記者從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所獲悉，近日，該研究所李昺研究員團(tuán)隊(duì)與合作者在制冷技術(shù)領(lǐng)域取得新突破——首次發(fā)現(xiàn)“溶解壓卡效應(yīng)”，有望為高耗能數(shù)據(jù)中心等算力基礎(chǔ)設(shè)施提供低碳、高效的新型冷卻解決方案。該研究成果1月22日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
算力作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其高速發(fā)展背后是日益增長(zhǎng)的能源消耗與散熱需求。數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心總用電的近40%，傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷方案不僅能耗大、排放高，且在應(yīng)對(duì)高功率散熱需求時(shí)面臨換熱效率瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，硫氰酸銨(NH₄SCN)溶液在壓力變化下可以表現(xiàn)出驚人的熱效應(yīng)：加壓時(shí)鹽析出并放熱，卸壓后鹽迅速溶解并強(qiáng)力吸熱，室溫下溶液溫度可在20秒內(nèi)驟降近30℃，在高溫環(huán)境下降溫幅度更大，遠(yuǎn)超已知固態(tài)相變材料性能。這一現(xiàn)象被命名為“溶解壓卡效應(yīng)”。該效應(yīng)將制冷工質(zhì)與換熱介質(zhì)合二為一：利用溶液本身流動(dòng)性實(shí)現(xiàn)高效傳熱，同時(shí)通過(guò)溶解、析出過(guò)程提供巨大冷量，從而打破了長(zhǎng)期以來(lái)困擾制冷領(lǐng)域的“低碳-大冷量-高換熱”不可能三角關(guān)系。
“壓卡效應(yīng)”可以形象地理解為：就像用力擠壓一塊干燥的海綿，海綿內(nèi)部結(jié)構(gòu)被壓緊時(shí)會(huì)發(fā)熱；松開(kāi)手后，海綿迅速回彈，會(huì)從周?chē)諢崃慷儧?。這種固態(tài)材料靠自身結(jié)構(gòu)變化來(lái)制冷的方式，雖原理新穎，但傳熱慢、制冷量有限。而新發(fā)現(xiàn)的“溶解壓卡效應(yīng)”則相當(dāng)于擠壓一塊吸滿(mǎn)鹽水的濕海綿——擠壓時(shí)鹽水被擠出并放熱，松開(kāi)手時(shí)海綿重新吸回鹽水，這一過(guò)程會(huì)強(qiáng)力、快速地吸收周?chē)罅繜崃俊Ｋ粌H制冷能力更強(qiáng)，還因?yàn)橐后w本身能流動(dòng)傳熱，一舉解決了傳統(tǒng)固態(tài)材料“造得出冷、卻送不走熱”的工程難題，為高效、緊湊的冷卻系統(tǒng)開(kāi)辟了全新可能。
△壓力調(diào)控溶解熱實(shí)現(xiàn)高效綠色制冷基于“溶解壓卡效應(yīng)”，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一套四步循環(huán)系統(tǒng)：加壓升溫→向環(huán)境散熱→卸壓降溫→輸送冷量，單次循環(huán)可實(shí)現(xiàn)每克溶液吸收67焦耳熱量，理論效率高達(dá)77%，展現(xiàn)出優(yōu)異的工程應(yīng)用潛力。
該成果為下一代數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)提供了原創(chuàng)性方法，有望推動(dòng)算力基礎(chǔ)設(shè)施低碳運(yùn)行。
(總臺(tái)央視記者 帥俊全 褚爾嘉)