Более миллиона циклов стабильной работы: создан инновационный эластокалорический охладитель

Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) представили первое в мире эластокалорическое охлаждающее устройство, не подверженное деградации.

Современная холодильная промышленность использует энергоемкие парокомпрессионные системы с хладагентами, которые способствуют усилению парникового эффекта и наносят ущерб озоновому слою. Для устранения этих проблем исследователи из HKUST создали эластокалорическое охлаждающее устройство с твердотельным хладагентом, устойчивым к износу.

Устройство обеспечивает длительное и экологичное охлаждение, демонстрируя стабильную работу на протяжении более миллиона циклов. Эластокалорическое охлаждение основано на обратном фазовом переходе сплавов с эффектом памяти формы под действием напряжения. Это экологичная альтернатива традиционным методам охлаждения. Однако коммерческое применение ограничивается ухудшением характеристик со временем и низкой надёжностью.

Широкое использование коммерческого никель-титанового сплава с эффектом памяти формы в качестве хладагента в большинстве эластокалорических систем охлаждения представляет проблему. Со временем этот материал подвергается структурной усталости, что приводит к ухудшению охлаждающих характеристик.

Исследователи под руководством профессора кафедры механической и аэрокосмической инженерии HKUST Сунь Цинпина создали износостойкий материал с эффектом памяти формы и интегрировали его в конструкцию хладагента. Таким образом удалось создать эластокалорическое охлаждающее устройство, устойчивое к износу и способное поддерживать стабильную эффективность охлаждения в течение длительного времени.

Для этого был разработан новый четвертичный сплав TiNiCuCo с эффектом памяти формы. По сравнению с традиционными материалами NiTi новый материал обеспечивает стабильные эластокалорические характеристики в течение многочисленных циклических фазовых переходов. Его способность выделять и поглощать скрытую теплоту гарантирует стабильную и надёжную работу хладагента.

Исследователи создали двухслойную ребристую конструкцию хладагента для повышения эффективности теплопередачи и устойчивости к изгибу. По результатам испытаний, срок службы превышает 10 млн циклов сжатия.

Архитектура устройства была оптимизирована для снижения тепловых потерь и повышения стабильности работы. Конструкция позволила сократить количество компонентов на 50 % и уменьшить количество ненужных деталей с 15 % до 5 %.

Готовое устройство обеспечивало постоянную мощность охлаждения 400 Вт и поддерживало постоянный перепад температур 41 °C на протяжении более миллиона циклов работы без ухудшения характеристик. Ускоренные испытания на усталость хладагента TiNiCuCo продемонстрировали отсутствие функциональной деградации после 100 млн циклов. Ожидается, что в реальных условиях хладагент будет стабильно работать на протяжении более 10 лет.

Сунь Цинпин подчеркнул, что в настоящее время исследователи уже разрабатывают кондиционер на основе собственной разработки. Они также планируют повысить энергоэффективность, удельную мощность и конкурентоспособность эластокалорических систем охлаждения.

Результаты исследования опубликованы в журнале Joule

Источник: TechXplore