Материал для эффективного твердотельного охлаждения

Некоторые известные эластокалорические материалы начинают демонстрировать ухудшение характеристик охлаждения уже после сотен циклов. К удивлению новый синтезированный материал не изменился после миллиона циклов, сохраняя возможность охлаждения на 4 °С

Ученые из Университета Мэриленда (UMD) разработали новый эластокалорический охлаждающий материал, состоящий из никель-титанового (Ni-Ti) сплава и изготовленный по аддитивной технологии. Он высокоэффективен, экологичен и легко внедряем для коммерческого использования. Исследование было опубликовано в журнале Science.

Процессы, используемые в системах охлаждения и отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха по всему миру, - это бизнес на миллиарды долларов. Компрессионное охлаждение паром, которое доминирует на рынке более 150 лет, не только высокоэффективно, но также использует химические хладагенты с высоким потенциалом глобального потепления GWP

Твердотельное эластокалорическое охлаждение, где для выделения и поглощения скрытой теплоты к материалам применяется нагрузка, разрабатывалось в течение последнего десятилетия и считается важнейшим направлением в так называемых альтернативных технологиях охлаждения.

Эластокалорические материалы можно использовать для твердотельных систем охлаждения, поскольку они могут откачивать тепло из системы с помощью обратимого фазового превращения.

Обнаружено, что сплавы с памятью формы (SMA) обладают значительным эффектом эластокалорического охлаждения. Однако, наличие гистерезиса (потери работы на каждом цикле) и усталость материалов с последующим отказом остается нерешенной проблемой.

Было установлено, что лазерное плавление эластокалорических металлов может создавать устойчивые к усталости микроструктуры. После этого международная команда исследователей разработала улучшенный эластокалорический охлаждающий материал из смеси никеля и титана, полученный с помощью 3D-принтера. Этот материал оказался чрезвычайно эффективным и экологичным в использовании и его можно легко масштабировать для использования в более крупных устройствах.

«В этой области альтернативных технологий охлаждения очень важно работать в направлениях, как со стороны материалов, так и со стороны конструкции систем». «Только тогда, когда эти два усилия будут тесно связаны, можно добиться ощутимого прогресса».

Для сравнения, существует три класса технологии калористического охлаждения - магнитокалорическая, электрокалорическая и эластокалорическая - все они экологически чистые и не связаны с преобразованием паров. Магнитокалорическая технология самая старая из трех, она была в разработке в течение 40 последних лет и только сейчас подошла к грани коммерциализации.

«Потребность в аддитивной технологии, известной также как 3D-печать, в этой области особенно важна, поскольку произведенные с помощью нее материалы могут использоваться и как теплообменники, обеспечивая охлаждение».

«Важной частью этой технологии, которая не часто обсуждается, является усталость материалов - они изнашиваются». «Это касается вопроса, когда люди ожидают, что их холодильники или другая техника прослужат десять лет или дольше. Эту проблему можно решить в данном исследовании».

Исследователи тщательно протестировала свое творение - материал был подвергнут миллиону циклов за четыре месяца и все еще сохранял свою целостность. «Некоторые известные эластокалорические материалы начинают демонстрировать ухудшение характеристик охлаждения уже после сотен циклов. К удивлению, новый синтезированный материал не изменился после миллиона циклов, сохраняя возможность охлаждения на 4 °С».

Источник: University of Maryland