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未来冰箱制冷可能只需“扭一扭”

来源:科技日报2019-10-28 09:35

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  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,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(Ray H.Baughman)团队的合作研究。

  降低温度一“扭”就行

  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,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。

  “扭热制冷”中的另外一个特殊现象是纤维不同部位呈现不同的温度,这是由于纤维加捻产生的螺旋沿纤维长度方向的周期性分布所致。研究人员将镍钛合金丝表面涂上热致变色涂料,可以制成“扭热制冷”变色纤维。在加捻和解捻的过程中,该纤维会发生可逆的颜色变化。“它可用作新型传感元件,对纤维捻度进行远程光学测量。比如,通过使用肉眼观察颜色的变化,就可以知道远处的材料转了几圈,这是一种非常简易的传感器。”刘遵峰说,基于“扭热制冷”原理,一些纤维也可用于智能变色织物。(吴军辉)

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