我国科学家发现"溶解压卡效应"突破制冷技术瓶颈 为数据中心提供绿色冷却新方案

当前,算力基础设施加速布局,支撑数字经济、人工智能应用和工业互联网等发展。

与之相伴的是日益突出的能耗与散热矛盾。

数据中心持续向高功率密度演进,机柜热负荷提升、设备集成度提高,使冷却系统成为能耗“大头”。

业内普遍认为,制冷用电在数据中心总能耗中占比可观,提升冷却效率、降低碳排放已成为行业降本增效与绿色转型的共同课题。

问题在于,传统压缩机制冷依赖工质循环与机械压缩实现制冷,体系成熟、应用广泛,但存在能耗较高、排放压力较大等局限;在高热通量条件下,还面临换热瓶颈和系统体积、噪声、维护复杂度等工程约束。

与此同时,新型固态制冷路径虽在原理上具有低碳潜力,但往往受制于传热速度慢、有效制冷量有限,难以兼顾“效率、冷量、换热”三项目标,制约其走向大规模应用。

此次研究的意义,在于为上述矛盾提供了新的物理与工程思路。

研究团队在实验中发现,硫氰酸铵溶液在压力变化作用下出现强烈热效应:加压过程中发生盐析并放热,卸压后盐快速溶解并显著吸热,室温条件下可在约20秒内实现接近30摄氏度的降温,在更高环境温度下的降温幅度还会进一步增大。

研究将这一现象命名为“溶解压卡效应”,并指出其性能表现超过既有固态相变材料的已知水平。

从原因机理看,这一效应的关键在于把“相变/溶解热”与“压力调控”耦合起来:压力改变溶质溶解度,触发析出与再溶解过程,在较短时间内释放或吸收大量热量。

与固态材料依靠内部结构变化产生温变不同,溶液体系具有天然流动性,能够更高效地把冷量输送到需要降温的位置、把热量带离热源,从而在物理机制上同时强化“制冷能力”和“换热能力”,为突破传统制冷技术在高热通量场景中的效率瓶颈提供了可能。

影响层面,这一发现有望在多个维度带来启示。

其一,面向数据中心、算力机房、通信基站等高耗能散热场景,若能形成稳定可靠的工程化系统,可望在不显著增加系统体积的前提下提升单位工质的制冷输出,并降低冷却环节能耗。

其二,面向“双碳”目标要求,低碳制冷技术的储备与迭代将增强关键基础设施绿色升级的技术选择,推动从“以电换冷”的高能耗模式向更高效的热管理体系演进。

其三,从产业链角度看,新效应、新循环可能带动制冷材料、系统集成与测试评价体系的更新,促进“基础研究—应用验证—标准体系”协同推进。

围绕对策与路径,研究团队已基于该效应提出循环设计思路:通过“加压升温—向环境散热—卸压降温—输出冷量”的四步循环,将制冷工质与换热介质在一定程度上合并,减少中间传热环节损耗。

公开信息显示,该循环单次可实现每克溶液吸收67焦耳热量,理论效率可达77%,呈现出较好的工程潜力。

下一步要走向实际应用,仍需围绕材料体系长期稳定性、循环寿命、系统密封与耐压安全、腐蚀与兼容性、规模化成本以及与现有冷却架构的耦合方式等开展系统验证,并在真实工况下评估其能效、可靠性与维护成本。

前景判断上,随着算力需求增长与能耗约束加剧,高效热管理将成为制约基础设施建设质量的重要因素。

面向更高功率密度的服务器与更紧凑的机房形态,未来冷却技术可能呈现多路线并行:在成熟技术持续优化的同时,新型低碳制冷与先进液冷系统将加快融合,形成从芯片、板级到机柜、机房的分层散热方案。

“溶解压卡效应”的提出,为构建更紧凑、更高效、可拓展的冷却系统提供了新的研究方向,也为我国在绿色制冷领域培育原创性技术、抢占未来产业先机增添了重要支撑。

在全球气候治理与数字经济协同发展的大背景下,"溶解压卡效应"的发现不仅体现了我国在基础研究领域的创新能力,更为实现"双碳"目标提供了关键技术支撑。

这项突破再次证明,面向国家重大需求的前沿基础研究,往往能催生改变产业格局的颠覆性技术。

随着绿色制冷技术的迭代升级,我国在全球气候治理中的科技话语权将得到进一步提升。