Dispositif de refroidissement élastocalorique à compression entraîné par came à rouleaux : une percée dans la densité de puissance de refroidissement

Contexte académique

Avec l’aggravation du changement climatique mondial, la technologie traditionnelle de refroidissement par compression de vapeur (Vapor Compression, VC) est de plus en plus critiquée en raison de l’utilisation de réfrigérants tels que les hydrofluorocarbures (Hydrofluorocarbons, HFCs), qui ont un potentiel de réchauffement global (Global Warming Potential, GWP) élevé. Pour répondre à ce problème environnemental, les chercheurs explorent des alternatives de refroidissement plus respectueuses de l’environnement. Le refroidissement élastocalorique, une technologie de refroidissement basée sur des matériaux solides, attire l’attention en raison de son potentiel de zéro émission de carbone et de haute efficacité énergétique. Le refroidissement élastocalorique est réalisé par la transition de phase induite par la contrainte dans les matériaux, en particulier en exploitant la chaleur libérée et absorbée lors de la transformation de phase des alliages à mémoire de forme (Shape Memory Alloys, SMAs) tels que le nitinol (NiTi).

Cependant, bien que les dispositifs élastocaloriques existants offrent des performances impressionnantes, leur volume important limite leur adoption dans les applications pratiques. Cela est principalement dû à la taille volumineuse des actionneurs nécessaires pour charger les réfrigérants solides, ce qui réduit la compacité des dispositifs et la densité de puissance de refroidissement (Cooling Power Density, CPD). Pour résoudre ce problème, les chercheurs travaillent au développement de dispositifs élastocaloriques plus compacts, réduisant ainsi le volume des appareils tout en augmentant la densité de puissance de refroidissement.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Jiongjiong Zhang (张炯炯), Siyuan Cheng (程思远) et Qingping Sun (孙庆平), respectivement affiliés au Département de Génie Mécanique et Aérospatial de l’Université des Sciences et Technologies de Hong Kong, au Département de Physique de l’Université des Sciences et Technologies du Sud, et à l’École de Génie Mécanique de l’Université des Sciences et Technologies du Hebei. L’article a été publié le 16 mai 2025 dans la revue Device, sous le titre Roller-Cam-Driven Compressive Elastocaloric Device with High Cooling Power Density.

Contenu de la recherche

a) Processus et méthodes de recherche

L’objectif principal de cette étude est de développer un dispositif de refroidissement élastocalorique entraîné par une came à rouleaux, visant à réduire le volume de l’appareil et à augmenter la densité de puissance de refroidissement. Le processus de recherche comprend les étapes suivantes :

1. Conception et construction de l’appareil : Les chercheurs ont conçu un dispositif compact entraîné par une came à rouleaux, utilisant un petit moteur rotatif à la place des actionneurs linéaires traditionnels. Le moteur rotatif offre une densité de puissance et une efficacité mécanique supérieures, réduisant ainsi le volume total de l’appareil. Le cœur du dispositif comprend une came à rouleaux, un actionneur linéaire et un régénérateur. Dans le régénérateur, plusieurs tubes en alliage de nickel-titane (NiTi) dotés de structures internes en ailette sont utilisés comme réfrigérants.

2. Optimisation des matériaux et des structures : Pour optimiser les performances de refroidissement, les chercheurs ont mesuré les propriétés des tubes en NiTi et conçu des structures en ailette efficaces pour améliorer l’efficacité du transfert thermique. Grâce à des cycles d’entraînement et des tests de contrainte-déformation, la plage de température de transition de phase et la durée de vie en fatigue des matériaux ont été déterminées.

3. Tests de performances de refroidissement : Le dispositif a été testé en fonctionnement cyclique pour évaluer l’écart de température et la puissance de refroidissement du système. Les chercheurs ont mené des expériences à différentes vitesses de fluide et fréquences d’opération pour obtenir les meilleures performances de refroidissement. L’écart de température et la puissance de refroidissement ont été mesurés à l’aide d’échangeurs de chaleur et d’un système de contrôle de bain d’eau.

b) Principaux résultats de la recherche

1. Densité de puissance de refroidissement : Le dispositif a atteint un écart de température maximal de 27,4 K en condition sans charge, avec une puissance de refroidissement maximale de 40,6 W, correspondant à une densité de puissance de refroidissement volumique de 1,4 W/L. Ce chiffre est nettement supérieur à celui des dispositifs élastocaloriques existants.

2. Durée de vie en fatigue : Les tubes en NiTi dotés de structures en ailette ont montré une durée de vie en fatigue exceptionnelle, dépassant 2 × 10^7 cycles, ce qui indique un potentiel d’utilisation à long terme.

3. Efficacité et performances : Le coefficient de performance (Coefficient of Performance, COP) du dispositif a montré une tendance à la baisse entre 0,31 et 0,42 Hz, mais a légèrement augmenté avec une fréquence d’opération plus élevée, accompagnée d’une augmentation de la puissance de refroidissement.

c) Conclusion et signification

Cette étude a permis de développer un dispositif compact entraîné par une came à rouleaux, augmentant significativement la densité de puissance de refroidissement élastocalorique à 1,4 W/L, tout en atteignant un écart de température de 27,4 K et une durée de vie en fatigue de 2 × 10^7 cycles. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives pour l’application pratique du refroidissement élastocalorique, démontrant que l’utilisation de petits moteurs rotatifs et l’optimisation des structures matérielles peuvent considérablement améliorer la compacité et les performances de refroidissement des dispositifs.

d) Points forts de la recherche

1. Densité de puissance de refroidissement élevée : Grâce à la conception compacte de la came à rouleaux, le dispositif a atteint une densité de puissance de refroidissement de 1,4 W/L, dépassant largement celle des dispositifs élastocaloriques existants.

2. Durée de vie en fatigue exceptionnelle : Les tubes en NiTi dotés de structures en ailette ont montré une durée de vie en fatigue dépassant 2 × 10^7 cycles, indiquant un potentiel d’utilisation à long terme.

3. Conception innovante et optimisation : L’utilisation d’un petit moteur rotatif à la place des actionneurs linéaires traditionnels, combinée à l’optimisation des structures en ailette pour l’efficacité du transfert thermique, constitue les deux principales innovations de cette étude.

e) Autres informations utiles

L’étude montre également que, bien que la densité de puissance de refroidissement du dispositif ait été considérablement améliorée, elle reste inférieure à celle des technologies de refroidissement par compression de vapeur commerciales (>10 W/L). Les recherches futures pourraient explorer de nouveaux matériaux à mémoire de forme, tels que les alliages nickel-manganèse-étain (Ni-Mn-Sn), qui nécessitent des contraintes plus faibles lors de la transition de phase, facilitant ainsi le développement de dispositifs élastocaloriques plus compacts et efficaces.

Conclusion

Cette étude a permis de développer un dispositif élastocalorique compact et efficace grâce à une conception innovante de came à rouleaux et à l’optimisation des matériaux. Le dispositif offre non seulement une densité de puissance de refroidissement élevée et une excellente durée de vie en fatigue, mais il ouvre également de nouvelles voies technologiques pour le refroidissement à zéro émission de carbone. Les recherches futures pourraient s’appuyer sur ces résultats pour optimiser davantage la structure mécanique et les propriétés des matériaux, favorisant ainsi l’adoption large du refroidissement élastocalorique dans les applications pratiques.