德國薩爾大學(xué)(Saarland University)和德國機(jī)電一體化與自動化技術(shù)中心（ZeMA）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)推出了一項(xiàng)創(chuàng)新的空調(diào)技術(shù)，有望顯著節(jié)約能源和環(huán)境效益
該系統(tǒng)可以通過利用鎳-鈦（Ni-Ti）形狀記憶合金中的“彈性熱效應(yīng)”來冷卻和加熱，而不使用揮發(fā)性制冷劑或燃燒化石燃料。被稱為彈性熱，這項(xiàng)利用突破性的彈性熱方法比傳統(tǒng)系統(tǒng)更清潔。
這項(xiàng)運(yùn)用彈性熱學(xué)的技術(shù)已獲得國際認(rèn)可，歐盟委員會稱其是傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的領(lǐng)先替代方案，更被世界經(jīng)濟(jì)論壇評為2024年"十大新興技術(shù)"之一。
該領(lǐng)域的先驅(qū)斯特凡·塞勒克教授和保羅·莫茨基教授表示，他們的原型展示了超薄鎳鈦線材或片材的反復(fù)機(jī)械變形如何有效地將熱量從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。其結(jié)果是一個(gè)既可以作為冰箱又可以作為熱泵的空調(diào)系統(tǒng)，比傳統(tǒng)設(shè)備提供更高的能效。
形狀記憶合金的運(yùn)作原理
鎳鈦合金的"形狀記憶"特性是彈性熱制冷的驅(qū)動力。不同于水在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，鎳鈦諾（Nitinol）是在兩種固態(tài)晶體相之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)受到拉伸（即施加張力）時(shí)，該材料會吸收熱量。
一旦載荷解除，合金便會恢復(fù)原始晶相，并將吸收的熱量釋放到外部環(huán)境中?？諝饬鹘?jīng)受力或未受力的材料時(shí)，會以高度可控的方式獲得或失去熱量。圍繞這一現(xiàn)象構(gòu)建實(shí)用化系統(tǒng)，需要精密的工程設(shè)計(jì)。
薩爾布呂肯研究團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出原型機(jī)，通過周期性拉伸和松弛鎳鈦合金絲或薄片，使熱量持續(xù)傳遞至流動介質(zhì)（如空氣或水-乙二醇混合液）或從中導(dǎo)出。
環(huán)保與能效雙贏
這些原型機(jī)通過摒棄傳統(tǒng)制冷劑，在提升整體能效的同時(shí)顯著降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。大眾汽車、弗勞恩霍夫研究所等政府及產(chǎn)業(yè)界合作伙伴正與研究團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)電動汽車、住宅建筑等領(lǐng)域的空調(diào)應(yīng)用方案。
實(shí)用化的前景
這一專項(xiàng)項(xiàng)目獲得超1700萬歐元投資及政府350萬歐元追加資助，彈性熱制冷技術(shù)正快速走向商業(yè)應(yīng)用。首批開發(fā)中的原型包括：電動汽車輕型空調(diào)系統(tǒng)，以及電動車牽引電池冷卻裝置。
在針對住宅建筑方面，團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)可通過外墻通風(fēng)口調(diào)節(jié)室溫的緊湊型系統(tǒng)。測試數(shù)據(jù)顯示，單級彈性熱制冷組件可實(shí)現(xiàn)約20°C的溫差調(diào)節(jié)，而多級解決方案可實(shí)現(xiàn)更大溫差。
研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過15年的研究成功研制出全球首臺連續(xù)運(yùn)行的"空氣-空氣"彈性熱制冷原型機(jī)，以及首臺彈性熱微型冰箱。在漢諾威工業(yè)博覽會上，研究團(tuán)隊(duì)展出了一款由200微米超細(xì)鎳鈦合金絲束驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)凸輪軌道冰箱，這些合金絲可在運(yùn)行中持續(xù)進(jìn)行張力加載與釋放循環(huán)。
當(dāng)鎳鈦合金絲在制冷腔體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的熱量傳遞。結(jié)合人工智能的自感知技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測金屬絲形變，確保精準(zhǔn)控溫。
薩爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過融合尖端材料科學(xué)與實(shí)用工程技術(shù)，為未來更安全、更清潔、更高能效的溫控系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。其彈性熱制冷系統(tǒng)有望重塑占全球能耗比重大的溫控產(chǎn)業(yè)，為住宅、汽車等領(lǐng)域提供更可持續(xù)的冷暖解決方案。
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