Hyvästi, kylmäaineet! Uudet näkemykset kiinteän tilan jäähdytyksestä voivat mullistaa, miten lähestymme elektronisten laitteiden lämpötarpeita

Kylmäaineet ovat olleet yksi nykyaikaisen teknologisen maailmamme määrittävimmistä ominaisuuksista. Kiitos kylmäaineiden avulla voimme säilyttää ruokaa, kuljettaa sitä paikasta toiseen ja tehdä helposti pilaantuvista tuotteista käyttökelpoisia pidemmän ajan.

Kylmäaineiden markkinat kasvavat ja tulevat kasvamaan edelleen markkina-arvioiden mukaan. Saatavilla olevien tietojen mukaan kylmäaineiden tuotteiden maailmanlaajuinen kokonaisarvo oli 20,05 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuonna 2022, ja se voi nousta 36,77 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä, yli 1,8‑kertaiseksi kahdeksassa vuodessa. 

Kylmäaineiden markkinan kasvu ei kuitenkaan tarkoita, että ala olisi pysähtynyt. Itse asiassa myynnin kasvu ja markkinoiden laajentuminen eivät sulje pois innovaatiota. Päinvastoin, tämä kasvu usein ajaa uusien teknologioiden ja lähestymistapojen kehittämistä. Äskettäinen tutkimus, jota johti Yhdysvaltain energiaministeriön Oak Ridgein kansallinen laboratorio, on tuonut uutta tieteellistä ymmärrystä, joka voi auttaa saavuttamaan kiinteän tilan jäähdytyksen.

Seuraavissa osioissa syvennymme tähän ilmiöön tarkemmin. 

Kiinteän tilan jäähdytyksen mullistava paradigma

Tutkijatiimin ensisijainen saavutus on ollut tiedon kuilun kaventaminen atomitasoisen lämmön liikkeen tieteessä. Toiminnallisemmalla tasolla tutkimuksen menestys perustuu syvempään materiaalien ja laitteiden ymmärrykseen.

Materiaalina tässä tapauksessa toimii nikkeli‑koboltti‑mangaani‑indiummagnetinen muistikuvioitu seos, joka voidaan muokata ja palauttaa alkuperäiseen muotoonsa ohjaamalla se faasisiirtymän läpi joko lämpötilan nostamalla tai magneettikenttää soveltamalla.

Laitteisto puolestaan koostuu joukoksi neutronisuihkutuslaitteita, jotka voivat tarkastella materiaalia atomitasolla. 

Kuinka materiaali nousi optimaaliseksi ehdokkaaksi kiinteän tilan jäähdytykseen

Koe osoitti, että nikkeli‑koboltti‑mangaani‑indiummagnetinen muistikuvioitu seos voidaan ohjata faasisiirtymän läpi joko lämpötilan nostamalla tai magneettikenttää soveltamalla.

Kun materiaalia altistetaan magneettikentälle, se kokee rakenteellisen ja magnetisen faasisiirtymän: se absorboi ja vapauttaa lämpöä, yksinkertaisesti sanottuna. Tämä vaikutus on kiinteän tilan jäähdytyksen ilmiön ydin. Toisin sanoen, kiinteä tila hyödyntää tätä vaikutusta tarjoamaan jäähdytystä. 

Tässä jäähdytysmenetelmässä materiaali saavuttaa niin sanotun ferroisen lasitilan, mikä parantaa sen kykyä varastoida ja vapauttaa lämpöä.

Käsitellessään kokeen taustalla olevaa tiedettä, Michael Manley, vanhempi tutkija neutroni‑ ja röntgensuihkutusryhmässä ORNL:ssä, totesi seuraavaa:

“Neutronisuihkutus osoittaa, että magneettisen muistikuvioidun seoksen jäähdytyskyky on kolminkertaistunut näiden paikallisten magnon‑fononi hybriditilojen sisältämän lämmön ansiosta, jotka muodostuvat järjestelmän epäjärjestyksen vuoksi. Tämä havainto avaa polun parempien materiaalien kehittämiseen kiinteän tilan jäähdytys sovelluksiin yhteiskunnallisten tarpeiden täyttämiseksi.” 

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten säteilyjäähdytys voi auttaa meitä torjumaan ilmastonmuutosta. 

Magonon‑fononi hybriditilat

Magononeja ja fononeja kutsutaan myös spin‑aalloiksi ja värähtelyiksi. Ne esiintyvät parina materiaalissa synkronisessa tanssissa pienillä alueilla, jotka jakautuvat epäjärjestäytyneen atomijärjestelyn läpi. Magonon‑fononi hybriditilojen alueellinen käyttäytymismalli vaikuttaa merkittävästi materiaalin lämpöominaisuuksiin. 

Selittäessään näiden hybriditilojen ja niiden liikkeiden vaikutuksia, Manley lisäsi:

“Pitkä‑ ja lyhyen kantaman vuorovaikutukset ilmenevät paikallisina värähtelyinä ja spin‑aaltoina, mikä tarkoittaa, että ne jäävät loukkuun pieniin alueisiin. Tämä on tärkeää, koska nämä ylimääräiset paikalliset värähtelytilat varastoivat lämpöä. Magneettikentän muuttaminen käynnistää toisen faasisiirtymän, jossa tämä lämpö vapautuu.”

Kaiken kaikkiaan koe avasi uuden rajan kiinteän tilan jäähdytystutkimuksessa osoittamalla, että magneettisen muistikuvioidun seoksen toimintojen asianmukainen hallinta voi tehdä siitä lämpösienin ja valmistaa sen tehokkaaseen kiinteän tilan jäähdytykseen ilman perinteisiä kylmäaineita tai mekaanisia komponentteja. 

Vaikka tämä tutkimus on selvästi läpimurto, on aina muistettava, että kiinteä tila ei ole uusi ilmiö. Teoriassa ilmiö on ollut olemassa vuodesta 1834, jolloin ranskalainen fyysikko Jean Charles Athanase Peltier löysi Peltier‑efektin.

Seuraavassa osiossa tarkastelemme lyhyesti Peltier‑efektin ilmiötä ja termoelektrisiä jäähdyttimiä, jotka hyödyntävät Peltier‑efektiä. 

Kiinteän tilan jäähdytyksen ja termoelektristen jäähdyttimien synty

Tieteellisesti Peltier‑efekti määritellään “ilmiönä, jossa johdin, jonka lämpötila pidetään vakiona ja jonka läpi kulkee sähkövirta, kokee lämpövirran syntymisen. Tämä lämpövirta auttaa poistamaan sähkövirran tuottamaa lämpöä.”

Toisin sanoen, Peltier‑efekti syntyy tilanteessa, jossa kahden materiaalin liitoskohdassa kulkeva sähkövirta vapauttaa tai absorboi lämpöä aikayksikköä kohti tasapainottaakseen kahden materiaalin kemiallisten potentiaalien eron. T

Peltier‑efekti mahdollistaa elektronisen jääkaapin, joka tunnetaan nimellä Peltier‑jäähdytin. Peltier‑laitteita kutsutaan myös termoelektrisiksi jäähdyttimiksi, jotka koostuvat puolijohdemateriaalien sarjasta, valmistettuina bismutti‑teleurista, kytkettynä sarjaan ja kahden keramiikkalevyn väliin asetettuna.

Kun suoraa virtaa syötetään TEC:iin, puolijohdemateriaalin elektronit liikkuvat kuumalta puolelta kylmälle puolelle, kuljettaen lämpöä mukanaan ja aiheuttaen laitteen toisen puolen jäähtymisen samalla kun toinen puoli lämpenee.

Syynä siihen, että tieteellinen yhteisö pohtii edelleen kiinteän tilan jäähdytyksen ilmiötä ja on kiinnostunut sen tutkimisesta, on sen moninaiset hyödyt ja todelliset sovellukset. Tarkastelemme näitä etuja ja sovelluksia tulevissa osioissa. 

Kiinteän tilan jäähdytyksen monet hyödyt ja sovellukset

Kiinteä tila -jäähdytys voi olla energiatehokkaampaa kuin perinteiset jäähdytysjärjestelmät, koska se pystyy muuntamaan suuremman osan sähköenergiasta jäähdytystehoon. 

Ne ovat myös paremmin yhteensopivia uusiutuvien energialähteiden, kuten aurinkopaneelien, kanssa. Alhaisen hiilijalanjäljen lisäksi kiinteä tila -jäähdytys ei edistä otsonikerroksen ehtymistä, ja on siten ympäristöystävällisempi kuin kylmäaine‑ tai muut nestebasoidut jäähdytysteknologiat.

Kiinteä tila -jäähdytys saa myös korkeat pisteet luotettavuuden ja kestävyyden osalta. Koska niissä ei ole liikkuvia osia tai kiertävää nestettä, ne kokevat vähemmän mekaanisia vikoja ja vaativat vähemmän huoltoa. Monet kuluttajalaitteet voivat hyödyntää kiinteän tilan jäähdytysteknologiaa. 

Joitakin tällaisia laitteita ovat jääkaapit, ilmastointilaitteet tai viinikylmälaitteet. Keskustelua käydään yhä enemmän siitä, miten kiinteää tilaa voidaan käyttää sähkö‑ ja hybridiautoissa akkujen ja muiden komponenttien jäähdyttämiseen. Tämä voisi parantaa suorituskykyä ja lisätä toimintasädettä. 

Kiinteä tila -jäähdytysmekanismi katsotaan myös sopivaksi vaihtoehtoiseksi matkustamojäähdytysjärjestelmäksi nykyaikaisissa ajoneuvoissa. Tieteellinen tutkimus tarkasteli kiinteää jäähdytystä hyödyntävän auton ilmastointijärjestelmän toteutettavuutta. Tulokset osoittivat, että pienten ja joustavien TE‑jäähdytyslaitteiden käyttö tarjosi enemmän mahdollisuuksia tehokkaaseen auton ilmastointijärjestelmään. 

Tutkimus tutki myös paikallisen TE‑jäähdytyksen nopeus- ja lämpötilaprofiileja, jotka on rakennettu parantamaan ihmisen mukavuutta tarjoamalla tasaisen ilmavirran matkustamossa. Arvioitu lähes 9 %:n parannus saatiin, kun tätä järjestelyä verrattiin perinteiseen jäähdytysjärjestelmään ihmismukavuuden osalta.  

Monet kiinteän tilan jäähdytyksen hyödyt ja sovellukset ovat inspiroineet yrityksiä investoimaan tutkimukseen ja resursseihin kiinteän tilan jäähdytystekniikoihin ja -menetelmiin.

Seuraavissa osioissa käsittelemme joitakin tällaisia yrityksiä ja niiden erityisratkaisuja.

#1. CUI Devices

CUI Devices on tunnettu Peltier‑laitteiden valikoimastaan. Se tarjoaa portfolion yksivaiheisia Peltier‑moduuleja, monivaiheisia Peltier‑moduuleja ja Peltier‑jäähdytysyksiköitä.

Esimerkiksi CPM-2F 6,0 A:n Peltier‑jäähdytysyksikkö sisältää parannetun tiivisteen rakenteen vesitiiviyden ja lämpöstressin absorboimiseksi. Se on helppo asentaa ja sopii erinomaisesti korkean tiheyden, suuren tehon teollisiin sovelluksiin ja jäähdytykseen.

Yritys tarjoaa myös kaksi muuta varianttia, CPM-2C ja CPM-2H, jotka tarjoavat optimaaliset palvelut 7 A:n ja 8,5 A:n mittakaavassa.

Jos tarkastelemme CUI Devicesin kokonaisvaltaista tuoteprofiilia tällä alalla, se sisältää valikoiman yksivaiheisia ja monivaiheisia Peltier‑moduuleja sekä Peltier‑jäähdytysyksiköitä, joiden koko vaihtelee 3,4–70 mm ja profiilit alimmillaan 1,95 mm, ja virrankesto 0,7–20 A sekä lämpötilaerot 70–105 °C. Yritys korostaa tuotteidensa parantunutta luotettavuutta, erinomaista suorituskykyä ja pidennettyä käyttöikää.

CUI Devices, pääkonttori Tualatinissa, Oregonissa, Yhdysvallat, on elektroniikkakomponenttien valmistaja, joka tarjoaa liitäntä‑, audio‑, lämpöhallinta‑, liike‑ ja anturiratkaisuja. Lokakuussa 2023 CUI Devicesin lämpöhallintaryhmä lanseerasi lämpösuunnittelupalvelun, jonka avulla voidaan tunnistaa mahdolliset kuumapisteet, optimoida ilmavirta ja suunnitella tehokkaita jäähdytysjärjestelmiä asiakkaan erityistarpeisiin.

#2. Coherent Corp

Coherent Corp (COHR ):n jäähdytysjärjestelmät tarjoavat valikoiman teollisuus‑ ja telekommunikaatioratkaisuja, mukaan lukien erilaisia vakio‑ ja räätälöityjä muotoja, jotka kaikki perustuvat yhteiseen “Core”-arkkitehtuuriin, jossa hyödynnetään tehokkaita TEC‑laitteita. TEC‑laitteiden lisäksi tämä ydin sisältää myös lämpö‑ ja kylmälevyt, termistorit/RTD:t ja johdotusjärjestelmät. 

Yksi Coherentin tunnetuimmista kiinteän tilan jäähdytysteknologian tuotteista on Climatherm (CTA) ilma‑ilma -jäähdytysjärjestelmät. Yrityksen kiinteän tilan TEC‑jäähdytysteknologian pohjalta ratkaisu suojaa asiakkaiden elektroniikkaa äärimmäisiltä olosuhteilta jopa 250 W:n jäähdytustehoon kevyessä, kompaktissa paketissa. 

Tuotteen jäähdyttimet tarjoavat RoHS EU‑yhteensopivan, kompaktin ja kevyen muotoilun ja varmistavat erittäin tehokkaan lämmönsiirron. Tyypillisiä sovelluksia ovat elektroniikkakoteloiden jäähdytys, elintarvike‑ ja  juomavarastointi, akkunäköalojen jäähdytys sekä laboratoriolaitteet.

Viimeisimpien saatavilla olevien talousraporttien mukaan yritys ilmoitti vuodelle, joka päättyi 30. kesäkuuta 2023, vuositulokseksi 5,16 miljardia Yhdysvaltain dollaria. Tämä oli merkittävä kasvu edellisen vuoden, 30. kesäkuuta 2022 päättyneen, 3,317 miljardia dollaria olevaan tulokseen.

Kiinteän tilan jäähdytyksen tulevaisuus

Vähästi sanottuna kiinteän tilan jäähdytyksen tulevaisuus näyttää epäilemättä lupaavalta. Tieteellinen ja kaupallinen teknologiayhteisö ympäri maailmaa on tunnistanut sen potentiaalin ratkoa ilmaston lämpenemisen ja ilmastonmuutoksen haasteita suoraan. 

Kokeneiden ja vakiintuneiden nimien lisäksi ovat nousseet esiin innovatiiviset yritykset kuten Phononic. Heidän kiinteän tilan jäähdytys-, jäähdytys- ja HVAC‑innovaationsa käyttää vain vettä, jossa on luonnollisesti saatavilla olevaa CO2:ta, jonka GWP on vain 1, tarjoten alhaisimman GWP‑luokituksen alalla. GWP tarkoittaa ilmaston lämpenemispotentiaalia.

Phononic uskoo, että sen kiinteän tilan suunnittelu voi edustaa jännittävää uutta tapaa vähentää kasvihuonekaasupäästöjä, tukea YK:n ilmastotavoitteita ja täyttää markkinoiden vaativat suorituskykyvaatimukset.

Kuitenkin on olemassa joitakin haasteita, jotka kiinteän tilan jäähdytyksen on ratkaistava, jotta se voi tulevaisuudessa tehokkaasti täyttää elektronisten laitteiden lämpötarpeet. Sen on oltava edullinen, sillä termoelektristen materiaalien kustannukset voivat olla merkittävästi  korkeammat kuin perinteisten jäähdytysjärjestelmien. Tutkijoiden on toimittava aggressiivisemmin ja nopeammin tutkiakseen vaihtoehtoisia materiaaleja ja kustannustehokkaampia valmistusprosesseja tämän haasteen ratkaisemiseksi.

Tuotannon skaalaaminen kiinteän tilan jäähdytyksen ytimessä kohtaa myös tehokkuushaasteen, sillä termoelektriset materiaalit jäävät edelleen jälkeen perinteisistä höyrypuristusjärjestelmistä tietyissä sovelluksissa. Tiedemiehet joutuvat tekemään perusteellisempaa testausta löytääkseen keinoja parantaa termoelektristen materiaalien tehokkuutta. 

Lopuksi kiinteän tilan jäähdytysjärjestelmien on parannettava lämpöhallintaprofiilejaan, jotta ne voivat tehokkaasti hajottaa termoelektrisen jäähdyttimen kuumapuolella syntyvän lämmön. Tämä on ratkaisevaa järjestelmän optimaalisen suorituskyvyn ylläpitämiseksi. 

Maailmanlaajuisesti tutkijat ovat tunnistaneet kiinteän tilan jäähdytyksen hyödyt. He tutkivat uusia materiaaleja ja suorituskykyä parantavia tekniikoita. Toivottavasti näemme pian  lisää kiinteän tilan jäähdytyksen käyttöönottoa teollisuus‑ ja kaupallisissa sovelluksissa.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten voimme edistää HVAC‑ratkaisuja elektrokaloristen materiaalien avulla.