鬆應對。這項研究成果已發表於《自然》期刊，為應對氣候變遷及推動全球冷卻產業低碳轉型提供了極具潛力的解決方案。

隨著全球暖化加劇，空調及冷卻需求持續攀升，冷卻系統已佔全球電力消耗的20%。目前主流的蒸氣壓縮冷卻技術依賴具有高全球暖化潛勢（GWP）的冷媒，而基於形狀記憶合金（SMAs）彈熱效應的固態冷卻技術，因其零溫室氣體排放及高能源效率潛力，已成為學術界和產業界關注的焦點。

然而，先前彈熱冷卻裝置的最大冷卻功率僅約260瓦，無法滿足商業空調的千瓦級需求。HKUST機械及航空航天工程學系的孫慶平教授和姚樹海教授帶領的研究團隊發現，這一瓶頸主要源於兩個核心問題：一是冷媒的比冷卻功率（SCP）與總活性質量難以平衡；二是高頻運作時的熱傳遞效率不足。

為克服這些限制，研究團隊提出了一種「SMAs串聯—流體並聯」的多單元架構設計。該架構沿施力方向串聯了10個彈熱冷卻單元，每個單元包含四根薄壁鎳鈦合金管，總質量僅104.4克。鎳鈦管的高表面積體積比（7.51 mm^-1）顯著提升了熱交換效率，而並聯流體通道設計則將系統壓力保持在1.5巴以下，確保了高頻運作的穩定性。

另一項關鍵創新是以石墨烯奈米流體取代傳統的蒸餾水。實驗顯示，僅需2克/升濃度的石墨烯奈米流體，其熱傳導效率便比蒸餾水高出50%。其奈米粒子直徑（0.8微米）遠小於流體通道寬度（150–500微米），避免了堵塞風險。X射線斷層掃描證實，鎳鈦管在950兆帕的應力下保持均勻壓縮變形，未發生屈曲失效。

在高頻3.5赫茲的運作下，該裝置的比冷卻功率達到12.3 W/g，總冷卻功率達1,284瓦（零溫升條件下），展現了其實際應用的可行性。在實際應用測試中，該裝置成功在夏季室外30℃至31℃的環境下，將2.7立方米的模型屋室內溫度在15分鐘內穩定在舒適的21℃至22℃。

與現有的固態冷卻技術相比，這款創新裝置在冷卻功率和溫升效能方面均處於領先地位。其SCP值（12.3 W/g）幾乎是先前液體熱傳遞彈熱裝置記錄（4.4 W/g）的三倍，並首次突破千瓦級冷卻門檻。

孫慶平教授表示：「這項成果展示了彈熱冷卻技術大規模應用的潛力。我們正與業界合作推動其商業化。隨著全球對氫氟碳化物（HFCs）的監管趨嚴，這項零排放、高能效的冷卻技術有望重塑空調產業，並為碳中和提供關鍵技術解決方案。消費者將受益於更低的能源帳單，而技術進步也將使冷卻裝置更加緊湊，節省寶貴的室內空間。」

姚樹海教授補充道：「未來，透過開發新型彈熱材料及最佳化旋轉驅動架構，系統的冷卻效能將進一步提升。這些改進有助於實現更大的冷卻功率，意味著室內環境將能在更短時間內降溫。」

這項創新是該研究團隊在不到一年內取得的又一重大突破，其先前開發的多材料彈熱裝置曾創下75 K溫升記錄，相關成果已於2024年發表於《自然能源》期刊。