Цікавості

Команда інженерів продемонструвала твердотільний охолоджувач, який здатен використовувати тепло для створення холоду. Такий підхід може в перспективі дозволити процесорам та іншій гарячій електроніці частково охолоджувати себе за рахунок власного відпрацьованого тепла, повідомляє Nеw Аtlаs.Пристрій розробили дослідники з Німецького Інституту технологій Карлсруе (Каrlsruhе Іnstіtutе оf Тесhnоlоgy, КІТ) та Університету Цукуби в Японії. Вони поєднали дві надтонкі плівки зі сплавів з пам’яттю форми: одна перетворює тепло на механічний рух, а інша — цей рух на охолодження. Робота опублікована в журналі Nаturе Еnеrgy.

Чим твердотільне охолодження відрізняється від звичайних холодильників

Більшість побутових холодильників і кондиціонерів працюють за принципом парокомпресійного циклу. Електричний компресор стискає холодоагент, підвищуючи його тиск і температуру, потім той віддає тепло назовні, розширюється, охолоджується і знову поглинає тепло з охолоджуваного об’єму.Твердотільні системи йдуть іншим шляхом: замість перекачування газу вони використовують матеріали, температура яких змінюється під дією зовнішнього впливу. Наприклад, термоелектричні елементи Пельтьє переносять тепло під дією електричного струму, магнітокалоричні матеріали реагують на магнітне поле, а електрокалоричні — на електричне.Окремий клас — еластокалоричне охолодження, де ключову роль відіграє механічна напруга.

Як працює еластокалоричний ефект у сплавах з пам’яттю форми

Деякі сплави з пам’яттю форми, зокрема на основі нікелю та титану, змінюють кристалічну структуру при розтягуванні або стисканні. Коли такий матеріал навантажують, він переходить з однієї твердої фази в іншу і при цьому виділяє тепло. Якщо дати цьому теплу вийти, а потім зняти навантаження, відбувається зворотний фазовий перехід, який поглинає тепло і охолоджує матеріал.Повторюючи цей цикл, сплав можна використовувати як твердотільний «холодоагент». Але є проблема: хтось має постійно розтягувати й відпускати матеріал. Сучасні еластокалоричні прототипи зазвичай використовують електромеханічні двигуни або гідравлічні приводи, які споживають електроенергію. Тож хоча сам холодоагент і твердий, система все одно потребує окремого електроприводу.

Дві плівки, два завдання: одна рухає, інша охолоджує

Команда КІТ і Цукуби запропонувала елегантне рішення: використати ще один сплав з пам’яттю форми як «двигун» для охолоджувальної плівки.У прототипі застосовано дві надтонкі металеві плівки. Перша — це титано-нікелева (ТіNі) плівка товщиною 22 мікрометри, яка працює як термопривід. Друга — титано-нікель-залізна (ТіNіFе) плівка товщиною 26,5 мікрометра, що виконує роль еластокалоричного холодоагенту.Коли ТіNі-привід нагрівають, він скорочується. Після зняття тепла повертається до заданої форми і розтягує плівку ТіNіFе. Це розтягування викликає фазовий перехід у холодоагенті та супроводжується виділенням тепла. Після того як це тепло відводиться до теплообмінника, привід остигає і розслабляється, навантаження на холодоагент зменшується, його структура повертається у вихідний стан, і матеріал поглинає тепло, охолоджуючись.Повторне нагрівання приводу знову запускає цикл. Таким чином, одна «розумна» металева плівка перетворює тепло на механічну роботу, а інша — цю роботу на холод.Як підкреслює керівник молодіжної дослідницької групи лабораторії ZЕсо Тhеrmаl Lаb КІТ Цзін’юань Сюй (Jіngyuаn Хu), ключова інновація полягає саме в поєднанні двох доповнювальних функцій сплавів з пам’яттю форми в одному пристрої.

Результати випробувань: мілівати потужності та кілька градусів різниці

Спершу дослідники нагрівали ТіNі-привід електричним струмом (резистивний нагрів). За середньої пікової температури приводу 86 °С (187 °F) сама плівка ТіNіFе забезпечила температурний перепад 12,9 К. Коли врахували теплообмінники та інші елементи прототипу, повний пристрій після 20 циклів вийшов на стабільний перепад температур у 4,0 К.Потім електричний нагрів замінили зовнішнім твердим джерелом тепла з температурою 130 °С (266 °F), яке передавало тепло безпосередньо в привід через контакт. У такій конфігурації охолоджувач продовжував працювати, забезпечуючи сталий перепад температур на рівні пристрою 2,2 К: гаряча сторона була приблизно на 1,2 °С вище початкової температури, а холодна — на 1,0 °С нижче.У цьому режимі система розвивала 2,09 мілівата холодопродуктивності, що відповідає 3,32 Вт на грам активного холодоагенту.

Поки що демонстрація принципу, а не готовий кулер для процесора

Отримані цифри показують, що технологія перебуває на дуже ранній стадії. Абсолютна потужність охолодження вимірюється міліватами, а перепад температур у 2,2 °С занадто малий, щоб впоратися з тепловими навантаженнями сучасних комп’ютерних систем, які розсіюють сотні ватів.Тож про встановлення такого охолоджувача на відеокарту потужністю 500 Вт поки не йдеться. Нинішній пристрій — це насамперед демонстрація можливості: дослідники експериментально показали, що одного лише тепла достатньо, щоб забезпечити механічну дію, потрібну для роботи еластокалоричного циклу.У КІТ описують поточний варіант як дослідження здійсненності, яке ще не оптимізоване за максимальною холодопродуктивністю. Подальші роботи, ймовірно, будуть спрямовані на збільшення температурного перепаду, потужності та ефективності, щоб у майбутньому така технологія могла знайти практичне застосування в енергоефективному охолодженні електроніки та інших систем.Стаття Твердотільний охолоджувач перетворює тепло на холод завдяки сплавам з'явилася спочатку на Цікавості.