德国与日本团队开发出废热驱动固态制冷系统，实现4°C温差

德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）与日本筑波大学的研究团队展示了一种由热驱动、而非电力驱动的固态制冷原型系统。该系统利用形状记忆合金薄膜将热能转化为机械功，再进一步转化为可测量的冷量，为利用废热和太阳能进行制冷提供了新路径。相关成果已发表于《自然·能源》（Nature Energy）。

冰箱、空调和数据中心依靠电力驱动的压缩机，将制冷剂携带的热量从一端搬运到另一端，这一基本工作原理已沿用一百多年。与此同时，制冷与供暖合计约占全球能源消耗的近一半，且许多常用制冷剂本身会加剧全球变暖。弹性热固态制冷被视为一种有前景的替代路线：形状记忆合金在释放先前施加的机械载荷后会发生冷却。不过，此前的弹性热制冷系统仍需电力驱动的致动器来产生所需作用力，因而无法直接利用废热、太阳能等大量可获取的热源。

研究团队将两层功能互补的镍钛超薄膜结合在一起。第一层膜利用形状记忆效应，在加热时收缩，直接将热能转换为机械功，无需电动机；这一运动随即传递给第二层膜，通过对载荷的循环施加与释放，引起晶体结构的可逆变化，从而产生冷量。热力由此取代了原本驱动弹性热制冷系统的电力致动器。

卡尔斯鲁厄理工学院微结构技术研究所（IMT）ZEco热实验室青年研究者团队负责人Jingyuan Xu博士解释，关键创新在于将形状记忆合金的两种互补功能结合：一层薄膜将热转化为机械功，另一层薄膜将该功转化为冷量。这一方式确立了驱动固态制冷的新方法，为利用废热和太阳能开辟了新的可能性。

在致动器温度86°C的条件下，原型系统在部件层面实现了4°C的温差，弹性热制冷剂的温度变化接近13°C，研究团队由此首次在实验中验证了该概念的可行性。该装置还能在130°C的外部热源输入下稳定运行，说明系统可使用真实热源工作。论文第一作者、IMT博士生Yi-Ting Hsiau表示，决定性的时刻在于测量到了确实由热驱动系统产生的冷量，这证明该原理不仅在理论上成立。

当前装置按可行性研究目标设计，尚未针对最大制冷能力进行优化。研究团队正着手将多层薄膜并联，以提升制冷能力。潜在应用覆盖多个方向，包括利用处理器自身废热为计算机芯片冷却，以及借助动力总成热量为车载敏感电子元件制冷。这项研究与日本筑波大学合作完成。研究团队认为这只是开始，通过扩展这项技术，有望开发出紧凑型制冷系统，利用广泛可获得的热源实现可持续制冷。