Inspirée des nids d'abeilles, une structure de refroidissement à faible coût dure plus de 100 millions de cycles
La rédaction ·
Grâce à une méthode innovante d’« estampage et d’empilement », l’équipe a fabriqué à moindre coût des puces poreuses en alliage à mémoire de forme (AMF) et les a assemblées en une structure réfrigérante élastocalorique ultra-durable, capable de résister à plus de 100 millions de cycles. Cette avancée ouvre la voie au déploiement à grande échelle de la technologie de refroidissement élastocalorique. Crédit : Université des sciences et technologies de Hong Kong
Face à la demande mondiale croissante de refroidissement, le besoin urgent de technologies de réfrigération durables se fait de plus en plus sentir. Les systèmes conventionnels à compression de vapeur restent énergivores, et les fluides frigorigènes qu'ils utilisent contribuent à l'effet de serre. L'équipe de recherche de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) a mis au point une structure de fluide frigorigène élastocalorique ultra-résistante et économique, inspirée de l'architecture poreuse des nids d'abeilles. Cette structure a fonctionné pendant plus de 100 millions de cycles de refroidissement, avec une durée de vie estimée à plus de 10 ans.
Cette méthode de fabrication accroît considérablement l'efficacité de la production et réduit les coûts, ouvrant la voie au déploiement concret du refroidissement élastocalorique. Ces résultats ont récemment été publiés dans la revue Science sous le titre « Stacked porous NiTi structure with low cost and ultrahigh fatigue life for elastocaloric cooling" ou "Structure poreuse empilée en NiTi à faible coût et durée de vie en fatigue ultra-élevée pour le refroidissement élastocalorique ».
Concilier transfert de chaleur, durabilité et coût
Le refroidissement élastocalorique absorbe et libère la chaleur grâce à la transformation de phase réversible des alliages à mémoire de forme (AMF), offrant une alternative à l'état solide très prometteuse à la réfrigération conventionnelle. Cependant, concilier transfert de chaleur rapide, grande fiabilité mécanique et faible coût de fabrication des structures frigorifiques en AMF demeure un défi majeur pour les applications pratiques.
La plupart des structures existantes utilisent des tubes, des plaques et des fils commerciaux, ou des structures à parois minces produites par électroérosion à fil. Ces méthodes sont souvent associées à des coûts de production élevés, une fabrication lente et une sensibilité à la fatigue et au flambage sous charges répétées. Ces limitations ont freiné le déploiement à grande échelle de la technologie de refroidissement élastocalorique.
Sun Qingping, professeur titulaire de la chaire de génie mécanique et aérospatial à l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) et auteur principal de l'étude, a déclaré : « La fabrication rentable des structures frigorifiques est un facteur déterminant pour le passage du refroidissement élastocalorique des prototypes de laboratoire aux produits fabriqués en série. Ces structures doivent assurer un transfert de chaleur rapide, une fiabilité mécanique extrêmement élevée et, simultanément, un faible coût de fabrication. Réaliser ces trois objectifs représente un défi de longue date pour ce domaine. »
Les puces empilées résistent aux fissures et réduisent les coûts
Pour relever ces défis, une équipe dirigée par Sun a mis au point une méthode d'« estampage et d'empilement ». Cette approche consiste à estamper de fines feuilles d'alliage à mémoire de forme (AMF) commerciales en puces poreuses, puis à les empiler pour former une structure tubulaire de réfrigérant. S'inspirant de la robustesse mécanique exceptionnelle du bambou et des structures en nid d'abeille, cette structure multicouche combine un transfert de chaleur efficace, une fiabilité structurelle remarquable et une fabrication économique. La structure de réfrigérant ainsi obtenue présente trois avantages clés :
Fabrication rapide et économique : le procédé d'estampage peut produire 100 puces SMA par minute, ce qui le rend plus de 100 fois plus rapide et 95 % moins cher que la méthode d'usinage par électroérosion à fil (WEDM) existante.
Durabilité structurelle ultra-élevée : la structure du fluide frigorigène est assemblée à partir de particules poreuses individuelles plutôt que d’une seule structure tubulaire allongée. Les interfaces entre les particules adjacentes contribuent à stopper la propagation des fissures et à prévenir les ruptures longitudinales catastrophiques. Les tests ont démontré que la structure du fluide frigorigène résiste à plus de 100 millions de cycles de fonctionnement, ce qui correspond à une durée de vie estimée à plus de 10 ans dans les conditions de fonctionnement testées.
Performances de refroidissement prometteuses : en utilisant seulement une unité de réfrigérant de 30 mm de long contenant 200 puces SMA empilées, l'équipe a construit un prototype de refroidissement élastocalorique qui a atteint une plage de température maximale de 11,7 K et une puissance de refroidissement spécifique de 3,85 W g⁻¹, démontrant d'excellentes performances de refroidissement.
Sun a déclaré : « Les progrès récents ont démontré l’importante capacité de refroidissement de la technologie élastocalorique. Il est tout aussi important, cependant, de pouvoir fabriquer des structures de réfrigération fiables et rentables. Notre conception empilée combine des matériaux SMA haute performance avec un procédé de fabrication économique, offrant ainsi une voie pratique vers la production à grande échelle de structures de refroidissement élastocaloriques. »
Amélioration des performances pour une utilisation commerciale
Cette méthode de fabrication novatrice ne se limite pas à l'emboutissage de feuilles minces d'alliages à mémoire de forme (AMF). Des structures frigorifiques similaires pourraient également être fabriquées à partir de feuilles minces d'AMF produites par découpe ou gravure laser. À l'avenir, l'équipe s'attachera à améliorer les performances de transfert thermique, à développer des systèmes d'actionnement plus économes en énergie et à concevoir des AMF plus performants afin d'accroître encore l'efficacité et la capacité de refroidissement des dispositifs élastocaloriques, accélérant ainsi la commercialisation de cette technologie potentiellement révolutionnaire.
L'équipe a déposé plusieurs brevets internationaux pour cette technologie afin d'accélérer sa commercialisation.
Cette dernière avancée marque la troisième percée de l'équipe de recherche en un an. En janvier, l'équipe a mis au point le premier congélateur vert élastocalorique au monde capable d'atteindre des températures inférieures à zéro degré Celsius, une découverte publiée dans la revue Nature. En août, elle a perfectionné un alliage NiTiCuCo résistant à la fatigue et conçu le premier dispositif de refroidissement élastocalorique au monde sans dégradation, capable de fournir des performances de refroidissement stables sur le long terme. Ces résultats ont été publiés dans la revue Joule.
Source : hkust.edu.hk