엘라스토칼로리 기술이 다음이 될 수 있습니다

Jan 12, 2024

공조, 냉동 및 기타 냉각 기술은 오늘날 전 세계 에너지 소비의 20% 이상을 차지하며, HFC 냉매는 이산화탄소보다 GWP가 수천 배 더 높습니다. 메릴랜드대 재료공학부(MSE) 다케우치 이치로(Ichiro Takeuchi) 교수와 기계공학부(ME) 라인하르트 레이더마허(Reinhard Radermacher), 황윤호 교수팀은 사이언스(Science) 5월 18일호에 기후 변화는 우려되지만 차세대 냉각 장치를 대표할 수 있습니다.

이 기사에서는 Takeuchi와 그의 팀이 "완전히 다른, 완전히 친환경적이며 환경 친화적인 냉각 기술"이라고 설명하는 작업에 대해 자세히 설명합니다. 논문의 첫 번째 저자인 Suxin Quian(PhD '15)은 Radermacher의 프로젝트 작업에 참여한 첫 번째 학생이었습니다. 두 번째 저자인 David Catalini(2020년 박사)는 이러한 발자취를 따라 새로운 냉각 시스템의 설계, 작동 및 테스트 작업을 수행했습니다.

자기열량, 전기열량 및 탄성열량 물질을 포함한 칼로리 물질은 다양한 분야에 적용 시 상전이를 겪고 열을 방출 및 흡수할 수 있습니다. 엘라스토칼로리 시스템의 주요 특징은 다목적 다중 모드 열 교환 아키텍처로 구성된 피로 저항성 니티놀(NiTi) 튜브의 압축 및 방출입니다. 이러한 재료를 상업적으로 실행 가능하게 만들려면 충분한 냉각 능력, 뛰어난 에너지 효율성, 충분한 고장 저항성, 적절한 재료 가용성 및 저렴한 비용 등 까다로운 요구 사항을 충족해야 합니다.

Takeuchi는 "10여년 전만 해도 우리는 NiTi 와이어를 사용하고 있었습니다."라고 설명합니다. “늘리면 손으로 느낄 수 있는 상당한 쿨링 효과를 얻을 수 있습니다. 그때부터 우리는 이 개념을 냉각 장치에 적용하는 것에 대해 생각하기 시작했습니다.” 10년 넘게 이 연구실의 작업은 미국 에너지부로부터 자금을 지원받아 왔습니다.

최근 Science 기사에서 Takeuchi 팀은 다음과 같이 언급했습니다. “단일 실제 프로토타입에서 활성 재생 주기와 대규모 활용 작업의 최상의 측면을 포착하기 위해 우리는 활성 재생 모드의 넓은 온도 범위를 활용하는 다중 모드 탄성칼로리 냉각 시스템을 개발했습니다. 최대 활용 모드의 효율적인 냉각. 프로토타입에서는 열 교환 유체 네트워크에서 밸브의 작동 순서를 제어하여 두 가지 모드를 한 모드에서 다른 모드로 쉽게 전환할 수 있습니다.”

새로운 기술을 사용하면 기체 및 액체 상을 이동시켜 작동하는 HFC와 같은 기존 냉매에 비해 재료가 고체 상태로 유지됩니다. 새로운 시스템은 260와트의 유용한 냉각 전력과 22.5켈빈의 최대 온도 범위를 갖추고 있으며 이는 모든 칼로리 냉각 시스템에 대해 보고된 최고 수준입니다.

Takeuchi는 "지난 8년 동안 개발된 우리의 기술은 1980년대부터 존재했던 자기열량 시스템과 동일한 수준에서 작동할 수 있는 장치와 시스템을 시연할 수 있었습니다."라고 말합니다. 현재 팀은 장치에서 더 높은 성능과 더 큰 온도 상승을 달성하는 동시에 실질적으로 더 낮은 힘이나 응력으로 동일한 효과를 얻을 수 있는 더 부드러운 소재를 식별하기 위해 노력하고 있습니다.

Takeuchi는 "20년 전 우리는 위상 변형 이론을 검증하고 동일한 재료의 다른 측면을 연구하여 형상 기억 합금(액추에이터 재료)을 최적화하여 피로 수명을 연장했습니다."라고 설명합니다. "경쟁력 있는 상업용 장치를 제공하는 핵심은 큰 온도 변화를 겪고, 쉽게 되돌릴 수 있으며, 어떤 경우에는 분해되지 않고 수백만 번의 확장된 주기를 견딜 수 있는 저렴한 재료를 식별하는 것입니다."

팀의 계산에 따르면 보다 효율적인 액추에이터를 사용하면 시스템의 전체 효율성이 6배 향상될 수 있습니다. 또한 연구원들은 더 작은 응력 하에서 유사한 탄성 열량 온도 변화를 나타내는 알려진 구리 기반 재료로 NiTi를 전환하여 효율성을 향상시킬 수 있기를 바라고 있습니다.