100 miljoen cycli voor nieuwe koeltechniek met gestapelde metaalplaatjes

Meer dan 100 miljoen belastingscycli en 95 procent lagere productiekosten: een nieuwe koelstructuur van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) moet koeling zonder traditionele koudemiddelen dichterbij brengen. De constructie bestaat uit dunne, gestapelde plaatjes van nikkel-titanium en maakt gebruik van een bijzonder principe.

De technologie is gebaseerd op elastocalorische koeling, waarbij materialen warmte opnemen en afgeven wanneer ze mechanisch worden belast en ontlast. Deze techniek wordt onderzocht als alternatief voor conventionele koelsystemen die gebruikmaken van dampcompressie en koudemiddelen.

Een belangrijke hindernis voor grootschalige toepassing is de combinatie van hoge productiekosten en beperkte levensduur. De metalen onderdelen worden tijdens het koelproces voortdurend vervormd en moeten daardoor miljoenen belastingscycli kunnen doorstaan zonder te scheuren of hun eigenschappen te verliezen.

Vormgeheugenlegeringen

Elastocalorische koeling maakt gebruik van zogeheten vormgeheugenlegeringen. Deze materialen kunnen onder invloed van mechanische spanning een omkeerbare verandering in hun kristalstructuur ondergaan. Wanneer het materiaal wordt samengedrukt of uitgerekt, komt warmte vrij. Zodra de mechanische belasting wordt weggenomen, verandert de kristalstructuur terug en neemt het materiaal warmte op uit de omgeving. Door dit proces voortdurend te herhalen en de warmte gericht af te voeren, ontstaat een koeleffect.

Voor hun nieuwe ontwerp gebruiken de onderzoekers een legering van nikkel en titanium (NiTi). Dit materiaal heeft geschikte eigenschappen voor herhaalde faseovergangen, maar de productie van duurzame koelstructuren is doorgaans kostbaar. Onder leiding van hoogleraar Qingping Sun ontwikkelde het onderzoeksteam een productiemethode waarbij dunne platen nikkel-titanium worden gestanst tot kleine, poreuze elementen. Deze worden vervolgens op elkaar gestapeld tot een buisvormige koelstructuur. Het ontwerp is geïnspireerd op de mechanische eigenschappen van honingraten en bamboe. Door de afzonderlijke plaatjes te stapelen ontstaat een structuur die zowel een groot oppervlak voor warmteoverdracht biedt als bestand is tegen herhaalde mechanische belasting.

Het productieproces van deze methode is aanzienlijk sneller dan het gangbare alternatief. Volgens de onderzoekers kunnen met de stansmethode honderd plaatjes per minuut worden vervaardigd. Daarmee is de productie meer dan honderd keer sneller en 95 procent goedkoper dan de onderzochte methode op basis van draadvonken.

Tweehonderd gestapelde plaatjes

Tijdens duurproeven doorstond de koelstructuur meer dan 100 miljoen belastingscycli. Op basis daarvan schatten de onderzoekers dat het materiaal onder vergelijkbare bedrijfsomstandigheden meer dan tien jaar kan functioneren. Daarnaast bouwden zij een werkend prototype met een koelelement van slechts dertig millimeter lang, opgebouwd uit tweehonderd gestapelde NiTi-plaatjes.

Het prototype behaalde een maximaal temperatuurverschil van 11,7 kelvin tussen de warme en koude zijde. De specifieke koelcapaciteit bedroeg 3,85 watt per gram actief materiaal. Deze resultaten laten zien dat de constructie niet alleen mechanisch duurzaam is, maar ook daadwerkelijk warmte kan verplaatsen. Het onderzoeksteam heeft hiervoor inmiddels meerdere internationale octrooiaanvragen ingediend.