Énergie
Adieu, Réfrigérants ! De nouvelles perspectives sur le refroidissement à l’état solide pourraient bouleverser notre approche des besoins thermiques dans l’électronique
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Les réfrigérants ont été l’une des caractéristiques les plus déterminantes de notre monde technologique moderne. C’est grâce aux réfrigérants que nous pouvons conserver les aliments, les transporter d’un endroit à un autre, et rendre les produits périssables utilisables pendant une période plus longue.
Le marché des produits réfrigérants est en croissance et continuera de croître, selon les estimations du marché. Les données disponibles indiquent que la valeur totale des produits réfrigérants dans le monde était de 20,05 milliards de dollars américains en 2022, et pourrait augmenter à 36,77 milliards de dollars américains d’ici 2030, soit plus de 1,8 fois en huit ans.
Cependant, la croissance du marché des réfrigérants ne suggère pas que l’industrie devienne stagnante. En fait, l’augmentation des ventes et l’expansion du marché n’excluent pas l’innovation. Au contraire, cette croissance stimule souvent le développement de nouvelles technologies et approches. Un effort de recherche récent mené par le Oak Ridge National Laboratory du Département de l’Énergie a conduit à une nouvelle compréhension scientifique qui pourrait aider à réaliser le refroidissement à l’état solide.
Dans les prochains segments, nous approfondirons notre compréhension de ce phénomène.
Le Paradigme Transformateur du Refroidissement à l’État Solide
La principale réalisation de l’équipe de chercheurs a été de combler le fossé de connaissances dans la science du mouvement thermique à l’échelle atomique. À un niveau plus fonctionnel, le succès de la recherche repose sur une compréhension approfondie des matériaux et des dispositifs.
Le matériau, dans ce cas, est un alliage à mémoire de forme magnétique nickel-cobalt-manganèse-indium qui peut être déformé puis revenir à sa forme originale en le faisant traverser une transition de phase soit en augmentant la température, soit en appliquant un champ magnétique.
Le dispositif, quant à lui, comprend une série d’instruments de diffusion de neutrons capables d’examiner un matériau à l’échelle atomique.
Comment le Matériau est Devenu un Candidat Optimal pour le Refroidissement à l’État Solide
L’expérience a montré que l’alliage à mémoire de forme magnétique nickel-cobalt-manganèse-indium pouvait être conduit à travers une transition de phase en augmentant la température ou en appliquant un champ magnétique.
Lorsqu’il est soumis à un champ magnétique, le matériau subit une transition de phase structurale et magnétique: il absorbe et libère de la chaleur, en termes simples. Cet effet est au cœur du phénomène de refroidissement à l’état solide. En d’autres termes, le refroidissement à l’état solide exploite cet effet pour fournir de la réfrigération.
Dans ce mécanisme de refroidissement, le matériau atteint ce que l’on appelle l’état vitreux ferroïque, ce qui améliore sa capacité à stocker et libérer de la chaleur.
En détaillant la science derrière l’expérience, Michael Manley, chercheur principal du groupe de diffusion de neutrons et de rayons X à l’ORNL, a déclaré ce qui suit:
« La diffusion de neutrons montre que la capacité de refroidissement de l’alliage à mémoire de forme magnétique est triplée par la chaleur contenue dans ces modes hybrides magnon-phonon locaux qui se forment en raison du désordre du système. Cette découverte révèle une voie pour créer de meilleurs matériaux pour les applications de refroidissement à l’état solide répondant aux besoins sociétaux. »
Les Modes Hybrides Magnon-Phonon
Les magnons et les phonons sont également appelés respectivement ondes de spin et vibrations. Ils existent en couple dans le matériau sous forme de danses synchronisées dans de petites régions réparties à travers la disposition désordonnée des atomes. Le schéma comportemental régional des modes hybrides magnon-phonon a des implications cruciales pour les propriétés thermiques d’un matériau.
En expliquant les implications de ces modes hybrides et leurs mouvements, Manley a ajouté:
« Les interactions à longue et courte portée se manifestent sous forme de vibrations localisées et d’ondes de spin, ce qui signifie qu’elles sont piégées dans de petites régions. C’est important car ces états vibratoires localisés supplémentaires stockent de la chaleur. Modifier le champ magnétique déclenche une autre transition de phase dans laquelle cette chaleur est libérée. »
Dans l’ensemble, l’expérience a ouvert une nouvelle frontière dans la recherche sur le refroidissement à l’état solide en montrant que le contrôle adéquat des fonctions de l’alliage à mémoire de forme magnétique peut le transformer en une éponge thermique et le préparer à un refroidissement à l’état solide efficace sans besoin de réfrigérants traditionnels ni de composants mécaniques.
Bien que cette recherche soit indéniablement une percée, il faut toujours se rappeler que le refroidissement à l’état solide n’est pas un phénomène récent. Théoriquement, le phénomène existe depuis 1834, lorsque le physicien français Jean Charles Athanase Peltier a découvert l’effet Peltier.
Dans le segment suivant, nous examinons brièvement le phénomène de l’effet Peltier et les refroidisseurs thermoélectriques qui exploitent l’effet Peltier.
La Genèse du Refroidissement à l’État Solide et des Refroidisseurs Thermoélectriques
Scientifiquement, l’effet Peltier est défini comme le « phénomène dans lequel un conducteur, maintenu à une température constante et traversé par un courant électrique, génère un courant thermique. Ce courant thermique aide à évacuer la chaleur produite par le courant électrique ».
En d’autres termes, l’effet Peltier apparaît lorsqu’un courant électrique traversant la jonction reliant deux matériaux émet ou absorbe de la chaleur par unité de temps à la jonction afin d’équilibrer la différence de potentiel chimique des deux matériaux.
L’effet Peltier permet de concevoir un réfrigérateur électronique appelé refroidisseur Peltier. Les dispositifs Peltier sont également appelés refroidisseurs thermoélectriques, qui consistent en un ensemble de matériaux semi-conducteurs, composés de tellurure de bismuth, connectés en série et intercalés entre deux plaques céramiques.
Lorsque le courant continu traverse un TEC, les électrons du matériau semi-conducteur se déplacent du côté chaud vers le côté froid, transportant la chaleur avec eux et provoquant le refroidissement d’un côté du dispositif tandis que l’autre côté se réchauffe.
La raison pour laquelle la communauté scientifique continue de débattre du phénomène de refroidissement à l’état solide et s’intéresse à son exploration est qu’il offre de nombreux avantages et applications concrètes. Nous examinerons ces avantages et applications dans les prochains segments.
Les Nombreux Avantages et Applications du Refroidissement à l’État Solide
Le refroidissement à l’état solide pourrait devenir plus efficace énergétiquement que les systèmes de réfrigération conventionnels, car il est capable de convertir un pourcentage plus élevé d’énergie électrique en puissance de refroidissement.
Ils sont également plus compatibles en termes d’intégration avec les sources d’énergie renouvelable, y compris les panneaux solaires. En plus d’avoir une faible empreinte carbone, le refroidissement à l’état solide ne contribue pas à l’appauvrissement de la couche d’ozone et est donc plus respectueux de l’environnement que les réfrigérants ou autres technologies de refroidissement à base de fluides.
Le refroidissement à l’état solide obtient également de bons scores en matière de fiabilité et de durabilité. Puisqu’ils ne comportent aucune pièce mobile ni fluide circulant, ils subissent moins de pannes mécaniques et nécessitent moins d’entretien. De nombreux appareils grand public peuvent exploiter la technologie du refroidissement à l’état solide.
Parmi ces exemples d’appareils figurent les réfrigérateurs, les climatiseurs ou les caves à vin. On réfléchit de plus en plus à l’utilisation du refroidissement à l’état solide dans les véhicules électriques et hybrides pour refroidir les batteries et d’autres composants. Cela pourrait contribuer à améliorer les performances et à augmenter l’autonomie.
Un mécanisme de refroidissement à l’état solide est également considéré comme adapté comme système de climatisation de cabine alternatif dans les véhicules modernes. Une étude scientifique a examiné la faisabilité d’un système de climatisation automobile utilisant le refroidissement à l’état solide. Les résultats ont montré que l’application de petits dispositifs de refroidissement TE flexibles offrait davantage de possibilités pour un système de climatisation automobile efficace.
L’étude a également examiné les profils de vitesse et de température du refroidissement TE localisé conçu pour améliorer le confort humain en fournissant un flux d’air uniforme dans la cabine. Une amélioration estimée à près de 9 % a été obtenue lorsque cet agencement a été comparé au système de réfrigération conventionnel en termes de confort humain.
De nombreux avantages et applications du refroidissement à l’état solide ont incité des entreprises à investir en recherche et ressources dans les techniques et méthodes de refroidissement à l’état solide.
Dans les segments suivants, nous discuterons de certaines de ces entreprises et de leurs solutions spécifiques.
#1. CUI Devices
CUI Devices est connu pour sa gamme de dispositifs Peltier. Il propose un portefeuille de modules Peltier à un seul étage, de modules Peltier à plusieurs étages et d’unités de refroidissement Peltier.
L’unité de refroidissement Peltier CPM-2F 6,0 A, par exemple, est dotée d’une structure d’étanchéité améliorée pour la résistance à l’eau et l’absorption des contraintes thermiques. Elle peut être installée facilement et répond idéalement aux besoins des applications industrielles à haute densité et haute puissance ainsi qu’à la réfrigération.
L’entreprise propose également deux variantes supplémentaires, CPM-2C et CPM-2H, offrant des performances optimales aux échelles de 7 A et 8,5 A, respectivement.
Si nous examinons le profil global des produits de CUI Devices dans ce domaine, il comprend une gamme de modules Peltier à un et plusieurs étages ainsi que des unités de refroidissement Peltier, avec des tailles allant de 3,4 à 70 mm, des profils aussi bas que 1,95 mm, des courants de 0,7 à 20 A et des écarts de température de 70 à 105 °C. L’entreprise se targue de la fiabilité améliorée de ses produits, de leurs performances supérieures et de leur durée de cycle accrue.
CUI Devices, dont le siège se trouve à Tualatin, Oregon, États-Unis, est un fabricant de composants électroniques proposant des solutions d’interconnexion, audio, de gestion thermique, de mouvement et de capteurs. En octobre 2023, le groupe de gestion thermique de CUI Devices a lancé un service de conception thermique pour identifier les points chauds potentiels, optimiser le flux d’air et concevoir des systèmes de refroidissement efficaces adaptés aux besoins spécifiques d’un client.
#2. Coherent Corp
Les systèmes de refroidissement de Coherent Corp (COHR ) offrent une gamme de solutions industrielles et télécom, incluant des formats standard et personnalisés, tous construits autour d’un « Core » commun basé sur des dispositifs TEC efficaces. En plus des dispositifs TEC, ce cœur intègre également des dissipateurs de chaleur/froid, des thermistances/RTD et des faisceaux de câbles.
L’un des produits technologiques de refroidissement à l’état solide les plus connus de Coherent comprend les systèmes de refroidissement air‑air Climatherm (CTA). Basée sur la technologie de refroidissement TEC à l’état solide de l’entreprise, la solution protège les électroniques des clients contre des conditions extrêmes avec jusqu’à 250 W de puissance de refroidissement dans un boîtier léger et compact.
Les refroidisseurs du produit présentent un design compact, léger et conforme à la directive RoHS de l’UE, offrant un transfert de chaleur hautement efficace. Les applications typiques comprennent le refroidissement d’enceintes électroniques, le stockage d’aliments et de boissons, le refroidissement de coffrets de batteries et les instruments de laboratoire.
COHR Graphique du prix
Selon les derniers états financiers disponibles, l’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires annuel de 5,16 milliards de dollars US pour l’exercice se terminant le 30 juin 2023. Il s’agit d’une augmentation significative par rapport au record de l’année précédente de 3,317 milliards de dollars US pour l’exercice se terminant le 30 juin 2022.
L’Avenir du Refroidissement à l’État Solide
Pour le dire modestement, l’avenir du refroidissement à l’état solide s’annonce indubitablement prometteur. Les communautés scientifiques et technologiques commerciales du monde entier ont reconnu son potentiel comme une solution capable de relever de front les défis du réchauffement climatique et du changement climatique.
En plus des acteurs expérimentés et établis, des entreprises innovantes comme Phononic ont émergé. Leur innovation en matière de refroidissement, de réfrigération et de CVC à l’état solide utilise uniquement de l’eau mélangée à du CO₂ naturellement disponible, avec un GWP de seulement 1, offrant la note GWP la plus basse du secteur. Ici, GWP signifie Potentiel de Réchauffement Global.
Phononic estime que sa conception à l’état solide a le potentiel de représenter une nouvelle façon passionnante de réduire les émissions de gaz à effet de serre, de soutenir les objectifs climatiques de l’ONU et de répondre aux exigences de performance du marché.
Cependant, il existe certains défis que le refroidissement à l’état solide devra relever afin de répondre efficacement aux besoins thermiques de l’électronique à l’avenir. Il doit devenir abordable, car le coût des matériaux thermoélectriques pourrait être nettement plus élevé que celui des systèmes de refroidissement traditionnels. Les chercheurs devront travailler de manière plus agressive et rapide pour explorer des matériaux alternatifs et des procédés de fabrication plus économiques afin de résoudre ce problème.
L’augmentation de la production avec le refroidissement à l’état solide au cœur du processus devra également faire face à un défi d’efficacité, les matériaux thermoélectriques étant encore en retard par rapport aux systèmes de compression de vapeur traditionnels dans certaines applications. Les scientifiques devront mener des tests plus rigoureux pour découvrir des moyens d’améliorer l’efficacité des matériaux thermoélectriques.
Enfin, les systèmes de refroidissement à l’état solide devront améliorer leurs profils de gestion thermique afin de dissiper efficacement la chaleur générée du côté chaud du refroidisseur thermoélectrique. Cela est crucial pour maintenir les performances optimales du système.
À l’échelle mondiale, les chercheurs ont pris conscience des avantages du refroidissement à l’état solide. Ils explorent de nouveaux matériaux et des techniques d’amélioration des performances. Nous espérons bientôt voir une adoption plus large du refroidissement à l’état solide dans les cas d’utilisation industriels et commerciaux.
