물리학

Nov 09, 2023

적용된 전기, 자기 또는 기계적 힘에 반응하여 냉각되는 재료를 사용하는 냉동 시스템은 대부분의 가정과 공장에서 발견되는 온실가스 누출 시스템에 대한 환경 친화적인 대안을 제공합니다(특집: 21세기 냉각의 뜨거운 추구 참조). 이제 연구자들은 소위 "칼로리 냉각" 시스템 중 하나의 비용 효율적이고 확장 가능한 버전을 시연했습니다[1]. 기계적 힘에 반응하는 재료를 사용하는 그들의 접근 방식은 자기장에 의존하는 방법으로 달성한 성능 기록을 넘어섰습니다. 연구원들은 그들의 기술이 제조 및 운영 비용이 훨씬 저렴하며 1년 이내에 상업적으로 사용될 준비가 될 수 있다고 말합니다.

자기 기반 냉각 시스템은 1998년에 내용물을 1,500시간 동안 차갑게 유지하는 실온에 가까운 시스템을 시연하면서 초기에 명성을 얻었습니다[2]. 이 시스템에서는 자기열량 물질에 자기장이 적용되어 온도가 상승했습니다. 원자 진동이 물질의 짝을 이루지 않은 스핀이 정렬됨에 따라 손실된 엔트로피를 보상하기 때문입니다. 필드를 끄면 증가가 반전되어 이 물질이 가정용 냉장고의 냉각 코일에 사용할 수 있는 냉매 역할을 할 수 있습니다. 그러나 자기열량 효과를 유도하려면 강한(> 1 테슬라) 자기장이 필요하며 이는 희토류 합금이 포함된 값비싼 영구 자석에 의해서만 제공될 수 있습니다.

대안적인 접근 방식은 탄력성 칼로리 물질을 사용하는 것입니다. 이러한 물질은 물질의 상을 부분적으로 변화시킬 만큼 큰 기계적 힘을 받을 때 엔트로피에 의해 유발된 온도 변화를 겪습니다. 2012년 메릴랜드 대학의 다케우치 이치로(Ichiro Takeuchi)는 니켈과 티타늄(NiTi)으로 만든 시중에서 판매되는 와이어가 늘어나면 온도 상승이 손으로 느낄 수 있을 만큼 커진다는 사실을 발견했습니다. 그는 나중에 NiTi 튜브를 압축할 때 온도 감소가 발생한다는 사실을 발견하고 2016년에 그 효과를 사용하여 초기 전기열량 냉각 시스템을 개발했습니다. Takeuchi는 "우리는 약 10년 전부터 압축 모드에서 NiTi 튜브를 사용하여 [저전력 냉각] 시스템을 만들기 시작했습니다."라고 말합니다.

이제 메릴랜드 대학의 Takeuchi와 Reinhard Radermacher가 이끄는 팀은 탄소 배출이 없는 냉동 경쟁의 선두에 탄력성 칼로리 냉각을 도입했습니다. 2016년 데모와 새로운 데모 사이에는 유체 회수율이 향상되고 마찰로 인한 열 손실이 감소하며 밀도가 높은 튜브 묶음을 제공하는 몇 가지 엔지니어링 과제가 있었습니다. 새로운 장치에서는 열 교환 유체인 물이 시중에서 판매되는 두 묶음의 NiTi 튜브를 통해 흐릅니다. 두 묶음은 액추에이터를 통해 연결되며, 이 액추에이터는 한 묶음이 다른 묶음을 내릴 때 한 묶음에 하중을 가하여 냉동을 구동하는 압축 주기를 생성합니다. 시스템은 사이클 동안 시스템을 통해 흐르는 물의 양에 따라 두 가지 모드로 작동할 수 있습니다. 한 모드는 냉각 성능을 최적화하고 다른 모드는 온도 범위를 최적화합니다. 팀은 2016년 계획의 4.7K에 비해 시스템을 22.5K까지 냉각할 수 있음을 보여주었습니다.

그러나 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 전환함으로써 효율성을 향상시킬 수 있다고 생각합니다. 이러한 재료는 현재 상업적으로 이용 가능하지 않지만 Takeuchi는 이를 저응력 냉각 시스템에 구현하게 되어 기쁘다고 말했습니다.

Takeuchi와 그의 팀의 데이터는 "매우 인상적"이라고 독일의 Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques에서 열 에너지 변환기를 연구하는 Kilian Bartholomé는 말합니다. 그는 거의 모든 입증된 엘라스토칼로리 시스템이 냉동 장치에 사용하기 위해 제조되거나 최적화되지 않은 NiTi를 사용한다고 지적합니다. 이는 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 "큰 잠재력"이 여전히 있음을 의미합니다. Takeuchi는 그와 그의 동료들이 1년 이내에 기술을 상업적으로 실행 가능하게 만들 만큼 시스템 성능을 향상시킬 수 있을 것이라고 믿습니다. 그가 구상한 첫 번째 응용 분야는 소형 와인 쿨러입니다.