传统冰箱采用压缩机制冷,将来很可能被效率更高的“扭热冰箱”代替

将四根镍钛合金丝放在一起加捻,解捻后最大降温可达20.8摄氏度,整体平均降温也可达到18.2摄氏度,一个制冷周期,只需要30秒左右

更加高效、节能、绿色、便携的制冷方式是人类不懈探索的方向。近日,在线出版的《科学》(Science)杂志刊文,报道了中美科学家联合研究团队发现的一种柔性制冷新策略——“扭热制冷”。研究团队发现,改变纤维内部的捻度可以实现降温。由于制冷效率更高、体积更小且适用于多种普通材料,欧亿平台欧亿登录代理基于该技术制成的“扭热冰箱”也变得前景可期。

这项成果来自于南开大学药物化学生物学国家重点实验室、药学院、功能高分子教育部重点实验室刘遵峰教授团队,与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校教授、南开大学杨石先讲座教授雷·鲍曼团队的合作研究。

降低温度只需“扭一扭”

根据国际制冷研究机构的数据统计,目前世界上使用空调和冰箱制冷消耗的电能约占全球电能损耗的20%。如今被广泛应用的空气压缩原理制冷,其卡诺效率一般低于60%,传统冰箱制冷过程释放出的气体正在加剧地球变暖。

随着人类对制冷需求的增加,探索新型制冷理论和方案,进一步提高制冷效率,降低成本并减小制冷设备的尺寸,成为当务之急。

天然橡胶拉伸会发热,缩回后温度会降低,这种现象叫“弹热制冷”,早在19世纪早期就已经被发现。但是,要得到较好的制冷效果,需要预先将橡胶拉伸至自身长度的6到7倍,然后缩回去。这意味的制冷需要很大的体积。而且,目前“弹热制冷”的卡诺效率比较低,通常只有约32%。

而通过“扭热制冷”技术,研究人员将纤维状的橡胶弹性体拉长一倍(100%应变),之后把两端固定,从一端旋转加捻,使其形成一种超螺旋结构。随后快速解捻,欧亿2登录注册橡胶纤维的温度降低15.5摄氏度。

“这一结果高于使用‘弹热制冷’技术的降温:拉长7倍的橡胶收缩降温为12.2摄氏度。而如果既把橡胶加捻又伸长,然后同时释放,该‘扭热制冷’降温可达16.4摄氏度。”刘遵峰说,获得相同降温效果的情况下,“扭热制冷”的橡胶体积仅为“弹热制冷”橡胶的七分之二,其卡诺效率却可达67%,远高于空气压缩原理制冷。

钓鱼线、纺织线也能制冷

研究人员介绍,橡胶作为“扭热制冷”材料,还有很多空间可以改进。比如,橡胶质地较软,需要捻很多圈才能获得比较明显的降温,其传热速度较慢,还需要考虑材料的反复使用、耐久性等问题。因此,探索其他“扭热制冷”材料成为研究团队的一个重要突破方向。

“有趣的是,我们发现,‘扭热制冷’方案也适用于钓鱼线、纺织线。之前,人们并没有意识到这些普通的材料可以用来进行制冷。”刘遵峰说。

研究人员先将这些刚性高分子纤维加捻并形成螺旋结构。拉伸该螺旋可以升温,螺旋缩回后温度降低。

实验发现,使用“扭热制冷”技术,聚乙烯编织线可以产生5.1摄氏度的降温,而直接拉伸并释放该材料却几乎观察不到温度变化。“这种聚乙烯纤维的‘扭热制冷’原理是在拉伸—收缩过程中,螺旋内部捻度降低,从而导致能量的变化。”刘遵峰说,这些比较坚硬的材料,比橡胶纤维更为耐久,而且在拉伸很短的情况下,降温幅度也超过了橡胶。

研究人员还发现,将“扭热制冷”技术应用于强度更大、传热更快的镍钛形状记忆合金时,制冷效果更佳,且只需较低的捻度,就会获得比较大的降温。

例如将四根镍钛合金丝放在一起加捻,解捻后最大降温可达20.8摄氏度,整体平均降温也可达到18.2摄氏度。“这要略高于使用‘弹热制冷’技术获得的17.0摄氏度降温。一个制冷周期,只需要30秒左右。”刘遵峰说。

新技术未来可用于冰箱

基于“扭热制冷”技术,研究人员制作了一个冰箱模型,可对流动的水进行降温。他们使用三根镍钛合金丝作为制冷材料,每厘米旋转0.87圈,可以获得7.7摄氏度的降温。

“这项发现距离‘扭热冰箱’的商业化依然有很长的路要走,机遇与挑战并存。”雷·鲍曼说。

刘遵峰认为,该研究发现的这种新型制冷技术,为制冷领域扩充了一个新的板块,将为降低制冷领域能源损耗提供一种新的途径。