Une nouvelle structure de refroidissement développée par l'Université des sciences et technologies de Hong Kong en Chine dépasse 100 millions de cycles d'essai

fr.wedoany.com Rapport : Le 6 novembre, l'Université des sciences et technologies de Hong Kong a publié les résultats de recherches sur un nouveau module de refroidissement élastocalorique. L'équipe de recherche a utilisé des feuilles minces en alliage à mémoire de forme nickel-titane, fabriquant par emboutissage et empilement une structure de refroidissement poreuse imitant une ruche. Ce module a supporté plus de 100 millions de cycles de refroidissement lors des essais, et l'équipe de recherche estime, sur la base des conditions d'essai, que sa durée de vie peut dépasser 10 ans. L'article de recherche correspondant a été publié dans la revue académique internationale « Science », offrant une nouvelle solution technique pour la fabrication à faible coût et le fonctionnement à long terme des dispositifs de refroidissement solides.

Cette recherche a été menée par l'équipe du professeur Sun Qingping du département de génie mécanique et aérospatial de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong, visant principalement à résoudre les problèmes auxquels la technologie de refroidissement élastocalorique est confrontée dans les applications d'ingénierie : coût de fabrication élevé, durée de vie en fatigue structurelle limitée et difficulté à concilier les performances d'échange thermique. Les équipements de refroidissement traditionnels utilisent généralement un cycle à compression de vapeur, transférant la chaleur par compression, condensation, détente et évaporation du réfrigérant. Le refroidissement élastocalorique, quant à lui, exploite la transition de phase réversible des alliages à mémoire de forme sous contrainte mécanique, libérant ou absorbant de la chaleur lors du chargement et du déchargement, réalisant ainsi un refroidissement solide sans dépendre des réfrigérants à cycle traditionnels.

En ce qui concerne la fabrication de la structure centrale, l'équipe de recherche a développé un procédé d'emboutissage et d'empilement. Tout d'abord, des feuilles minces commerciales en alliage à mémoire de forme nickel-titane sont embouties en puces indépendantes à structure poreuse, puis plusieurs puces sont empilées successivement pour former un module de refroidissement tubulaire. La structure poreuse augmente la surface de contact entre le matériau et le fluide caloporteur, tandis que les connexions intercouches forment des unités structurelles relativement indépendantes. Par rapport aux structures tubulaires continues traditionnelles, la conception stratifiée permet de limiter la propagation des fissures à travers l'ensemble du module, réduisant le risque de défaillance structurelle globale causée par des charges mécaniques répétées.

Le nouveau procédé peut produire environ 100 puces en alliage poreux par minute. Comparé à la méthode d'usinage par électroérosion à fil utilisée dans la recherche, la vitesse de production est plus de 100 fois supérieure et le coût de fabrication est réduit d'environ 95 %. Le procédé traditionnel d'électroérosion à fil nécessite un usinage de précision progressif du matériau d'alliage, avec un cycle de production long et un coût élevé ; l'emboutissage, en revanche, réalise la mise en forme en série par moule, suivie d'un assemblage par empilement, réduisant les étapes d'usinage pièce par pièce.

Lors des essais de durabilité, la nouvelle structure a supporté cumulativement plus de 100 millions de cycles de fonctionnement, et l'équipe de recherche estime sur cette base que sa durée de vie dans les conditions d'essai peut dépasser 10 ans. La structure est composée de plusieurs puces poreuses indépendantes superposées, et les interfaces intercouches peuvent entraver la propagation continue des fissures, évitant ainsi qu'une structure continue unique ne subisse une fissuration longitudinale étendue après un endommagement local par fatigue. Pour les équipements de refroidissement nécessitant des chargements et déchargements mécaniques répétés à long terme, cette conception structurelle contribue à améliorer la fiabilité en fatigue du module de refroidissement central.

Afin de vérifier la capacité de refroidissement réelle, l'équipe a fabriqué un prototype de dispositif de refroidissement élastocalorique, dont l'unité de refroidissement centrale ne mesure que 30 millimètres de long et est composée de 200 puces poreuses en nickel-titane empilées. Les essais montrent que le dispositif atteint un écart de température maximal de 11,7 kelvins et une puissance frigorifique spécifique de 3,85 watts/gramme. L'écart de température représente la différence de température maximale pouvant être établie entre les côtés chaud et froid du dispositif de refroidissement, et non une baisse directe de 11,7 degrés Celsius de la température ambiante intérieure. La puissance frigorifique spécifique reflète la capacité de refroidissement fournie par unité de masse de matériau réfrigérant.

Par rapport aux systèmes de refroidissement traditionnels à compression de vapeur, le refroidissement élastocalorique présente la caractéristique technique de ne pas dépendre des réfrigérants à cycle traditionnels, mais sa consommation énergétique globale est également influencée par le dispositif d'entraînement mécanique, le système d'échange thermique et le mode de contrôle de l'équipement.