传统的制冷方式需要消耗大量电力，而制冷需求却在不断增长。来自卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和日本筑波大学的研究团队提出了一种新方法，并通过原型机进行了演示，该方法利用热能代替以往由电动机承担的制冷功能。
两层超薄形状记忆薄膜相互作用，将热能转化为机械功，最终实现可测量的制冷效果。他们的研究成果为利用废热和太阳能进行固态制冷开辟了新的可能性。相关研究成果已发表在《自然·能源》杂志上。
冰箱、空调系统和数据中心的基本制冷原理在过去一百多年里几乎没有改变。电力驱动的压缩机将制冷剂携带的热量从一个地方传递到另一个地方。随着制冷需求的增长，制冷和供暖几乎占全球能源消耗的一半。更糟糕的是，许多常用制冷剂会加剧全球变暖。
弹性热固态冷却被认为是一种很有前景的替代方案：形状记忆合金在先前施加的机械载荷释放后往往会冷却。然而，迄今为止，弹性热系统一直依赖于电驱动致动器来产生所需的力——这意味着它们无法直接利用诸如废热或太阳能等丰富的热源。
以热能而非电能驱动
这正是该研究团队开发的新方法发挥作用的地方：他们将两层功能互补的超薄镍钛薄膜耦合在一起。第一层薄膜利用形状记忆效应：加热后，它会开始收缩，无须电机辅助即可将热能直接转化为机械功。
这种运动会立即传递到第二层薄膜，循环加载和卸载会引起晶体结构的可逆变化，从而产生冷却效果。因此，热能取代了之前用于驱动弹热冷却系统的电驱动致动器的功能。
“这项创新的关键在于，我们将形状记忆合金的两种互补功能结合起来，一层薄膜将热能转化为机械功，另一层薄膜则将机械功转化为冷量，”卡尔斯鲁厄理工学院微结构技术研究所ZEco热实验室的徐景元博士表示，“通过这种方式，我们正在建立一种驱动固态冷却的新方法，从而为废热和太阳能的利用开辟了令人兴奋的可能性。”
实验室首次验证了制冷能力
在执行器温度为86℃的情况下，原型机在组件层面实现了4℃的温差，而弹性热固态制冷剂的温度变化接近13℃。由此，研究人员首次通过实验验证了其概念的可行性。该装置在外部130℃热源的作用下也能可靠运行，表明该系统能够与实际热源协同工作。
目前的装置是作为可行性研究而设计的，因此尚未针对最大制冷能力进行优化。研究团队正在致力于将多个薄膜并联，以提高制冷能力。潜在应用范围广泛，从利用计算机处理器自身废热进行冷却，到利用汽车传动系统的热量冷却汽车中的精密电子元件，不一而足。
这项研究是与日本筑波大学合作开展的，为实用型热驱动固态冷却技术铺平了道路。徐景元表示：“我们相信这仅仅是个开始，通过扩大这项技术的规模，我们希望开发出能够利用丰富的热源实现可持续冷却的紧凑型冷却系统。”
（来源：中国航空报）
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