Материал для эффективного твердотельного охлаждения

Некоторые известные эластокалорические материалы начинают демонстрировать ухудшение охлаждающих способностей уже после сотен циклов. К удивлению новый синтезированный материал не изменился после миллиона рабочих 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 на производстве в коммерческих целях. Исследование опубликовано в журнале «Наука» (Science) [1].

Процессы, используемые в системах охлаждения и отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха по всему миру, - это бизнес на миллиарды долларов. Охлаждение за счет компрессии пара, доминирующее на рынке более 150 лет, имеет высокую эффективность, но оно использует химические хладагенты, которые оказывают влияние на изменение климата, степень которого определяется коэффициентом 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 разработки твердотельных систем охлаждения, поскольку они могут отбирать тепло из системы с помощью обратимого фазового преобразования.

Обнаружено, что сплавы с памятью формы обладают значительным эффектом эластокалорического охлаждения. Однако наличие гистерезиса (потери работы на каждом цикле) и усталость материалов с последующим их разрушением 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, разработки в этой области велись в течение 40 последних лет и только сейчас они подошли 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 охлаждающие теплообменники».

«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 будут служить десять лет или дольше. Эту проблему можно решить с помощью представленного исследования».

Изобретение подверглось тщательному тестированию - материал испытал миллион рабочих циклов за четыре месяца и сохранил свою целостность. «Некоторые известные эластокалорические материалы демонстрируют ухудшение охлаждающих способностей уже после сотен циклов. К удивлению, новый синтезированный материал не изменился после миллиона циклов, сохраняя возможность охлаждения на 4 °С».

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1126/science.aax7616

Источник: University of Maryland