科大研「彈卡」製冷劑結構 可持續運作逾一億次循環

香港科技大學研究團隊從蜂巢的多孔薄片堆疊結構取得靈感，成功研發一種低成本、超耐久的「彈卡」製冷劑結構，在測試中可持續運作逾一億次製冷循環，估算使用壽命逾十年。

「彈卡」製冷是利用形狀記憶合金的可逆相變，在反覆加載和卸載過程中吸收和釋放熱量，為傳統製冷技術提供極具潛力的固態替代方案。然而，實際應用時，形狀記憶合金製冷劑結構要同時具備快速換熱、高機械可靠性和低製造成本是一大難題。現有製冷劑的設計大多採用商用合金管、板材和線材，以及利用電火花線切割加工製作的薄壁結構，但往往面對生產成本高、加工效率低，或在反覆加載過程中出現疲勞破壞和屈曲等問題，阻礙「彈卡」製冷技術的大規模應用。

科大機械及航空航天工程學系講座教授、論文通訊作者孫慶平表示：「製冷劑結構是決定『彈卡』製冷能否從實驗室原型機走向大規模生產製冷系統的關鍵因素。它必須同時實現快速換熱、極高機械可靠性和低製造成本，然而要兼顧這三方面是極具挑戰。」

為應對這些挑戰，孫教授帶領的團隊開發出一種「沖壓與堆疊」（Stamping and Stacking）方法，能將形狀記憶合金薄片沖壓成多孔薄片，再逐片堆疊形成管狀製冷劑結構。設計靈感源自竹子和蜂巢等天然結構的高力學穩定性，使分段式堆疊結構能同時兼顧高效換熱、高結構可靠性及低成本製造。

團隊以「沖壓與堆疊」方法快速、低成本地製作出多孔形狀記憶合金薄片，並將其組裝成可承受超過一億次循環的超耐久「彈卡」製冷劑結構，以推動「彈卡」製冷技術邁向規模化應用。（科大提供）

沖壓工藝每分鐘可製作100片形狀記憶合金多孔薄片；與電火花線切割加工方法相比，這種製冷劑生產速度提高逾100倍，製造成本降低約95%。新型製冷劑結構由多片獨立的多孔薄片逐層堆疊而成，而非採用傳統的一體式長管結構。相鄰薄片之間的界面可有效阻止裂紋在整個結構中擴展，避免災難性的縱向劈裂失效。測試結果顯示，新型製冷劑結構可承受超過一億次運行循環；按照研究採用的運行條件估算，使用壽命可超過10年。

研究團隊利用一個長30毫米、由200片形狀記憶合金多孔薄片堆疊而成的製冷劑單元，構建了一套「彈卡」製冷原型機。該裝置實現11.7開爾文的溫跨，以及高達3.85瓦特每克（W/g）的比製冷功率，展現極佳製冷性能。

孫慶平表示，堆疊式設計將高性能材料與高效製造工藝結合，為「彈卡」製冷劑結構的規模化生產提供了切實可行的方法。

堆疊式設計並不限於沖壓工藝，類似的製冷劑結構亦可透過激光切割或蝕刻等規模化生產方法製作。研究團隊下一步將提升製冷劑結構的換熱性能，並開發更高效能的驅動系統、高性能的形狀記憶合金材料等，以進一步提高「彈卡」製冷系統的能源效率和製冷能力，推動這一顛覆性技術的落地與商業化。

論文以「Stacked porous NiTi structure with low cost and ultrahigh fatigue life for elastocaloric cooling」為題，已發表於國際學術期刊《科學》。是次論文通訊作者還包括科大機械及航空航天工程學系研究助理教授黎橋教授及李學師博士，第一作者為博士生蘇長豐，研究團隊成員包括博士生李楊和胡驥原。

是次創新成果為研究團隊於一年內取得的第三項重大突破。今年1月，團隊已研發出全球首台能達到攝氏零下12度的綠色「彈卡」冷凍裝置，並於國際學術期刊《自然》發表成果。同年8月，團隊開發出抗疲勞鎳鈦銅鈷（NiTiCuCo）記憶合金，並構建全球首台零衰減「彈卡」製冷裝置，具長期穩定的製冷能力，並於國際能源科學期刊《焦耳》發表成果。@