Energie
Auf Wiedersehen, Kältemittel! Neue Erkenntnisse zur Festkörperkühlung könnten unsere Herangehensweise an thermische Anforderungen in der Elektronik revolutionieren
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Kältemittel waren eines der prägendsten Merkmale unserer modernen technologischen Welt. Dank Kältemitteln können wir Lebensmittel konservieren, sie von einem Ort zum anderen transportieren und verderbliche Produkte über einen längeren Zeitraum konsumierbar machen.
Der Markt für Kältemittelprodukte wächst und wird laut Marktschätzungen weiter wachsen. Verfügbare Daten zeigen, dass der Gesamtwert von Kältemittelprodukten weltweit betrug im Jahr 2022 20,05 Milliarden US‑Dollar und könnte bis 2030 auf 36,77 Milliarden US‑Dollar ansteigen, also mehr als das 1,8‑fache innerhalb von acht Jahren.
Das Wachstum des Kältemittelmarktes bedeutet jedoch nicht, dass die Branche stagniert. Tatsächlich schließen steigende Verkäufe und Marktexpansionen Innovation nicht aus. Stattdessen treibt dieses Wachstum häufig die Entwicklung neuer Technologien und Ansätze voran. Ein kürzlich von den Oak Ridge National Laboratory des US‑Energieministeriums geleitetes Forschungsprojekt hat zu einem neuen wissenschaftlichen Verständnis geführt, das zur Realisierung von Festkörperkühlung beitragen könnte.
In den nächsten Abschnitten werden wir tiefer in das Verständnis dieses Phänomens eintauchen.
Das transformative Paradigma der Festkörperkühlung
Die primäre Errungenschaft des Forscherteams war das Schließen der Wissenslücke in der Wissenschaft der atomaren Wärmebewegung. Auf funktionalerer Ebene beruht der Erfolg der Forschung auf einem tieferen Verständnis von Materialien und Bauteilen.
Das Material ist in diesem Fall eine nickel‑kobalt‑mangan‑indiumbasierte magnetische Formgedächtnislegierung, die verformt und anschließend durch Anstoßen eines Phasenübergangs entweder durch Temperaturerhöhung oder durch Anlegen eines Magnetfeldes wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren kann.
Das Gerät hingegen besteht aus einer Reihe von Neutronenstreuinstrumenten, die ein Material auf atomarer Ebene untersuchen können.
Wie das Material als optimaler Kandidat für Festkörperkühlung hervorging
Das Experiment zeigte, dass die nickel‑kobalt‑mangan‑indium magnetische Formgedächtnislegierung durch Erhöhung der Temperatur oder Anlegen eines Magnetfeldes durch einen Phasenübergang getrieben werden kann.
Wenn das Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird, durchläuft es einen strukturellen und magnetischen Phasenübergang: Es absorbiert und gibt Wärme ab, in einfachen Worten. Dieser Effekt ist das Kernstück des Phänomens der Festkörperkühlung. Mit anderen Worten, die Festkörperkühlung nutzt diesen Effekt, um Kühlung zu ermöglichen.
In diesem Kühlmechanismus erreicht das Material den sogenannten ferroischen glasigen Zustand, der seine Fähigkeit zur Wärmeaufnahme und -abgabe verbessert.
Während er die Wissenschaft hinter dem Experiment erläuterte, sagte Michael Manley, leitender Forscher der Neutronen‑ und Röntgenstreugruppe am ORNL, Folgendes:
“Neutronenstreuung zeigt, dass die Kühlkapazität der magnetischen Formgedächtnislegierung durch die in diesen lokalen Magnon‑Phonon‑Hybridmodi enthaltene Wärme, die aufgrund der Unordnung im System entstehen, verdreifacht wird. Diese Erkenntnis eröffnet einen Weg, bessere Materialien für Anwendungen der Festkörperkühlung zu entwickeln, die gesellschaftlichen Bedürfnissen entsprechen.”
Die Magnon‑Phonon‑Hybridmodi
Magnonen und Phononen werden alternativ als Spinwellen bzw. Vibrationen bezeichnet. Sie existieren im Material als Paar in synchronisierten Tanzformen in kleinen Bereichen, die über die ungeordnete Anordnung der Atome verteilt sind. Das regionale Verhaltensmuster der Magnon‑Phonon‑Hybridmodi hat entscheidende Auswirkungen auf die thermischen Eigenschaften eines Materials.
Um die Auswirkungen dieser Hybridmodi und ihrer Bewegungen zu erklären, sagte Manley weiter:
“Lang‑ und kurzreichweitige Wechselwirkungen manifestieren sich als lokalisierte Vibrationen und Spinwellen, was bedeutet, dass sie in kleinen Bereichen gefangen werden. Das ist wichtig, weil diese zusätzlichen lokalisierten Schwingungszustände Wärme speichern. Das Ändern des Magnetfeldes löst einen weiteren Phasenübergang aus, bei dem diese Wärme freigesetzt wird.”
Insgesamt hat das Experiment eine neue Grenze in der Forschung zur Festkörperkühlung eröffnet, indem es zeigte, dass die richtige Steuerung der Funktionen der magnetischen Formgedächtnislegierung sie zu einem Wärmeschwamm machen und sie für eine effiziente Festkörperkühlung ohne traditionelle Kältemittel oder mechanische Komponenten vorbereiten kann.
Obwohl diese Forschung zweifellos ein Durchbruch ist, muss man stets bedenken, dass die Festkörperkühlung kein neues Phänomen ist. Theoretisch existiert das Phänomen seit 1834, als der französische Physiker Jean Charles Athanase Peltier den Peltier‑Effekt entdeckte.
Im kommenden Abschnitt werfen wir einen kurzen Blick auf das Phänomen des Peltier‑Effekts und auf thermoelektrische Kühler, die den Peltier‑Effekt nutzen.
Die Entstehung der Festkörperkühlung und thermoelektrischer Kühler
Wissenschaftlich wird der Peltier‑Effekt definiert als das „Phänomen, bei dem ein Leiter, der bei konstanter Temperatur gehalten wird und durch den ein elektrischer Strom fließt, die Erzeugung eines thermischen Stroms erfährt. Dieser thermische Strom hilft, die durch den elektrischen Strom erzeugte Wärme abzuleiten.“
Mit anderen Worten entsteht der Peltier‑Effekt aus einer Situation, in der der elektrische Strom, der durch die Verbindung zweier Materialien fließt, an der Verbindungsstelle Wärme pro Zeiteinheit abgibt oder aufnimmt, um den Unterschied im chemischen Potential der beiden Materialien auszugleichen.
Der Peltier‑Effekt ermöglicht die Entwicklung eines elektronischen Kühlschranks, der als Peltier‑Kühler bekannt ist. Die Peltier‑Geräte werden auch als thermoelektrische Kühler bezeichnet, die aus einem Array von Halbleitermaterialien, bestehend aus Bismuttellurid, in Serie geschaltet und zwischen zwei Keramikplatten eingeklemmt, bestehen.
Wird Gleichstrom durch einen TEC geleitet, bewegen sich die Elektronen im Halbleitermaterial von der heißen zur kalten Seite und transportieren dabei Wärme, wodurch eine Seite des Geräts abkühlt, während die andere Seite erwärmt wird.
Der Grund, warum die wissenschaftliche Gemeinschaft das Phänomen der Festkörperkühlung weiterhin diskutiert und daran interessiert ist, liegt darin, dass es viele Vorteile und reale Anwendungen hat. Wir werden diese Vorteile und Anwendungen in den kommenden Abschnitten untersuchen.
Die zahlreichen Vorteile und Anwendungen der Festkörperkühlung
Festkörperkühlung könnte energieeffizienter sein als herkömmliche Kühlsysteme, da sie in der Lage sind, einen höheren Prozentsatz elektrischer Energie in Kühlleistung umzuwandeln.
Sie sind zudem besser in erneuerbare Energiequellen integrierbar, einschließlich Solarpaneelen. Neben einem geringen CO₂‑Fußabdruck trägt die Festkörperkühlung nicht zur Ozonzerstörung bei und ist damit umweltfreundlicher als Kältemittel‑ oder andere flüssigkeitsbasierte Kühltechnologien.
Festkörperkühlung erzielt zudem hohe Werte in Bezug auf Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Da sie keine beweglichen Teile oder zirkulierende Flüssigkeiten enthalten, treten weniger mechanische Ausfälle auf und der Wartungsaufwand ist geringer. Viele Verbrauchergeräte können von der Technologie der Festkörperkühlung profitieren.
Einige Beispiele für solche Geräte sind Kühlschränke, Klimaanlagen oder Weinkühler. Es wird zunehmend darüber diskutiert, wie Festkörperkühlung in Elektro‑ und Hybridfahrzeugen zur Kühlung von Batterien und anderen Komponenten eingesetzt werden kann. Sie könnte zu einer verbesserten Leistung und einer größeren Reichweite beitragen.
Ein Festkörperkühlungsmechanismus wird auch als geeignete Alternative für die Kabinenkühlung in modernen Fahrzeugen angesehen. Eine wissenschaftliche Studie untersuchte die Machbarkeit eines automobilen Klimasystems, das Festkörperkühlung nutzt. Die Ergebnisse zeigten, dass der Einsatz kleiner und flexibler TE‑Kühlgeräte mehr Möglichkeiten für ein effizientes automobilen Klimasystem bietet.
Die Studie untersuchte zudem die Geschwindigkeits‑ und Temperaturprofile der lokalisierten TE‑Kühlung, die für besseren menschlichen Komfort durch gleichmäßigen Luftstrom in der Kabine sorgt. Eine geschätzte Verbesserung von fast 9 % wurde erzielt, wenn diese Anordnung mit dem herkömmlichen Kühlsystem in Bezug auf den menschlichen Komfort verglichen wurde.
Viele Vorteile und Anwendungen der Festkörperkühlung haben Unternehmen dazu inspiriert, in Forschung und Ressourcen für Festkörperkühlungstechniken und -methoden zu investieren.
In den folgenden Abschnitten werden wir einige dieser Unternehmen und ihre spezifischen Lösungen besprechen.
#1. CUI Devices
CUI Devices ist bekannt für seine Palette an Peltier‑Geräten. Sie bietet ein Portfolio von einstufigen Peltier‑Modulen, mehrstufigen Peltier‑Modulen, und Peltier‑Kühlgeräten.
Das CPM‑2F 6,0‑Ampere Peltier‑Kühlgerät zum Beispiel verfügt über eine verbesserte Dichtungsstruktur für Wasserbeständigkeit und thermische Belastungsabsorption. Es lässt sich leicht installieren und eignet sich ideal für die Bedürfnisse von hochdichten, hochleistungsfähigen Industrieanwendungen und Kühlung.
Das Unternehmen hat zudem zwei weitere Varianten, CPM‑2C und CPM‑2H, die optimale Leistungen bei 7 und 8,5 Ampere bieten.
Betrachtet man das gesamte Produktportfolio von CUI Devices in diesem Bereich, umfasst es eine Reihe von einstufigen und mehrstufigen Peltier‑Modulen sowie Peltier‑Kühlgeräten, die in der Größe von 3,4 bis 70 mm mit Profilen von nur 1,95 mm und Stromstärken von 0,7 bis 20 A sowie Temperaturdifferenzen von 70 bis 105 °C reichen. Das Unternehmen wirbt mit verbesserter Zuverlässigkeit, überlegener Leistung und verlängerter Lebensdauer seiner Produkte.
CUI Devices, mit Sitz in Tualatin, Oregon, USA, ist ein Hersteller von elektronischen Bauteilen, der Interconnects, Audio, Thermomanagement, Motion und Sensorlösungen anbietet. Im Oktober 2023 hat die Thermomanagement‑Gruppe von CUI Devices einen Thermal Design Service gestartet, um potenzielle Hotspots zu identifizieren, den Luftstrom zu optimieren und effektive Kühlsysteme zu entwerfen, die auf die spezifischen Bedürfnisse eines Kunden zugeschnitten sind.
#2. Coherent Corp
Die Kühlsysteme von Coherent Corp (COHR ) bieten eine Reihe von Industrie‑ und Telekommunikationslösungen, einschließlich verschiedener Standard‑ und kundenspezifischer Formate, die alle um einen gemeinsamen „Core“ basieren, der auf effizienten TEC‑Geräten beruht. Neben TEC‑Geräten integriert dieser Kern auch Wärme‑/Kältesenken, Thermistoren/RTDs und Kabelbäume.
Eines der bekanntesten Festkörperkühlungsprodukte von Coherent ist das Climatherm (CTA) Luft‑zu‑Luft‑Kühlsystem. Basierend auf der Festkörper‑TEC‑Kühltechnologie des Unternehmens schützt die Lösung die Elektronik der Kunden vor extremen Bedingungen mit bis zu 250 W Kühlleistung in einem leichten, kompakten Gehäuse.
Die Kühler des Produkts verfügen über ein RoHS‑EU‑konformes, kompaktes und leichtes Design und ermöglichen einen hocheffizienten Wärmetransfer. Typische Anwendungen umfassen die Kühlung von Elektronikgehäusen, Lebensmittel‑ und Getränkelagerung, Batteriekastenkühlung und Laborgeräte.
COHR Preisdiagramm
Laut den letzten verfügbaren Finanzunterlagen erzielte das Unternehmen für das am 30. Juni 2023 endende Geschäftsjahr einen Jahresumsatz von 5,16 Milliarden US‑Dollar. Das war ein signifikanter Anstieg gegenüber dem Vorjahr, das einen Umsatz von 3,317 Milliarden US‑Dollar verzeichnete.
Die Zukunft der Festkörperkühlung
Um es milde auszudrücken, sieht die Zukunft der Festkörperkühlung zweifellos vielversprechend aus. Die wissenschaftlichen und kommerziellen Technologiegemeinschaften weltweit haben ihr Potenzial erkannt, als eine Lösung, die die Herausforderungen des globalen Klimawandels und der Erderwärmung direkt angehen könnte.
Neben etablierten Namen sind innovative Unternehmen wie Phononic aufgetaucht. Ihre Innovationen in den Bereichen Festkörperkühlung, Kühlung und HLK nutzen lediglich Wasser gemischt mit natürlich vorkommendem CO₂, mit einem GWP von nur 1, was die niedrigste GWP‑Bewertung in der Branche darstellt. Hier steht GWP für Global Warming Potential (globales Erwärmungspotenzial).
Phononic ist der Ansicht, dass ihr Festkörperdesign das Potenzial hat, einen aufregenden neuen Weg zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen zu bieten, die UN‑Klimaziele zu unterstützen und den hohen Leistungsanforderungen des Marktes gerecht zu werden.
Allerdings gibt es einige Herausforderungen, denen die Festkörperkühlung begegnen muss, um künftig die thermischen Anforderungen in der Elektronik effizient zu erfüllen. Sie muss erschwinglich werden, da die Kosten für thermoelektrische Materialien im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen deutlich höher sein können. Die Forscher müssen aggressiver und schneller alternative Materialien und kostengünstigere Herstellungsprozesse erforschen, um diese Herausforderung zu lösen.
Die Skalierung der Produktion mit Festkörperkühlung im Kern wird ebenfalls vor einer Effizienzherausforderung stehen, da thermoelektrische Materialien in bestimmten Anwendungen noch hinter traditionellen Kompressionskältesystemen zurückbleiben. Wissenschaftler müssen intensivere Tests durchführen, um Wege zur Steigerung der Effizienz von thermoelektrischen Materialien zu entdecken.
Schließlich müssen Festkörperkühlsysteme ihre thermischen Managementprofile verbessern, damit sie die auf der heißen Seite des thermoelektrischen Kühlers erzeugte Wärme effizient ableiten können. Dies ist entscheidend, um die optimale Leistung des Systems aufrechtzuerhalten.
Weltweit haben Forscher die Vorteile der Festkörperkühlung erkannt. Sie untersuchen neue Materialien und leistungsverbessernde Techniken. Hoffentlich werden wir bald eine breitere Anwendung der Festkörperkühlung in industriellen und kommerziellen Anwendungsfällen sehen.
