MWC 2018
2018
Computex
IFA 2018
Группа немецких и японских учёных продемонстрировала твердотельную систему, в которой необходимая для охлаждения механическая работа производится за счёт тепла, вырабатываемого самим охлаждаемым объектом. Чипы в центрах обработки данных смогут сами генерировать необходимую для собственного охлаждения энергию.
Источник изображения: Karlsruhe Institute of Technology
Учёные Университета Цукубы (Япония) и Технологического института Карлсруэ (Германия), рассказали о системе, в которой необходимы для эластокалорического охлаждения электрический привод заменили термочувствительным сплавом с эффектом памяти формы — это запускает цикл охлаждения от внешнего источника тепла, а не традиционного привода. Прототип включает две сверхтонкие металлические плёнки, выполняющие функции привода и хладагента. 22-мкм плёнка из титано-никелевого сплава (TiNi) при нагревании сжимается, преобразуя тепловую энергию в механическое движение — в результате растягивается плёнка хладагента из титано-никелево-железного сплава (TiNiFe) толщиной 26,5 мкм и вызывается обратимый фазовый переход, который приводит к охлаждению.
В ходе лабораторных испытаний выступающую термоприводом плёнку TiNi нагрели током до 86 °C и вызвали на плёнке хладагента перепад температур в 12,9 К, в результате чего перепад между холодной и горячей частями системы составил 4 К. Когда электричество заменили прямым нагревом от внешнего источника с температурой 130 °C, и прототип обеспечил охлаждение на 2,2 К.
Используемые в электронике термоэлектрические охладители обычно демонстрируют лишь 10–15 % от теоретического предела эффективности обратного цикла Карно, то есть достигают четверти эффективности современных парокомпрессионных систем. В случае эластокалорического охлаждения сплавы с эффектом памяти формы при механическом воздействии меняют кристаллическую структуру. Механическое напряжение вызывает фазовый переход, из-за которого материал нагревается — после отвода тепла и снятия нагрузки происходит обратный процесс: материал поглощает тепло и охлаждается, то есть в роли хладагента выступает твёрдый сплав. Проблема в том, что этот материал всё равно необходимо растягивать и сжимать многократно — обычно для этого используют механические элементы разного рода, что для миниатюрных систем неприемлемо, поэтому учёные заставили один сплав с эффектом памяти формы приводить в движение другой. При нагревании плёнка TiNi восстанавливает свою первоначальную форму и сжимается, вызывая цикл охлаждения на механически связанной с ней плёнкой TiNiFe, которая, в свою очередь, растягивается.
Термический привод из плёнки TiNi обеспечил отношение силы к перемещению на 14,5 Н/мм, тогда как электромеханические элементы показывают лишь 1,1 Н/мм. Тонкие плёнки также имеют высокое отношение площади поверхности к объёму для быстрой теплопередачи. В первом испытании при нагреве от электрического тока стабильный диапазон температур после 20 циклов при удельной мощности охлаждения 4,43 Вт/г составил 4,0 К; при прямом нагреве от внешнего источника удалось добиться 3,32 Вт/г и 2,2 К соответственно.
В теории подобная система смогла бы поддерживать работу от тепла, выделяемого процессорами при работе. Но на практике при отсутствии температурного перепада между холодной и горячей сторонами охлаждающая мощность пока составляет всего 2,09 мВт, то есть с современными процессорами использовать её пока не получится; среди сдерживающих факторов отмечаются относительно медленное срабатывание и существующую геометрию системы; нагрев также необходимо сделать циклическим. Для увеличения охлаждающей способности учёные пытаются параллельно соединить несколько плёнок. Потребуется масштабирование активного материала, улучшение теплопередачи, рабочей частоты и доказательство долговечности системы.
Источник:
