Farvel, kølemidler! Nye indsigter i faststofkøling kan vende op og ned på, hvordan vi håndterer termiske behov i elektronik

Kølemidler har været et af de mest afgørende elementer i vores moderne teknologiske verden. Det er på grund af kølemidler, at vi kan bevare mad, transportere den fra et sted til et andet, og gøre letfordærvelige varer brugbare i længere tid.

Markedet for kølemiddelprodukter vokser og vil fortsætte med at vokse, ifølge markedsestimater. Tilgængelige data viser, at den samlede værdi af kølemiddelprodukter på verdensplan var 20,05 milliarder amerikanske dollars i 2022, og den kan stige til 36,77 milliarder amerikanske dollars i 2030, mere end 1,8 gange på otte år. 

Væksten i kølemiddelmarkedet betyder dog ikke, at branchen bliver stillestående. Faktisk udelukker stigende salg og markedsudvidelse ikke innovation. I stedet driver denne vækst ofte udviklingen af nye teknologier og tilgange. En nylig forskningsindsats ledet af Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory har ført til en ny videnskabelig forståelse, der kan hjælpe med at opnå faststofkøling. 

I de kommende afsnit vil vi dykke dybere ned i forståelsen af dette fænomen. 

Det transformerende paradigme for faststofkøling

Den primære præstation af forskerholdet har været at bygge bro over videnskløften inden for videnskaben om varmebevægelse på atomskala. På et mere funktionelt niveau hviler forskningssuccesen på en dybere forståelse af materialer og enheder.

Materialet er i dette tilfælde en nikkel-kobolt-mangan-indium magnetisk formhukommelseslegering, der kan deformeres og derefter vende tilbage til sin oprindelige form ved at drive den gennem en faseovergang enten ved at øge temperaturen eller ved at påføre et magnetfelt.

Enheden består derimod af en række neutronspredningsinstrumenter, der kan undersøge et materiale på atomskala. 

Hvordan materialet fremkom som en optimal kandidat til faststofkøling

Eksperimentet viste, at nickel-kobolt-mangan-indium magnetisk formhukommelseslegering kunne drives gennem en faseovergang ved at øge temperaturen eller anvende et magnetfelt.

Når materialet udsættes for et magnetfelt, gennemgik det en strukturel og magnetisk faseovergang: det absorberede og frigav varme, i enklere termer. Denne effekt er kernen i fænomenet faststofkøling. Med andre ord udnytter faststofkøling denne effekt til at levere køling. 

I denne kølemekanisme opnår materialet det, der kaldes den ferroiske glasagtige tilstand, hvilket forbedrer dets evne til at lagre og frigive varme.

Mens han uddyber videnskaben bag eksperimentet, sagde Michael Manley, seniorforsker i neutron- og røntgenspredningsgruppen ved ORNL, følgende:

“Neutronspredning viser, at kølekapaciteten af den magnetiske formhukommelseslegering er tredoblet af den varme, der er indeholdt i disse lokale magnon-fonon hybridtilstande, som dannes på grund af uorden i systemet. Denne opdagelse afslører en vej til at skabe bedre materialer til faststofkølingsapplikationer for samfundets behov.” 

Klik her for at lære, hvordan strålingskøling kan hjælpe os med at bekæmpe klimaændringer. 

De magnon-fonon hybridtilstande

Magnoner og fononer er også kendt som spinbølger og vibrationer. De eksisterer som et par i materialet i synkroniserede danseformer i små regioner fordelt over den uordnede atomarrangement. Det regionale adfærdsmønster for magnon-fonon hybridtilstande har afgørende betydning for et materiales termiske egenskaber. 

Når han forklarer implikationerne af disse hybridtilstande og deres bevægelser, sagde Manley yderligere:

“Lang- og kortdistanseinteraktioner manifesterer sig som lokaliserede vibrationer og spinbølger, hvilket betyder, at de bliver fanget i små regioner. Dette er vigtigt, fordi disse ekstra lokaliserede vibrationsstadier lagrer varme. Ændring af magnetfeltet udløser en anden faseovergang, hvor denne varme frigives.”

Alt i alt åbnede eksperimentet en ny front inden for forskning i faststofkøling ved at vise, at korrekt styring af funktionerne i den magnetiske formhukommelseslegering kan gøre den til en varmesvamp og forberede den på effektiv faststofkøling uden behov for traditionelle kølemidler eller mekaniske komponenter. 

Selvom denne forskning uden tvivl er et gennembrud, skal man altid huske, at faststofkøling ikke er et nyligt fænomen. Teoretisk har fænomenet eksisteret siden 1834, da den franske fysiker Jean Charles Athanase Peltier opdagede Peltier-effekten.

I det kommende afsnit ser vi kort på fænomenet Peltier-effekten og termoelementkølere, der udnytter Peltier-effekten. 

Oprindelsen af faststofkøling og termoelementkølere

Videnskabeligt er Peltier-effekten defineret som “fænomenet, hvor en leder, der holdes ved en konstant temperatur og med en elektrisk strøm, der flyder igennem den, oplever generering af en termisk strøm. Denne termiske strøm hjælper med at fjerne den varme, der produceres af den elektriske strøm.”

Med andre ord opstår Peltier-effekten i en situation, hvor den elektriske strøm, der flyder gennem forbindelsen mellem to materialer, udsender eller absorberer varme pr. tidsenhed ved forbindelsen for at udligne forskellen i de to materialers kemiske potentiale. T

Peltier-effekten hjælper med at udforme et elektronisk køleskab kendt som en Peltier-køler. Peltier-enheder er også kendt som termoelementkølere, der består af en række halvledermaterialer, sammensat af bismuthtellurid, forbundet i serie og placeret mellem to keramiske plader.

Når jævnstrøm ledes gennem en TEC, bevæger elektronerne i halvledermaterialet sig fra den varme side til den kolde side og bærer varmen med sig, og får den ene side af enheden til at køle ned, mens den anden side varmes op.

Grunden til, at det videnskabelige samfund stadig overvejer fænomenet faststofkøling og er interesseret i at udforske det, er fordi det har mange fordele og anvendelser i den virkelige verden. Vi vil se på disse fordele og anvendelser i de kommende afsnit. 

De mange fordele og anvendelser af faststofkøling

Faststofkøling kan blive mere energieffektiv end konventionelle kølesystemer, da den er i stand til at omdanne en højere procentdel af elektrisk energi til kølekapacitet. 

De er også mere integrationskompatible, når det gælder vedvarende energikilder, herunder solpaneler. Ud over at have et lavt CO2-aftryk bidrager faststofkøling ikke til ozonnedbrydning og er derfor mere miljøvenlig end kølemiddel- eller andre væskebaserede køleteknologier.

Faststofkøling scorer også højt på pålidelighed og holdbarhed. Da de består af ingen bevægelige dele eller cirkulerende væsker, oplever de færre mekaniske fejl og kræver mindre vedligeholdelse. Mange forbrugerapparater kan udnytte teknologien inden for faststofkøling. 

Nogle sådanne apparat-eksempler inkluderer køleskabe, airconditionanlæg eller vinkølere. Der er stigende overvejelser om, hvordan faststofkøling kan anvendes i elektriske og hybride køretøjer til at køle batterier og andre komponenter. Det kan bidrage til forbedret ydeevne og øget rækkevidde. 

En faststofkølingsmekanisme anses også for at være egnet som et alternativt kabinekølingssystem i moderne køretøjer. En videnskabelig undersøgelse undersøgte muligheden for et bilklimaanlæg, der ville udnytte faststofkøling. Resultaterne viste, at anvendelse af små og fleksible TE-køleenheder gav flere muligheder for et effektivt bilklimaanlæg. 

Undersøgelsen undersøgte også hastigheds- og temperaturprofilerne for den lokaliserede TE-køling, der er bygget for bedre menneskelig komfort ved at levere ensartet luftstrøm i kabinen. En anslået forbedring på næsten 9% blev opnået, da denne opsætning blev sammenlignet med det konventionelle kølesystem med hensyn til menneskelig komfort.  

Mange fordele og anvendelser af faststofkøling har inspireret virksomheder til at investere forskning og ressourcer i faststofkølingsteknikker og -metoder.

I de følgende afsnit vil vi diskutere nogle af disse virksomheder og deres specifikke løsninger.

#1. CUI Devices

CUI Devices er kendt for sit sortiment af Peltier-enheder. Det tilbyder en portefølje af enkelttrins Peltier-moduler, flerstegs Peltier-moduler, og Peltier-køleenheder.

CPM-2F 6,0 Amp Peltier-køleenheden har for eksempel en forbedret tætningsstruktur for vandtæthed og termisk stressabsorption. Den kan installeres nemt og imødekommer ideelt behovene for høj-densitet, høj-energi industrielle anvendelser og køling.

Virksomheden har også to yderligere varianter, CPM-2C og CPM-2H, der tilbyder optimale ydelser ved henholdsvis 7 og 8,5 Amp. 

Hvis vi ser på den samlede produktprofil for CUI Devices inden for dette område, har den et sortiment af enkelttrins og flerstegs Peltier-moduler samt Peltier-køleenheder, der spænder i størrelse fra 3,4 til 70 mm med profiler så lave som 1,95 mm og strømstyrker fra 0,7 til 20 A samt temperaturdifferencer fra 70 op til 105°C. Virksomheden praler af sine produkters forbedrede pålidelighed, overlegne ydeevne og forlængede levetid. 

CUI Devices, med hovedkontor i Tualatin, Oregon, USA, er en producent af elektroniske komponenter, der tilbyder interconnect, lyd, termisk styring, bevægelse og sensorsystemer. I oktober 2023 lancerede termiske styringsgruppen hos CUI Devices en termisk designservice for at identificere potentielle hotspots, optimere luftstrømmen og designe effektive kølesystemer skræddersyet til en kundes specifikke behov.

#2. Coherent Corp

Coherent Corp’s (COHR ) kølesystemer tilbyder en række industrielle og telekommunikationsløsninger, herunder standard- og tilpassede formater, alle bygget omkring en fælles “Core” baseret på effektive TEC-enheder. Ud over TEC-enheder integrerer denne kerne også varme-/køle-sænke, termistorer/RTD’er og ledningsnet. 

Et af Coherents mest kendte produkter inden for faststofkølingsteknologi inkluderer Climatherm (CTA) luft-til-luft kølesystemer. Baseret på virksomhedens faststof TEC-køleteknologi beskytter løsningen kundens elektronik mod ekstreme forhold med op til 250 W kølekapacitet i en let, kompakt pakke. 

Produktets kølere har et RoHS EU-kompatibelt, kompakt og let design og leverer meget effektiv varmeoverførsel. Typiske anvendelser inkluderer køling af elektroniske kabinetter, føde- og drikkevareopbevaring, batterikabinekøling og laboratorieinstrumenter.

Ifølge de seneste tilgængelige finansielle optegnelser registrerede virksomheden en årlig omsætning på 5,16 milliarder USD for året, der sluttede den 30. juni 2023. Det var en betydelig stigning i forhold til det foregående års rekord på 3,317 milliarder USD for året, der sluttede den 30. juni 2022. 

Fremtiden for faststofkøling

For at sige det mildt ser fremtiden for faststofkøling lovende ud uden tvivl. De videnskabelige og kommercielle teknologisamfund verden over har indset dens potentiale som noget, der kan tage udfordringerne ved global opvarmning og klimaændringer direkte op. 

Udover de erfarne og etablerede navne er innovative virksomheder som Phononic dukket op. Deres faststofkøling, køling og HVAC-innovation bruger kun vand blandet med naturligt tilgængelig CO2 med et GWP på kun 1, hvilket giver den laveste GWP-vurdering i branchen. Her står GWP for Global Warming Potential.

Phononic mener, at deres faststofdesign har potentialet til at repræsentere en spændende ny måde at reducere drivhusgasemissioner på, støtte FN’s klimamål og imødekomme markedets krævende præstationsbehov.

Der er dog nogle udfordringer, som faststofkøling skal tackle for effektivt at imødekomme termiske behov i elektronik i fremtiden. Den skal blive overkommelig, da omkostningerne ved termoelementmaterialer kan være betydeligt højere sammenlignet med traditionelle kølesystemer. Forskerne vil skulle arbejde mere aggressivt og hurtigt med at udforske alternative materialer og mere omkostningseffektive fremstillingsprocesser for at løse denne udfordring.

Opskalering af produktionen med faststofkøling i centrum vil også møde en effektivitetudfordring, da termoelementmaterialer stadig hænger bagefter traditionelle dampkompressionssystemer i visse anvendelser. Videnskabsfolk vil skulle udføre mere intensiv testning for at finde måder at forbedre effektiviteten af termoelementmaterialer. 

Endelig skal faststofkølingssystemer forbedre deres termiske styringsprofiler, så de effektivt kan aflede varmen, der genereres på den varme side af termoelementkøleren. Dette er afgørende for at opretholde systemets optimale ydeevne. 

Globalt har forskere indset fordelene ved faststofkøling. De undersøger nye materialer og teknikker til at forbedre ydeevnen. Forhåbentlig vil vi snart se en større udbredelse af faststofkøling i industrielle og kommercielle anvendelsestilfælde.

Klik her for at lære, hvordan vi kan fremme HVAC-løsninger med elektro-kaloriske materialer.