Αντίο, ψυκτικά! Νέες γνώσεις για την ψύξη στερεάς κατάστασης μπορεί να ανατρέψουν τον τρόπο που αντιμετωπίζουμε τις θερμικές ανάγκες στα ηλεκτρονικά

Τα ψυκτικά έχουν αποτελέσει ένα από τα πιο καθοριστικά χαρακτηριστικά του σύγχρονου τεχνολογικού μας κόσμου. Χάρη στα ψυκτικά μπορούμε να διατηρούμε τρόφιμα, να τα μεταφέρουμε από το ένα μέρος στο άλλο και να κάνουμε τα ευπαθή προϊόντα χρήσιμα για κατανάλωση για μεγαλύτερη χρονική περίοδο.

Η αγορά των προϊόντων ψυκτικού είναι σε άνοδο και θα συνεχίσει να αυξάνεται, σύμφωνα με τις εκτιμήσεις της αγοράς. Τα διαθέσιμα δεδομένα δείχνουν ότι η συνολική αξία των προϊόντων ψυκτικού παγκοσμίως ήταν 20,05 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2022, και θα μπορούσε να αυξηθεί σε 36,77 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ μέχρι το 2030, περισσότερο από 1,8 φορές σε οκτώ χρόνια. 

Ωστόσο, η ανάπτυξη στην αγορά ψυκτικών δεν υποδηλώνει ότι η βιομηχανία γίνεται στάσιμη. Στην πραγματικότητα, η αύξηση των πωλήσεων και η επέκταση της αγοράς δεν αποκλείουν την καινοτομία. Αντίθετα, αυτή η ανάπτυξη συχνά οδηγεί στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και προσεγγίσεων. Μια πρόσφατη ερευνητική προσπάθεια υπό την ηγεσία του Εθνικού Εργαστηρίου Oak Ridge του Υπουργείου Ενέργειας οδήγησε σε μια νέα επιστημονική κατανόηση που θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίτευξη ψύξης στερεάς κατάστασης. 

Στα επόμενα τμήματα, θα εμβαθύνουμε καλύτερα στην κατανόηση αυτού του φαινομένου.

Το Μετασχηματιστικό Παράδειγμα της Ψύξης Στερεάς Κατάστασης

Η κύρια επίτευξη της ομάδας ερευνητών ήταν η γεφύρωση του κενώματος γνώσης στην επιστήμη της κίνησης θερμότητας σε ατομικό επίπεδο. Σε πιο λειτουργικό επίπεδο, η επιτυχία της έρευνας βασίζεται σε μια βαθύτερη κατανόηση των υλικών και των συσκευών.

Το υλικό, σε αυτήν την περίπτωση, είναι ένα μαγνητικό κράμα μνήμης σχήματος νικελίου-κόβαλτος-μαγγανίου-ινδίου που μπορεί να παραμορφωθεί και στη συνέχεια να επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα προκαλώντας μια φάση μετάβασης είτε με αύξηση της θερμοκρασίας είτε με εφαρμογή μαγνητικού πεδίου.

Η συσκευή, από την άλλη πλευρά, αποτελείται από μια σειρά οργάνων διασποράς νετρονίων που μπορούν να εξετάσουν ένα υλικό σε ατομικό επίπεδο. 

Πώς το Υλικό Αναδείχθηκε ως Ιδανικός Υποψήφιος για Ψύξη Στερεάς Κατάστασης

Το πείραμα έδειξε ότι το μαγνητικό κράμα μνήμης σχήματος νικελίου-κόβαλτος-μαγγανίου-ινδίου μπορεί να υποβληθεί σε φάση μετάβασης αυξάνοντας τη θερμοκρασία ή εφαρμόζοντας μαγνητικό πεδίο.

Όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο, το υλικό υπέστη μια δομική και μαγνητική φάση μετάβασης: απορρόφησε και απελευθέρωσε θερμότητα, με απλά λόγια. Αυτό το φαινόμενο είναι κεντρικό στην ψύξη στερεάς κατάστασης. Με άλλα λόγια, η ψύξη στερεάς κατάστασης αξιοποιεί αυτό το φαινόμενο για να παρέχει ψύξη. 

Σε αυτόν τον μηχανισμό ψύξης, το υλικό αποκτά αυτό που είναι γνωστό ως φεροϊκή γυάλινη κατάσταση, η οποία ενισχύει την ικανότητά του να αποθηκεύει και να απελευθερώνει θερμότητα.

Καθώς εξηγούσε την επιστήμη πίσω από το πείραμα, ο Michael Manley, ανώτερος ερευνητής στην ομάδα διασποράς νετρονίων και ακτίνων Χ στο ORNL, είπε το εξής:

“Η διασπορά νετρονίων δείχνει ότι η ικανότητα ψύξης του μαγνητικού κράματος μνήμης σχήματος τριπλασιάζεται από τη θερμότητα που περιέχεται σε αυτές τις τοπικές υβριδικές καταστάσεις μαγνόν-φώνον που σχηματίζονται λόγω της αταξίας του συστήματος. Αυτό το εύρημα αποκαλύπτει ένα μονοπάτι για τη δημιουργία καλύτερων υλικών για εφαρμογές ψύξης στερεάς κατάστασης για τις κοινωνικές ανάγκες.” 

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς η ακτινοβολική ψύξη μπορεί να μας βοηθήσει στην καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής.

Οι Υβριδικές Καταστάσεις Μαγνόν-Φώνον

Τα μαγνόν και τα φώνον είναι επίσης γνωστά ως κυματισμοί σπιν και δονήσεις. Υπάρχουν ως ζεύγος στο υλικό σε συγχρονισμένες μορφές χορού σε μικρές περιοχές που διανέμονται σε όλη τη αταξική διάταξη των ατόμων. Το περιφερειακό πρότυπο συμπεριφοράς των υβριδικών καταστάσεων μαγνόν-φώνον έχει κρίσιμες επιπτώσεις στις θερμικές ιδιότητες ενός υλικού.

Εξηγώντας τις επιπτώσεις αυτών των υβριδικών καταστάσεων και των κινήσεών τους, ο Manley πρόσθεσε:

“Οι μακροπρόσθετες και βραχυπρόσθετες αλληλεπιδράσεις εκδηλώνονται ως τοπικές δονήσεις και κυματισμοί σπιν, πράγμα που σημαίνει ότι παγιδεύονται σε μικρές περιοχές. Αυτό είναι σημαντικό επειδή αυτές οι επιπλέον τοπικές δονητικές καταστάσεις αποθηκεύουν θερμότητα. Η αλλαγή του μαγνητικού πεδίου προκαλεί μια άλλη φάση μετάβασης στην οποία αυτή η θερμότητα απελευθερώνεται.”

Συνολικά, το πείραμα άνοιξε ένα νέο ορίζοντα στην έρευνα ψύξης στερεάς κατάστασης δείχνοντας ότι ο σωστός έλεγχος των λειτουργιών του μαγνητικού κράματος μνήμης σχήματος μπορεί να το μετατρέψει σε σφουγγάρι θερμότητας και να το προετοιμάσει για αποδοτική ψύξη στερεάς κατάστασης χωρίς την ανάγκη παραδοσιακών ψυκτικών ή μηχανικών εξαρτημάτων. 

Αν και αυτή η έρευνα αποτελεί σίγουρα μια πρόοδο, πρέπει πάντα να θυμόμαστε ότι η ψύξη στερεάς κατάστασης δεν είναι πρόσφατο φαινόμενο. Θεωρητικά, το φαινόμενο υπάρχει από το 1834, όταν ο Γάλλος φυσικός Jean Charles Athanase Peltier ανακάλυψε το φαινόμενο Πέλτιερ.

Στο επόμενο τμήμα, θα ρίξουμε μια σύντομη ματιά στο φαινόμενο του Πέλτιερ και στους Θερμοηλεκτρικούς Ψυκτικούς που αξιοποιούν το φαινόμενο Πέλτιερ.

Η Γένεση της Ψύξης Στερεάς Κατάστασης και των Θερμοηλεκτρικών Ψυκτικών

Επιστημονικά, το φαινόμενο Πέλτιερ ορίζεται ως το «φαινόμενο κατά το οποίο ένας αγωγός, διατηρούμενος σε σταθερή θερμοκρασία και με ρεύμα ηλεκτρισμού να ρέει μέσω του, παράγει ένα θερμικό ρεύμα. Αυτό το θερμικό ρεύμα βοηθά στην απομάκρυνση της θερμότητας που παράγεται από το ηλεκτρικό ρεύμα».

Με άλλα λόγια, το φαινόμενο Πέλτιερ προκύπτει από μια κατάσταση όπου το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει μέσω της συνδέσμου που ενώνει δύο υλικά εκλύει ή απορροφά θερμότητα ανά μονάδα χρόνου στη σύνδεση για να εξισορροπήσει τη διαφορά στο χημικό δυναμικό των δύο υλικών.

Το φαινόμενο Πέλτιερ βοηθά στη δημιουργία ενός ηλεκτρονικού ψυγείου γνωστού ως ψυκτικό Πέλτιερ. Τα ψυκτικά Πέλτιερ είναι επίσης γνωστά ως Θερμοηλεκτρικοί ψυκτικοί που αποτελούνται από έναν πίνακα ημιαγωγών υλικών, κατασκευασμένων από βισμούθιο τελλουρίδιο, συνδεδεμένων σε σειρά και τοποθετημένων μεταξύ δύο κεραμικών πλακών.

Με τη διέλευση συνεχούς ρεύματος μέσω ενός TEC, τα ηλεκτρόνια στο ημιαγωγό υλικό μετακινούνται από τη ζεστή πλευρά στην κρύα πλευρά, μεταφέροντας θερμότητα μαζί τους και προκαλώντας τη μία πλευρά της συσκευής να ψύχεται ενώ η άλλη θερμαίνεται.

Ο λόγος που η επιστημονική κοινότητα εξακολουθεί να συζητά το φαινόμενο της ψύξης στερεάς κατάστασης και ενδιαφέρεται να το εξερευνήσει είναι επειδή έχει πολλά οφέλη και πρακτικές εφαρμογές. Θα εξετάσουμε αυτά τα πλεονεκτήματα και τις εφαρμογές στα επόμενα τμήματα.

Τα Πολλά Οφέλη και οι Εφαρμογές της Ψύξης Στερεάς Κατάστασης

Η ψύξη στερεάς κατάστασης θα μπορούσε να γίνει πιο ενεργειακά αποδοτική από τα συμβατικά συστήματα ψύξης, καθώς είναι ικανή να μετατρέπει μεγαλύτερο ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας σε ψυκτική ισχύ.

Επίσης, είναι πιο συμβατές με την ενσωμάτωση πηγών ανανεώσιμης ενέργειας, όπως οι ηλιακοί πίνακες. Εκτός από το χαμηλό αποτύπωμα άνθρακα, η ψύξη στερεάς κατάστασης δεν συμβάλλει στην εξάλειψη του όζοντος και, επομένως, είναι πιο φιλική προς το περιβάλλον σε σύγκριση με τα ψυκτικά ή άλλες τεχνολογίες ψύξης βασισμένες σε υγρά.

Η ψύξη στερεάς κατάστασης επίσης κατατάσσεται υψηλά στα κριτήρια αξιοπιστίας και ανθεκτικότητας. Δεδομένου ότι δεν περιέχει κινούμενα μέρη ή κυκλοφορούντα υγρά, υφίσταται λιγότερες μηχανικές βλάβες και απαιτεί λιγότερη συντήρηση. Πολλές καταναλωτικές συσκευές μπορούν να αξιοποιήσουν την τεχνολογία ψύξης στερεάς κατάστασης.

Μερικά παραδείγματα τέτοιων συσκευών περιλαμβάνουν ψυγεία, κλιματιστικά ή ψυγεία κρασιού. Υπάρχει αυξανόμενη συζήτηση για το πώς να χρησιμοποιηθεί η ψύξη στερεάς κατάστασης σε ηλεκτρικά και υβριδικά οχήματα για την ψύξη μπαταριών και άλλων εξαρτημάτων. Θα μπορούσε να συμβάλει σε βελτιωμένη απόδοση και αυξημένη εμβέλεια.

Ο μηχανισμός ψύξης στερεάς κατάστασης θεωρείται επίσης κατάλληλος ως εναλλακτικό σύστημα ψύξης καμπίνας σε σύγχρονα οχήματα. Μια επιστημονική μελέτη εξέτασε τη δυνατότητα ενός αυτοκινητοβιομηχανικού συστήματος κλιματισμού που θα χρησιμοποιούσε ψύξη στερεάς κατάστασης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η εφαρμογή μικρών και ευέλικτων συσκευών TE ψύξης παρείχε περισσότερες δυνατότητες για ένα αποδοτικό σύστημα κλιματισμού αυτοκινήτου.

Η μελέτη επίσης διερεύνησε τα προφίλ ταχύτητας και θερμοκρασίας της τοπικής ψύξης TE που κατασκευάστηκε για καλύτερη άνεση των ανθρώπων παρέχοντας ομοιόμορφη ροή αέρα στην καμπίνα. Εκτιμήθηκε βελτίωση σχεδόν 9% όταν αυτή η διάταξη συγκρίθηκε με το συμβατικό σύστημα ψύξης όσον αφορά την άνεση των ανθρώπων.

Πολλά οφέλη και εφαρμογές της ψύξης στερεάς κατάστασης έχουν ενθαρρύνει εταιρείες να επενδύσουν στην έρευνα και τους πόρους σε τεχνικές και μεθόδους ψύξης στερεάς κατάστασης.

Στα επόμενα τμήματα, θα συζητήσουμε κάποιες τέτοιες εταιρείες και τις συγκεκριμένες λύσεις τους.

#1. CUI Devices

Η CUI Devices είναι γνωστή για την γκάμα των συσκευών Πέλτιερ της. Προσφέρει ένα χαρτοφυλάκιο μονάδων Πέλτιερ μονού σταδίου, πολυσταδιακών μονάδων Πέλτιερ και μονάδων ψύξης Πέλτιερ.

Η μονάδα ψύξης Πέλτιερ CPM-2F 6,0 Amp, για παράδειγμα, διαθέτει ενισχυμένη δομή σφράγισμα για αντοχή στο νερό και απορρόφηση θερμικού στρες. Μπορεί να εγκατασταθεί εύκολα και εξυπηρετεί ιδανικά τις ανάγκες βιομηχανικών εφαρμογών υψηλής πυκνότητας και υψηλής ισχύος καθώς και ψύξης.

Η εταιρεία διαθέτει επίσης δύο ακόμη παραλλαγές, CPM-2C και CPM-2H, που προσφέρουν βέλτιστη εξυπηρέτηση σε κλίμακα 7 και 8,5 Amp, αντίστοιχα. 

Αν εξετάσουμε το συνολικό προφίλ προϊόντων της CUI Devices σε αυτόν τον χώρο, περιλαμβάνει μια γκάμα μονάδων Πέλτιερ μονού και πολυσταδίου καθώς και μονάδων ψύξης Πέλτιερ, με μεγέθη από 3,4 έως 70 mm και προφίλ τόσο χαμηλά όσο 1,95 mm, και ρεύματα από 0,7 έως 20 A και διαφορές θερμοκρασίας από 70 έως 105 °C. Η εταιρεία υπερηφανεύεται για τη βελτιωμένη αξιοπιστία, την ανώτερη απόδοση και τη βελτιωμένη διάρκεια κύκλου των προϊόντων της.

Η CUI Devices, με έδρα το Tualatin, Oregon, Ηνωμένες Πολιτείες, είναι κατασκευαστής ηλεκτρονικών εξαρτημάτων που προσφέρει λύσεις διασύνδεσης, ήχου, διαχείρισης θερμότητας, κίνησης και αισθητήρων. Τον Οκτώβριο του 2023, η ομάδα διαχείρισης θερμότητας της CUI Devices λάνσαρε μια υπηρεσία σχεδίασης θερμότητας για τον εντοπισμό πιθανών σημείων υπερθέρμανσης, τη βελτιστοποίηση της ροής αέρα και το σχεδιασμό αποτελεσματικών συστημάτων ψύξης προσαρμοσμένων στις συγκεκριμένες ανάγκες του πελάτη.

#2. Coherent Corp

Τα συστήματα ψύξης της Coherent Corp (COHR ) προσφέρουν μια γκάμα βιομηχανικών και τηλεπικοινωνιακών λύσεων, συμπεριλαμβανομένων τυπικών και προσαρμοσμένων μορφών, όλα χτισμένα γύρω από ένα κοινό «Core» βασισμένο σε αποδοτικές συσκευές TEC. Εκτός από τις συσκευές TEC, αυτό το core ενσωματώνει επίσης απορροφητές θερμότητας/ψύξης, θερμίστορ/RTD και καλωδιώσεις.

Ένα από τα πιο γνωστά προϊόντα τεχνολογίας ψύξης στερεάς κατάστασης της Coherent είναι τα συστήματα ψύξης αέρα-αέρα Climatherm (CTA). Βασισμένο στην τεχνολογία ψύξης στερεάς κατάστασης TEC της εταιρείας, η λύση προστατεύει τα ηλεκτρονικά των πελατών από ακραίες συνθήκες με έως 250 W ψυκτικής ισχύος σε ελαφρύ, συμπαγές πακέτο.

Οι ψυκτήρες του προϊόντος διαθέτουν σχεδίαση συμβατή με RoHS EU, συμπαγή, ελαφριά και παρέχουν εξαιρετικά αποδοτική μεταφορά θερμότητας. Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν ψύξη ηλεκτρονικών περιβλημάτων, αποθήκευση τροφίμων και ποτών, ψύξη θήκης μπαταριών και εργαστηριακών οργάνων.

Σύμφωνα με τα πιο πρόσφατα διαθέσιμα οικονομικά αρχεία, η εταιρεία κατέγραψε ετήσιο κύκλο εργασιών 5,16 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ για το οικονομικό έτος που έληξε στις 30 Ιουνίου 2023. Ήταν σημαντική αύξηση σε σχέση με το προηγούμενο έτος, όπου το 2022 το ρεκόρ ήταν 3,317 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ.

Το Μέλλον της Ψύξης Στερεάς Κατάστασης

Για να το πούμε με ήπιο τρόπο, το μέλλον της ψύξης στερεάς κατάστασης φαίνεται αδιαμφισβήτητα ελπιδοφόρο. Οι επιστημονικές και εμπορικές κοινότητες τεχνολογίας σε όλο τον κόσμο έχουν συνειδητοποιήσει το δυναμικό της ως κάτι που θα μπορούσε να αντιμετωπίσει άμεσα τις προκλήσεις της παγκόσμιας θέρμανσης και της κλιματικής αλλαγής. 

Εκτός από τις έμπειρες και καθιερωμένες ονομασίες, έχουν εμφανιστεί καινοτόμες εταιρείες όπως η Phononic. Η καινοτομία τους στην ψύξη στερεάς κατάστασης, ψύξη και HVAC χρησιμοποιεί μόνο νερό αναμεμειγμένο με φυσικά διαθέσιμο CO2, με GWP μόλις 1, προσφέροντας τη χαμηλότερη βαθμολογία GWP στη βιομηχανία. Εδώ, GWP σημαίνει Δυναμικό Παγκόσμιας Θέρμανσης.

Η Phononic πιστεύει ότι ο σχεδιασμός στερεάς κατάστασης της έχει τη δυνατότητα να αποτελέσει έναν συναρπαστικό νέο τρόπο μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, υποστηρίζοντας τους στόχους κλιματικής δράσης του ΟΗΕ και καλύπτοντας τις απαιτητικές ανάγκες απόδοσης της αγοράς.

Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις που η ψύξη στερεάς κατάστασης θα πρέπει να αντιμετωπίσει για να καλύψει αποδοτικά τις θερμικές ανάγκες στα ηλεκτρονικά στο μέλλον. Πρέπει να γίνει προσιτή, καθώς το κόστος των θερμοηλεκτρικών υλικών μπορεί να είναι σημαντικά υψηλότερο σε σύγκριση με τα παραδοσιακά συστήματα ψύξης.

Οι ερευνητές θα πρέπει να εργαστούν πιο επιθετικά και γρήγορα στην εξερεύνηση εναλλακτικών υλικών και πιο οικονομικών διαδικασιών κατασκευής για την επίλυση αυτής της πρόκλησης.

Η κλιμάκωση της παραγωγής με ψύξη στερεάς κατάστασης στο κέντρο θα αντιμετωπίσει επίσης πρόκληση αποδοτικότητας, καθώς τα θερμοηλεκτρικά υλικά εξακολουθούν να υστερούν σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα συμπίεσης ατμού σε ορισμένες εφαρμογές. Οι επιστήμονες θα πρέπει να διεξάγουν πιο εντατικές δοκιμές για να ανακαλύψουν τρόπους βελτίωσης της αποδοτικότητας των θερμοηλεκτρικών υλικών.

Τέλος, τα συστήματα ψύξης στερεάς κατάστασης θα πρέπει να βελτιώσουν τα προφίλ διαχείρισης θερμότητας ώστε να μπορούν να διαχέουν αποδοτικά τη θερμότητα που παράγεται στη ζεστή πλευρά του θερμοηλεκτρικού ψυκτικού. Αυτό είναι κρίσιμο για τη διατήρηση της βέλτιστης απόδοσης του συστήματος.

Παγκοσμίως, οι ερευνητές έχουν συνειδητοποιήσει τα οφέλη της ψύξης στερεάς κατάστασης. Εξετάζουν νέα υλικά και τεχνικές βελτίωσης της απόδοσης. Ελπίζουμε σύντομα να δούμε μεγαλύτερη υιοθέτηση της ψύξης στερεάς κατάστασης σε βιομηχανικές και εμπορικές περιπτώσεις χρήσης.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς μπορούμε να προωθήσουμε τις λύσεις HVAC με ηλεκτροκαλορροϊκά υλικά.