Pres for at fjerne varmen Elastokaloriske materialer kan skabe effektiv grøn køling

fredag 27 mar 15

Journal of Applied Physics

Artikel titel: Elastocaloric effect of Ni-Ti wire for application in a cooling device. Forfattere: J. Tušek, K. Engelbrecht, L.P. Mikkelsen og N. Pryds, alle DTU Energi

Om tidsskriftet Journal of Applied Physics: Journal of Applied Physics er et indflydelsesrigt videnskabeligt tidsskrift, der publicerer nye eksperimentelle og teoretiske resultater indenfor anvendt fysik. Se evt. http://jap.aip.org

Den traditionelle køleteknik baseret på kompressorer er på vej ud, og i kulissen står adskillige afløsere, blandt dem den helt nye elastokaloriske køleteknik. Elastokalorisk køling er potentielt meget mere effektiv og er i modsætning til kompressorbaseret køling baseret på miljøvenlige kølemidler.

En ny køleteknik bygger på, at der sker en temperaturændring, når et såkaldt elastokalorisk materiale udsættes for en mekanisk spænding, fx et tryk. En gruppe forskere fra DTU Energi beskriver i artiklen ”Elastocaloric effect of Ni-Ti wire for application in a cooling device”, der netop er udkommet i Journal of Applied Physics, hvordan den elastokaloriske effekt åbner døren til nye former for køling hvor det aktive materiale er et fast stof, i stedet for de gasser der anvendes i den traditionelle køleteknik.

Den elastokaloriske virkning er en af ​​mange varianter af "kaloriske effekter", et fænomen hvor en pludselig ændring af et ydre felt kan ændre et fast materiales temperatur og andre termodynamiske egenskaber. DTU Energi har forsket i årevis i kaloriske effekter i forbindelse med magnetisk køling, hvor et materiale ændrer temperatur, når det placeres i et magnetfelt (den magnetokaloriske effekt).

Hvad inspirerede forskerholdet, der omfatter eksperter i design og modellering af kølesystemer, til at undersøge potentialet i elastokalorisk køling?

"Det er et vigtigt skridt imod brugen af elastokaloriske materialer til forskellige køleenheder som køleskabe og klimaanlæg eller endda varmepumper."
Postdoc Jaka Tusek, DTU Energi

"Det gjorde den store mængde latent varme, der frigives under den elastokaloriske effekt, såvel som dens potentielt høje effekttæthed, der kan være betydeligt højere sammenlignet med den magnetokaloriske effekt," siger Jaka Tusek, postdoc på DTU Energi og hovedforfatter bag artiklen i Journal of Applied Physics.

Elastocaloric effect on Ni-Ti metalDen elastokaloriske effekt er grundlæggende forbundet med en faseovergang, hvor materialets atomgitter skifter struktur fra en såkaldt austenitisk til en martensitisk fase.

Så hvordan foregår den elastokaloriske afkølingscyklus?

"Når et elastokalorisk materiale i den austenitiske fase bliver udsat for en mekanisk spænding, sker der en transformation til den martensitiske fase under udvikling af varme," forklarer Tusek. "Hvis dette sker hurtigt nok, stiger materialets temperatur, hvorefter det kan afgive varmen til omgivelserne og dermed køle ned til den omgivende temperatur."

Når spændingspåvirkningen fjernes, vender krystalstrukturen tilbage til sin austenitiske fase, hvorved det køler af og imens kan absorbere varme fra sine omgivelser.

DTU-forskerne har med deres arbejde vist at en nikkel-titan-legering (Ni-Ti) kan udvise en reproducerbar elastokalorisk effekt over et bredt temperaturområde ved cyklisk at påtrykke og fjerne en mekanisk spænding.

"Det er et vigtigt skridt imod brugen af ​​elastokaloriske materialer til forskellige køleenheder som køleskabe og klimaanlæg eller endda varmepumper; her ønsker man en temperaturforskel mellem den varme og den kolde side på 30 grader eller mere," forklarer Tusek.

Tusek og hans kolleger har også stabiliseret Ni-Ti-legeringen for at sikre den reproducerbare effekt, som er afgørende for praktisk anvendelse, og opnået en ensartet elastokalorisk effekt for legeringen.

Selv om varmepumper, klimaanlæg og køleskabe er de teknologier, der har størst sandsynligt for at drage fordel af den elastokaloriske teknologi, påpeger Tusek at der er mange andre anvendelser: "Elastokalorisk køling kan ses som en direkte erstatning for kompressorteknologien. En, der er mere effektiv og miljøvenlig, og som kan anvendes i en bred vifte af applikationer.” Derudover er teknologien også uafhængig af tyngdekraften og er potentielt så pålidelig, at den kan finde anvendelse i satellitter og rumfartøjer.

”Det næste store skridt er at bygge den første prototype til at demonstrere teknologiens potentiale," siger Tusek. "Og bagefter håber vi så at opbygge mere komplekse, højtydende maskiner, der kan konkurrere med kommercielle teknologier."

I første omgang vil holdet fra DTU fokusere på måder til at øge materialets modstand mod metaltræthed, som anses for at være teknologiens største begrænsning.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.