2862
Традиційні парокомпресійні холодильники вже не відповідають енергетичному балансу планети: вони споживають багато енергії та використовують холодоагенти, руйнівні для навколишнього середовища. На зміну їм можуть прийти твердотільні холодильники, які поєднують енергоефективність, безпеку та простоту.
Джерело зображення: ШІ-генерація ChatGPT
Про прорив у сфері твердотільних холодильних установок на основі ефекту еластокалоричного охолодження повідомили вчені з Гонконгського університету науки і технологій (HKUST). Раніше цього року вони двічі повідомляли про успіхи, поступово просуваючись від концепції до працюючих пристроїв. Нова робота присвячена найважливішому етапу: організації недорогого та доступного виробничого процесу надійних твердотільних холодильних елементів, що до сьогодні було проблемою.
Що таке еластокалоричне охолодження
Еластокалоричне охолодження — це явище, за якого тепло поглинається та виділяється внаслідок оборотного фазового переходу сплавів з пам’яттю форми. На відміну від традиційних установок, де використовуються компресор і циркулюючий холодоагент, ця технологія ґрунтується на механічному деформуванні твердого матеріалу. Деформація трохи зміщує кристалічну ґратку матеріалу і призводить до виділення або поглинання тепла під час механічного впливу на метал і його подальшого самостійного «випрямлення».
Джерело зображень: HKUST
Сам ефект відомий давно. Проте було складно поєднати довговічну механічну міцність твердотільного елемента з простотою його виробництва. Конструкції виходили або недовговічними, або надто складними та дорогими у виготовленні. Розробка вчених з Гонконга продемонструвала здатність витримувати деформації протягом 100 млн циклів, що відповідає 10 рокам безперервної роботи в штатних умовах. Виготовлення елементів холодильного вузла вдалося налагодити за допомогою простої штамповки, що дозволяє суттєво знизити витрати.
Конструкція з бджолиних сот
Основна особливість конструкції твердотільного холодильного елемента — структура, натхненна бджолиними сотами. Вчені запропонували технологію штамповки та укладання: тонкі листи сплаву NiTi з пам’яттю форми спочатку пробиваються у вигляді груп сот, а потім із них вирізаються невеликі пластинки. Після цього пластинки з сотоподібними отворами укладаються одна на одну, утворюючи трубчасту конструкцію.
Така архітектура збільшує площу теплообміну, а зазори між окремими елементами не дають тріщинам в одному з них поширюватися вздовж усієї конструкції. На відміну від традиційних цільних тонкостінних елементів, нова структура менш схильна до поздовжнього руйнування та втрати стійкості за багаторазових механічних навантажень.
Метод штамповки дозволяє випускати до 100 пористих елементів на хвилину — більш ніж у 100 разів швидше, ніж традиційна електроерозійна різка проволочним електродом (WEDM). За оцінкою розробників, це знижує виробничі витрати на 95 %. На основі нової конструкції дослідники зібрали експериментальний холодильний модуль довжиною лише 30 мм, що складається з 200 елементів NiTi.
Прототип продемонстрував максимальний температурний перепад 11,7 К (11,7 °C) та питому продуктивність при охолодженні 3,85 Вт/г. Це можна порівняти з ситуацією, коли звичайний 600-Вт холодильник охолоджує елемент масою близько 150 г.
Чого ще не вистачає до повноцінного холодильника
Наостанок варто зауважити: вчені показали лише охолоджуючий елемент. Щоб перетворити його на повноцінний холодильник, потрібно розробити систему регулювання подачі теплоносія, точно узгоджену з фазами переходу сплаву з одного стану в інший (власний нагрів і поглинання тепла), а також механічний привід для циклічної деформації охолоджуючого елемента. У найпростішому випадку це може бути, наприклад, електричний двигун з ексцентриком. Вирішенню цих завдань вчені обіцяють приділити зусилля в ході подальших розробок.
Джерело: toneto.net
