El elemento de refrigeración de níquel titanio resiste 100 millones de ciclos.

Qingping Sun y su equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong desarrollaron el componente para el llamado enfriamiento elastocalórico. Las aleaciones con memoria de forma cambian su estructura cristalina tan pronto como se aplica presión mecánica y liberan calor en el proceso. Cuando se suelta la carga, el metal vuelve a su estado original y se enfría. Un sistema de refrigeración adecuado puede aprovechar este cambio para trasladar el calor de una zona más fría a una más cálida.

Durante mucho tiempo, entre un experimento de laboratorio y un dispositivo posterior se interpuso un problema material fundamental. Aunque un material refrigerante puede provocar cambios de temperatura significativos a corto plazo, esto requiere deformaciones mecánicas repetidas. Millones de repeticiones pueden provocar grietas, el material puede deformarse o romperse por completo. Además, hasta ahora los componentes eran complejos de producir; El nuevo diseño distribuye mejor la carga mecánica y puede producirse mediante un proceso industrial sencillo.

Los resultados fueron publicados por la universidad junto con una referencia al artículo especializado en Science. Para ello, Changfeng Su y sus colegas primero perforan láminas delgadas de níquel-titanio y luego apilan las piezas resultantes en una unidad tubular. El objetivo del trabajo es la producción robusta y económica del propio elemento refrigerante. Los trabajos anteriores sobre enfriamiento elastocalórico se ocuparon principalmente de otros aspectos del principio de enfriamiento.

El níquel titanio cambia su forma cristalina cuando se presiona

El efecto de enfriamiento se activa mediante una transición de fase reversible en la aleación con memoria de forma. Cuando se aplastan, los átomos de la red cristalina se reorganizan y liberan calor. Tan pronto como la tensión mecánica disminuye, la fase original regresa y el material absorbe calor del entorno circundante. El cambio de temperatura se produce mediante una carga y descarga selectiva, mientras que los sistemas clásicos comprimen y expanden un refrigerante gaseoso.

Para un proceso de enfriamiento continuo, el material debe sufrir este cambio repetidamente. Mientras tanto, un medio de transferencia de calor disipa el calor en los lados frío y caliente. Primero, el metal libera energía en forma de calor al ambiente más caliente; Una vez que se aligera la carga, su temperatura disminuye y puede absorber calor de la habitación a enfriar. Luego el proceso comienza de nuevo y el trabajo mecánico de deformar el metal sigue requiriendo energía.

Nuestro artículo sobre enfriamiento elastocalórico con metales con memoria de forma, donde la tensión mecánica desencadena cambios de temperatura, ofrece una explicación detallada del principio básico.

El proceso se denomina enfriamiento de estado sólido porque el material de enfriamiento activo permanece sólido durante todo el proceso. En los equipos frigoríficos por compresión clásicos, sin embargo, un gas refrigerante circula a través del compresor, el condensador y el elemento de expansión. Una solución de estado sólido puede evitar sustancias que, si se liberan, contribuyen al calentamiento global. Que un determinado dispositivo elastocalórico funcione realmente de forma más económica depende del sistema global con su accionamiento y transferencia de calor.

Hong Kong apila placas de metal perforadas para formar un tubo

Al comienzo de la producción se encuentran láminas delgadas hechas de una aleación de níquel y titanio. Un molde crea repetidamente aberturas en el metal, creando virutas porosas con una estructura de panal. A continuación, las piezas individuales se colocan una encima de otra y se conectan formando un elemento de refrigeración tubular. Las aberturas aumentan el área sobre la cual se puede intercambiar calor entre el metal y el medio de transferencia de calor.

Desde el punto de vista mecánico, la división del componente en muchas capas individuales es decisiva. Si se desarrolla una grieta en una placa, la interfaz con la siguiente parte puede retardar su propagación. Sin embargo, en el caso de un componente largo y continuo, una grieta podría continuar a lo largo de la estructura y dividir el elemento. Por lo tanto, la arquitectura apilada está destinada a evitar que daños locales provoquen inmediatamente un fallo de todo el elemento de refrigeración.

Durante el diseño, los investigadores también se centraron en la estabilidad de las estructuras de bambú y panal. Ambos ejemplos ilustran cómo las arquitecturas compartimentadas pueden absorber y distribuir fuerzas mecánicas. En lugar de poner toda la tensión en un único tubo de pared delgada, numerosos elementos pequeños asumen parte de la tensión. Al mismo tiempo, quedan espacios entre ellos para el intercambio de calor.

La velocidad de producción también es relevante para su uso posterior. Según la universidad, el proceso de estampado puede producir 100 virutas de metal por minuto. En comparación con el proceso de electroerosión por hilo utilizado anteriormente, la producción ahora es más de dos órdenes de magnitud más rápida. La universidad estima que el ahorro de costes en la producción de los componentes será de aproximadamente el 95%; Esta información no se refiere expresamente al precio de un refrigerador o sistema de aire acondicionado terminado.

La comunicación original de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong explica el proceso de punzonado y apilado, así como los valores de rendimiento medidos. El siguiente artículo apareció en Science con el título Estructura de NiTi porosa apilada de bajo costo y vida de fatiga ultra alta para enfriamiento elastocalórico.

HKUST mide el rendimiento de refrigeración en el prototipo

Para demostrar su funcionalidad, el equipo produjo una unidad de refrigeración compacta con una estructura activa de sólo 30 milímetros de largo. En su interior hay 200 chips de memoria de forma apilados. En la configuración experimental, el elemento alcanzó un rango de temperatura máximo de 11,7 Kelvin; la capacidad de enfriamiento específica fue de 3,85 vatios por gramo. Estos datos clave describen únicamente el elemento de refrigeración examinado y no pueden equipararse directamente con la capacidad de refrigeración de un electrodoméstico.

El rango de temperatura describe la distancia entre los lados frío y caliente de la configuración experimental. La capacidad de enfriamiento específica relaciona la cantidad de calor disipado con la masa del material activo. Estas dimensiones facilitan la comparación entre diferentes prototipos, pero no son suficientes para una única evaluación práctica. Un dispositivo completo debe absorber y liberar calor de manera eficiente, proporcionar el trabajo mecánico necesario y limitar las pérdidas en todo el circuito.

En conjunto, las mediciones revelan dos avances interdependientes. El componente puede soportar esfuerzos mecánicos repetidos y al mismo tiempo puede producirse mediante un proceso adecuado para cantidades mayores. Esta conexión es importante para los fabricantes, porque un material que se enfría bien en el laboratorio resulta poco atractivo si cada componente debe procesarse individualmente, de forma costosa y lenta. Un fallo prematuro durante el funcionamiento continuo también dificultaría su uso práctico.

HKUST estima la durabilidad basándose en la prueba de resistencia.

Durante la prueba de estrés, la estructura apilada resistió más de 100 millones de ciclos operativos. De este resultado la universidad deriva una vida útil estimada de más de diez años, siempre que el componente se utilice en condiciones comparables. Este valor no es garantía de durabilidad para un futuro frigorífico. Al dispositivo terminado se suman los cambios en la temperatura ambiente, diferentes perfiles de carga, vibraciones y el envejecimiento de otros componentes.

También quedan sin respuesta varias preguntas sobre el enfriamiento elastocalórico en su conjunto. El calor debe entrar y salir del material con bastante rapidez, lo que requiere intercambiadores de calor adecuados y un fluido de transferencia de calor coordinado. El dispositivo también requiere un accionamiento que deforme cíclicamente el metal sin consumir una cantidad desproporcionada de energía. Por tanto, la eficiencia no depende exclusivamente de la aleación ni de su durabilidad mecánica.

Una revisión de los sistemas de enfriamiento elastocalóricos compara la tecnología con los sistemas de compresión establecidos e identifica preguntas abiertas con respecto a la eficiencia, la transferencia de calor y la practicidad.

En comparación con la compresión en frío establecida, la tecnología elastocalórica todavía se considera menos madura. El resumen técnico enumera como obstáculos centrales la eficiencia de todo el sistema, el intercambio de calor y la fiabilidad práctica. El nuevo estudio mejora un componente importante, pero aún no presenta un sistema de aire acondicionado listo para el mercado. Inicialmente, las aplicaciones compactas parecen más realistas que la sustitución a corto plazo de sistemas de aire acondicionado en grandes edificios o vehículos.

La ciencia muestra el siguiente paso hacia la producción en masa

El trabajo fue publicado en la revista Science con el título “Estructura de NiTi porosa apilada de bajo costo y vida de fatiga ultra alta para enfriamiento elastocalórico”. El estudiante de posgrado Changfeng Su es nombrado primer autor; Los autores correspondientes incluyen a Qingping Sun, Qiao Li y Xueshi Li. Además, la universidad informa sobre varias solicitudes de patentes internacionales para la tecnología. Esto indica un reciclaje planificado, pero aún no demuestra una producción industrial en serie.

El grupo de investigación menciona como próximas tareas una mejor transferencia de calor, sistemas de propulsión más eficientes y aleaciones con memoria de forma más potentes. Según la universidad, además del punzonado, también se puede utilizar el corte por láser o el grabado para producir estructuras porosas comparables a partir de finas láminas de aleación. Es necesario examinar por separado si estas variantes logran la misma duración y costes.

Otros sistemas de refrigeración elastocalórica ya forman parte del trabajo del grupo. Proyectos anteriores de la misma universidad incluyeron un prototipo de baja temperatura y un dispositivo con rendimiento de refrigeración estable. El proyecto ahora publicado integra estos desarrollos con una solución de fabricación para el elemento de refrigeración activo. Esto pone mayor énfasis en cómo se puede utilizar material deformable para construir un dispositivo completo, eficiente y económico.

Para la siguiente etapa de desarrollo, el equipo necesita conectar el componente apilado con un variador y un intercambiador de calor para formar un sistema de refrigeración cerrado. Sólo las mediciones en un sistema tan completo pueden determinar la necesidad de electricidad por cantidad de calor disipado y la capacidad de refrigeración disponible permanentemente. Hasta el momento, las pruebas de los componentes no han demostrado que sea un producto comercializable.

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