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Science:拿去,拯救你过热的手机

炎炎夏日每到酷暑难耐时,朋友圈里就会看到各路豪杰的暑热段子和花样哀嚎,空调和冰箱迅速成为生存的充分必要条件。分享一个小伙伴的“空调续命图”……

图盗自小希的朋友的朋友圈


学术帝也会及时跳出来给大家普及制冷知识,从冰箱压缩机的制冷原理,到热声技术和斯特林发动机、激光制冷、磁制冷等等。不过,小希只能听懂压缩机的工作原理,通过蒸发和膨胀吸热实现制冷。

图片来自网络


压缩机是空调和冰箱的灵魂,而空调和冰箱则是大伙的命。夏天里被迫离开空调屋是很残忍的,比这个更残忍的,是被迫离开空调屋而且还得用手机打十分钟电话。

台湾一女子夏天用手机打电话太久被烫伤。图片来源:新浪新闻


就算不在夏天,手机打电话或玩游戏久了,都会烫的厉害,如何降温是个麻烦事。依靠压缩机的制冷技术已经是一个多世纪前发展起来的“老炮”了,尽管仍在广泛使用,但噪音大、体积大、结构复杂、制冷剂有泄漏隐患且有环境危害等缺点无法避免,而且难以用在移动设备、可穿戴式电子设备之上。有没有更好的选择呢?答案是“有”!


固态制冷具有比传统冷却系统更大的发展潜力,不过发展受限于设备很难同时具有高制冷系数(COP)和高比冷却功率。近日,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)裴启兵(Qibing Pei)教授(点击查看介绍)课题组在Science 杂志上发表文章,利用电热效应(electrocaloric,EC)聚合物薄膜和静电致动机制,开发了一种具有高热力学效率的冷却装置。该器件COP可以达到13,比冷却功率为2.8 W/g,而且柔性好,适合多种形状的表面。

裴启兵教授(右)和本文两位共同一作Rujun Ma博士(左)、Ziyang Zhang(中)。图片来源:UCLA


目前,EC材料主要有弛豫铁电陶瓷和聚合物两种,而设计基于EC效应的固态冷却装置仍然是一个重大挑战。此前报道的EC冷却装置没有COP数据,最高的冷却功率为0.018 W/g,比理论计算值要低得多。另外,基于EC效应的固态冷却装置还面临一个关键挑战——EC材料必须周期性地在热源和散热器之间接触。


为了解决这些问题,研究者设计了一种新颖的EC冷却装置(下图),依靠静电力驱动,柔性EC聚合物——P(VDF-TrFE-CFE)薄膜可以快速地在热源和散热器之间周期性切换。整个周期分成六个步骤,通过电场的周期性改变,可以实现EC聚合物薄膜将热源处的热量转移到散热器。不但可以降低功率消耗,还可以保证聚合物薄膜与热源或散热器的良好接触和热传递过程。

基于EC效应的固态冷却装置示意图。图片来源:Science


EC固态冷却装置的工作机理示意图。图片来源:Science


此外,这种EC固态冷却装置可制成柔性器件,用于电子设备的迅速降温。研究者测试了工作的智能手机电池,温度达到52.5 ℃后开始降温。普通情况下散热,50 s时间只下降三度;而使用EC固态冷却装置后,5 s就可以下降8 ℃,可有效防止智能手机电池过热引起火灾的隐患,还能降低电池长期过热使用导致的寿命缩短,具有很高的实用价值。

柔性EC冷却装置。图片来源:Science


同期Science 上,宾夕法尼亚州立大学章启明教授等发表了题为“The refrigerant is also the pump”的评论,[1] 简要讲述了固态制冷的发展以及其工作原理,并评价该工作“巧妙地将静电驱动和EC冷却装置结合起来”。


这种EC冷却装置除了能给手机、平板电脑和可穿戴电子产品等有效降温,延长它们的使用寿命,实际上还有更多的用途。裴教授在接受采访时说,它其实就是便携式个人空调,可以放在口袋随身携带,贴在衣服上,塞在鞋子里或者帽子里,也可以当成坐垫,根据个人需要调节身体不同部位的温度[2]


或许,未来这种EC冷却装置也会成为高温下生存的另一必备神器。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Highly efficient electrocaloric cooling with electrostatic actuation

Science, 2017, 357, 1130-1134, DOI: 10.1126/science.aan5980


导师介绍

裴启兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/45890

课题组主页

https://www.peigroup.seas.ucla.edu/


参考资料:

1. http://science.sciencemag.org/content/357/6356/1094

2. http://newsroom.ucla.edu/releases/thin-flexible-device-could-provide-efficient-cooling-for-mobile-electronics-or-people


(本文由小希供稿)


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