Estrutura de refrigeração inovadora desenvolvida pela HKUST de Hong Kong supera 100 milhões de ciclos de teste

De acordo com pt.wedoany.com-Em 6 de novembro, a Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) divulgou os resultados de pesquisa sobre um novo componente de refrigeração elastocalórica. A equipe de pesquisa utilizou lâminas finas de liga de memória de forma de níquel-titânio, fabricando uma estrutura de refrigeração porosa que imita favos de mel por meio de processos de estampagem e empilhamento. O componente suportou mais de 100 milhões de ciclos de refrigeração nos testes, e a equipe estima, com base nas condições de teste, que sua vida útil pode ultrapassar 10 anos. O artigo científico relacionado foi publicado na revista acadêmica internacional《Science》, oferecendo uma nova solução técnica para a fabricação de baixo custo e operação de longo prazo de dispositivos de refrigeração de estado sólido.

Esta pesquisa foi conduzida pela equipe do professor Sun Qingping, do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong, com foco na resolução de problemas enfrentados pela tecnologia de refrigeração elastocalórica em aplicações de engenharia, como alto custo de fabricação, vida útil limitada por fadiga estrutural e dificuldade em conciliar desempenho de troca térmica. Equipamentos de refrigeração tradicionais geralmente utilizam ciclo de compressão a vapor, realizando transferência de calor por meio de compressão, condensação, expansão e evaporação do refrigerante. A refrigeração elastocalórica, por sua vez, utiliza a transformação de fase reversível de ligas de memória de forma sob tensão mecânica, liberando ou absorvendo calor durante os processos de carregamento e descarregamento, alcançando assim refrigeração de estado sólido sem depender de refrigerantes de ciclo tradicionais.

No que diz respeito à fabricação da estrutura central, a equipe de pesquisa desenvolveu um processo de estampagem e empilhamento. Primeiramente, lâminas finas comerciais de liga de memória de forma de níquel-titânio são estampadas em chips individuais com estrutura porosa, e então múltiplos chips são empilhados sequencialmente para formar um componente de refrigeração tubular. A estrutura porosa aumenta a área de contato entre o material e o meio de troca térmica, enquanto as conexões entre camadas formam unidades estruturais relativamente independentes. Em comparação com estruturas tubulares contínuas tradicionais, o design em camadas pode limitar a propagação de trincas ao longo de todo o componente, reduzindo o risco de falha estrutural global causada por carregamento mecânico repetitivo.

O novo processo pode produzir aproximadamente 100 chips de liga porosa por minuto. Em comparação com o método de usinagem por eletroerosão a fio adotado na pesquisa, a velocidade de produção é mais de 100 vezes maior e o custo de fabricação é reduzido em cerca de 95%. O processo tradicional de corte por fio requer usinagem precisa gradual do material da liga, com ciclo de produção longo e custo elevado; o método de estampagem realiza a conformação em lote por meio de moldes, seguido de montagem por empilhamento, reduzindo as etapas de usinagem individual.

Nos testes de durabilidade, a nova estrutura suportou cumulativamente mais de 100 milhões de ciclos de operação, e a equipe de pesquisa estima, com base nisso, que sua vida útil nas condições de teste pode ultrapassar 10 anos. A estrutura é composta por múltiplos chips porosos independentes sobrepostos, e as interfaces entre camadas podem impedir a propagação contínua de trincas, evitando que uma estrutura contínua única sofra fissuras longitudinais em larga escala após dano por fadiga local. Para equipamentos de refrigeração que requerem carregamento e descarregamento mecânico repetitivo de longo prazo, este design estrutural contribui para melhorar a confiabilidade à fadiga do componente de refrigeração central.

Para verificar a capacidade real de refrigeração, a equipe fabricou um dispositivo protótipo de refrigeração elastocalórica, cuja unidade central de refrigeração tem apenas 30 milímetros de comprimento, composta por 200 chips porosos de níquel-titânio empilhados. Os testes mostraram que o dispositivo alcançou uma diferença máxima de temperatura de 11,7 kelvins e uma potência de refrigeração específica de 3,85 watts/grama. A diferença de temperatura representa a máxima diferença de temperatura que pode ser formada entre os lados quente e frio do dispositivo de refrigeração, e não uma redução direta de 11,7 graus Celsius na temperatura ambiente interna. A potência de refrigeração específica reflete a capacidade de refrigeração fornecida por unidade de massa de material refrigerante.

Em comparação com sistemas tradicionais de refrigeração por compressão a vapor, a refrigeração elastocalórica apresenta a característica técnica de não depender de refrigerantes de ciclo tradicionais, mas seu consumo energético global ainda é afetado por dispositivos de acionamento mecânico, sistemas de troca térmica e métodos de controle do equipamento.