在弹热冷却过程中冰箱通过弯曲人造肌肉来冷却

世界上第一台冰箱只能容纳一个小瓶子，该冰箱用镍钛合金(一种镍钛合金)制成的人造肌肉进行冷却。但由StefanSeelecke和PaulMotzki教授领导的团队将于4月22日至26日在汉诺威工业博览会上展示的迷你原型具有开创性：它表明弹热学正在成为实际应用的可行解决方案。这种气候友好型制冷和供暖技术比现有方法更加节能和可持续。

该研究团队正在萨尔大学和机电一体化与自动化技术中心(ZeMa)的多个研究项目中开发新的加热和冷却技术。

这项新技术现已集成到一个小型紧凑型冰箱原型中，它基于一个极其简单的原理：通过拉伸电线并再次释放它们来消除空间中的热量。被称为“人造肌肉”的形状记忆线由超弹性镍钛诺制成，吸收冷却室中的热量并将其释放到外部环境。

在萨尔大学和萨尔布吕肯中心进行研究的StefanSeelecke教授解释说：“我们的弹热过程使我们能够实现约20摄氏度的温差，而无需使用破坏气候的制冷剂，其能源效率比当今的传统技术高得多。”机电一体化和自动化技术(ZeMa)。

弹性热材料的效率是当今空调系统或冰箱的十倍以上。美国能源部和欧盟委员会宣布萨尔布吕肯开发的冷却技术是现有工艺最有前途的替代方案。它可以从比小型冷却室大得多的空间中提取热量，工程师们现在使用小型冷却室在汉诺威工业博览会上演示弹性热学。它还可以为更大的空间供热。通过超弹性线进行的热传递也适用于加热应用。鉴于气候变化、能源短缺以及不断增长的制冷和供暖需求，该工艺代表了未来极具前景的解决方案。

为了传输热量，研究人员利用镍钛诺人造肌肉的特殊“超能力”：形状记忆。由这种合金制成的电线会记住其原始形状，并在变形或拉伸后恢复到原来的形状。就像肌肉弯曲一样，它们可以变长然后又变短，也可以紧张和放松。其原因在于镍钛诺的内部深处，它有两个晶格——两个可以相互转化的相。与水的相有固相、液相和气相不同，镍钛诺的两相都是固相。

在晶体结构的这些相变过程中，金属丝吸收热量并再次释放热量。“形状记忆材料在超弹性状态下拉伸时会释放热量，释放热量时会吸收热量，”萨尔大学和ZeMa智能材料系统部门负责人、跨机构教授PaulMotzki教授解释道。研究小组。如果将多根电线捆绑在一起，这种效应就会加剧——由于它们的表面积更大，它们会吸收和释放更多的热量。

尽管原理乍一看似乎非常简单，但构建冷却回路需要解决的研究问题非常复杂。在研究团队目前在汉诺威展示的迷你冰箱中，专门设计的专利凸轮驱动器围绕圆形冷却室连续旋转200微米细的镍钛合金丝束。

“当它们绕圈移动时，它们的一侧会受到机械加载，即拉伸，并在另一侧卸载，”博士解释道。学生LukasEhl，正在研究冷却系统。空气通过旋转的线束进入冷却室，电线在冷却室中卸载并吸收空气中的热量。然后，空气在冷却室中的空载电线周围连续循环。当它们继续旋转时，电线将热量传送出冷却室，并在拉伸到冷却室外时释放热量。

“使用这种方法，冷却室可冷却至10-12摄氏度左右，”学生NicolasScherer说道，他正在该项目中进行研究，作为其硕士论文的一部分。

萨尔布吕肯的工程师正在研究驱动器如何使电线永久运动、气流是什么样的、过程以何种方式最有效、需要捆扎多少根电线、在一定的时间内理想地拉伸电线的力度应有多大。冷却水平等等。他们还开发了软件，使他们能够针对不同的应用调整加热和冷却技术，并模拟和规划冷却系统。他们还在研究从材料生产、回收到生产的整个周期。

冰箱只是一个开始。PaulMotzki解释道：“我们希望在工业冷却、电动汽车冷却等广泛应用中发挥弹性热学的创新潜力，以推动电动汽车和家用电器的发展。”

这项新技术是十多年来多个研究项目和多个获奖博士论文项目研究的成果。在DEPART!Saar项目中，研究人员正在与其他研究机构和工业合作伙伴合作。其目的是催生新的技术转让形式并加速进入市场的进程。在几个研究项目和博士论文项目中，工程师们还开发了一种连续运行的冷却和加热演示器，并展示弹性热量如何冷却和加热空气。

在汉诺威工业博览会上，萨尔布吕肯的智能材料系统专家还将以智能微型驱动器、节能机器人抓手和象鼻形状的软机器人手臂的形式展示其形状记忆技术的多功能性。

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