香港科技大學(科大)工學院團隊成功開發全球首台能實現低至-12℃的零下彈卡冷凍裝置。是次突破標誌着綠色彈卡冷凍技術應用進一步擴展至全球冷凍業的重大里程碑,更實現了零排放的綠色冷凍,為促進冷凍業的低碳轉型提供切實可行的方案,為應對日趨嚴峻的氣候變化作出貢獻。研究成果已於國際期刊《自然》發表,論文題為「低溫相變合金實現零下彈卡製冷」。
隨着全球暖化問題加劇,製冷需求急速增加,冷凍技術佔全球電力消耗量比例相當高。其中,主流蒸氣壓縮製冷系統極度依賴氫氟烴等具有高全球變暖潛能值的製冷劑。基於形狀記憶合金的彈卡冷凍技術是廣獲學界及業界關注的環保替代方案,具零排放、高能效的特點,毋須使用傳統製冷劑,而是利用形狀記憶合金在循環應力作用下相變潛熱的釋放與吸收來製冷。
這項技術不但為冷凍業脫碳提供新路徑,同時減少碳排放,加強全球應對氣候變化的能力。冷凍業的市場規模與空調業相若,然而,現有彈卡裝置僅可應用於室內空調製冷,因此將技術擴展至冷凍業的應用至關重要。
由科大機械及航空航天工程學系講座教授孫慶平教授帶領的團隊,在彈卡冷凍技術取得新突破。新技術特點體現於材料、傳熱流體及製冷結構的精心設計:
(一)低相變溫度合金:團隊選用高鎳含量(51.2 at%)的二元鎳鈦合金,通過成分調控將奧氏體結束溫度(Af)溫度降至-20.8℃。該合金在低至-20℃環境下仍能表現出優異超彈性和顯著相變潛熱,其絕熱溫變峰值在0℃時可以達到16.3℃,有效工作溫窗寬達48.5℃。
(二)抗凍結傳熱流體:採用30 wt%的氯化鈣水溶液作為傳熱物質。該溶液凝固點低,低溫運行時仍能保持流動性,避免冰晶堵塞,同時與鎳鈦合金表面保持良好濕潤性,降低接觸熱阻,提升傳熱效率。
(三)級聯式管狀結構設計:設備採用壓縮式主動回熱布雷頓循環。回熱器由八個管狀鎳鈦合金單元級聯構成,每個單元包含三個薄壁管結構。這種設計擴大了傳熱面積與體積比(達8.68 mm-1),並獲X光電腦斷層掃描證實,能在900 MPa壓應力下實現均勻壓縮而不屈曲。
在一赫茲的運行頻率下,這台桌面型裝置成功實現了從室溫熱匯約24℃到冷源溫度-12℃的跨越,溫差達36℃,為彈卡冷凍領域首次錄得攝氏零度以下的冷源溫度。研究團隊將設備集成於一個體積為1.0×0.5×0.5m3 (0.25立方米)的裝置中,並在戶外20℃ 至25℃的環境下進行測試。裝置產生的低溫流體成功將一個小型隔熱腔室內的空氣溫度在60分鐘內穩定在-4℃,並將腔室內20毫升蒸餾水在兩小時內完全凍結成冰。這些測試證明了新技術的高效冷凍能力。在性能指標方面,在零溫差條件下,該裝置的單位質量製冷功率可達每克1.43瓦,系統能效最高達3.4,展現了相當可觀的能效潛力。
是次研究對全球脫碳,以應對氣候變化具重大影響力。根據研究引用的數據,全球氫氟烴類製冷劑的年排放量預計在2025年超過12億噸二氧化碳當量,其中約27%來自於攝氏零度以下的冷凍應用。這意味着,僅冷凍業每年產生約3.3億噸二氧化碳當量的溫室氣體排放。
這項零下彈卡冷凍技術的成功示範,為替代現有高全球變暖潛能值的氣體製冷劑提供可行的零排放方案。研究團隊估算,若新技術在全球製冷領域獲廣泛應用,每年有望減少約3.3億噸二氧化碳當量的溫室氣體排放,為實現全球氣候目標作出重大貢獻。
科大研究團隊負責人孫慶平教授表示:「這項研究成果展示了彈卡冷凍技術大規模應用的潛力,我們正與業界緊密合作,積極推動技術的商業化。隨着全球對氫氟碳化物(HFCs)管控愈趨嚴格,這項零排放、低耗能的冷凍技術有望重塑冷凍業的格局,為實現碳中和目標提供關鍵技術方案。借助形狀記憶合金材料、製造工藝、熱力學設計及系統工程技術的進步,我們將致力優化彈卡冷凍系統的效率、功率密度和成本競爭力,以實現更大的冷凍功率、更高的效能。」
孫慶平教授及周國安教授為科大潘樂陶氣候變化與可持續發展研究中心成員,中心主任陸萌茜教授表示:「團隊在彈卡冷凍技術領域取得的新突破,標誌着中心在應對氣候變化方面的重大進展。這項研究已在國際權威期刊《自然》上發表,為中心自2025年7月成立以來取得的重要成就,也實踐了中心為全球氣候韌性和可持續發展提供有效解決方案的使命。」
這個研究項目獲香港研究資助局轄下「策略專題研究資助金」及「優配研究金」計劃、香港創新科技署,以及深港合作項目的重點支持。
此次更是孫教授的研究團隊在一年內再度於《自然》發表研究成果。團隊去年二月首次於該期刊發表有關全球首台千瓦級彈卡製冷空調裝置的研究,論文題為《Achieving Kilowatt-Scale Elastocaloric Cooling by a Multi-Cell Architecture》。
關於香港科技大學
香港科技大學(科大)(https://www.hkust.edu.hk/) 是國際知名的大學,致力推動創新教學、卓越研究及具影響力的知識轉移。科大著重為學生提供全面及跨學科的教學,於《2026年 QS 亞洲大學排名》中排行第六,《泰晤士高等教育全球年輕大學排名榜2024》中排行第三,並在《泰晤士高等教育大學影響力排名2025》中全球排第19、全港第一。另有 13 個科目躋身《2025 年 QS 世界大學學科排名》全球50強,其中「數據科學及人工智能」學科全球排名第17位,蟬聯本地大學之冠。此外,科大在全球大學就業能力排名中,一直位處全球首30名以內,反映畢業生極具競爭力。在研究及創業創新方面,逾八成的科大研究,於香港的大學教育資助委員會最新的「2020研究評審工作」被評為「國際卓越」或「世界領先」水平。截至2025年7月,科大成員共創立了逾1,900間至今活躍的初創公司,當中包括10間獨角獸企業和17間成功退場的公司(上市集資或被併購)。