Addio, Refrigeranti! Nuove Scoperte sul Raffreddamento a Stato Solido Potrebbero Rivoluzionare il Nostro Approccio alle Esigenze Termiche nell’Elettronica

I refrigeranti sono stati una delle caratteristiche più distintive del nostro mondo tecnologico moderno. È grazie ai refrigeranti che possiamo conservare il cibo, trasportarlo da un luogo all’altro e rendere gli articoli deperibili utili per il consumo per un periodo più lungo.

Il mercato dei prodotti refrigeranti è in crescita e continuerà a crescere, secondo le stime di mercato. I dati disponibili indicano che il valore totale dei prodotti refrigeranti a livello mondiale era di 20,05 miliardi di dollari USA nel 2022, e potrebbe salire a 36,77 miliardi di dollari USA entro il 2030, più di 1,8 volte in otto anni. 

Tuttavia, la crescita del mercato dei refrigeranti non suggerisce che l’industria stia diventando stagnante. In realtà, l’aumento delle vendite e l’espansione del mercato non escludono l’innovazione. Al contrario, questa crescita spesso spinge lo sviluppo di nuove tecnologie e approcci. Un recente sforzo di ricerca guidato dal Dipartimento dell’Energia presso l’Oak Ridge National Laboratory ha portato a una nuova comprensione scientifica che potrebbe aiutare a realizzare il raffreddamento a stato solido. 

Nei prossimi segmenti, approfondiremo la comprensione di questo fenomeno. 

Il Paradigma Trasformativo del Raffreddamento a Stato Solido

Il risultato principale del team di ricercatori è stato colmare il divario di conoscenza nella scienza del moto termico su scala atomica. A un livello più funzionale, il successo della ricerca si basa su una comprensione più profonda dei materiali e dei dispositivi.

Il materiale, in questo caso, è una lega a memoria di forma magnetica di nichel‑cobalto‑manganese‑indio che può essere deformata e poi riportata alla sua forma originale inducendo una transizione di fase sia aumentando la temperatura sia applicando un campo magnetico.

Il dispositivo, d’altra parte, comprende una serie di strumenti di diffusione di neutroni che possono esaminare un materiale a livello atomico. 

Come il Materiale è Emerso come Candidato Ottimale per il Raffreddamento a Stato Solido

L’esperimento ha mostrato che la lega a memoria di forma magnetica di nichel‑cobalto‑manganese‑indio può essere spinta attraverso una transizione di fase aumentando la temperatura o applicando un campo magnetico.

Quando sottoposto a un campo magnetico, il materiale ha subito una transizione di fase strutturale e magnetica: ha assorbito e rilasciato calore, in termini più semplici. Questo effetto è al centro del fenomeno del raffreddamento a stato solido. In altre parole, il raffreddamento a stato solido sfrutta questo effetto per fornire refrigerazione. 

In questo meccanismo di raffreddamento, il materiale raggiunge quello che è noto come stato vetroso ferroico, che migliora la sua capacità di immagazzinare e rilasciare calore.

Mentre spiegava la scienza dietro l’esperimento, Michael Manley, ricercatore senior del gruppo di diffusione di neutroni e raggi X presso ORNL, ha dichiarato quanto segue:

“La diffusione di neutroni mostra che la capacità di raffreddamento della lega a memoria di forma magnetica è triplicata dal calore contenuto in queste modalità ibride locale magnon‑fonone che si formano a causa del disordine nel sistema. Questa scoperta rivela una via per creare materiali migliori per le applicazioni di raffreddamento a stato solido per le esigenze della società.” 

Clicca qui per scoprire come il raffreddamento radiativo può aiutarci a combattere il cambiamento climatico. 

Le Modalità Ibride Magnone‑Fonone

I magnon e i fonon sono alternativamente noti come onde di spin e vibrazioni. Esistono come coppia nel materiale in forme di danza sincronizzate in piccole regioni distribuite nell’arrangiamento disordinato degli atomi. Il modello comportamentale regionale delle modalità ibride magnon‑fonone ha implicazioni cruciali per le proprietà termiche di un materiale. 

Spiegando le implicazioni di queste modalità ibride e dei loro movimenti, Manley ha aggiunto:

“Le interazioni a lungo e breve raggio si manifestano come vibrazioni localizzate e onde di spin, il che significa che vengono intrappolate in piccole regioni. Questo è importante perché questi stati vibrazionali localizzati aggiuntivi immagazzinano calore. Cambiare il campo magnetico innesca un’altra transizione di fase in cui questo calore viene rilasciato.”

In sintesi, l’esperimento ha aperto una nuova frontiera nella ricerca sul raffreddamento a stato solido dimostrando che il corretto controllo delle funzioni della lega a memoria di forma magnetica può farla diventare una spugna di calore e prepararla per un raffreddamento a stato solido efficiente senza la necessità di refrigeranti tradizionali o componenti meccanici. 

Sebbene questa ricerca sia sicuramente una svolta, bisogna sempre ricordare che il raffreddamento a stato solido non è un fenomeno recente. Teoricamente, il fenomeno esiste dal 1834, quando il fisico francese Jean Charles Athanase Peltier scoprì l’effetto Peltier.

Nel segmento successivo, daremo un’occhiata rapida al fenomeno dell’Effetto Peltier e ai Refrigeratori Termoelettrici che sfruttano l’effetto Peltier. 

Le Origini del Raffreddamento a Stato Solido e dei Refrigeratori Termoelettrici

Scientificamente, l’effetto Peltier è definito come il “fenomeno in cui un conduttore, mantenuto a temperatura costante e con una corrente elettrica che lo attraversa, genera una corrente termica. Questa corrente termica aiuta a trasportare via il calore prodotto dalla corrente elettrica.”

In altre parole, l’effetto Peltier nasce da una situazione in cui la corrente elettrica che scorre attraverso la giunzione che collega due materiali emette o assorbe calore per unità di tempo nella giunzione per bilanciare la differenza di potenziale chimico dei due materiali. T

L’effetto Peltier aiuta a formulare un frigorifero elettronico noto come refrigeratore Peltier. I dispositivi Peltier sono anche noti come refrigeratori termoelettrici che consistono in una matrice di materiali semiconduttori, composti da tellururo di bismuto, collegati in serie e inseriti tra due piastre ceramiche. 

Con corrente continua passata attraverso un TEC, gli elettroni nel materiale semiconduttore si spostano dal lato caldo a quello freddo, trasportando calore con sé e facendo raffreddare un lato del dispositivo mentre l’altro si riscalda.

Il motivo per cui la comunità scientifica sta ancora dibattendo sul fenomeno del raffreddamento a stato solido e lo sta esplorando è perché presenta molti vantaggi e applicazioni nella vita reale. Esamineremo questi vantaggi e le applicazioni nei segmenti a venire. 

I Numerosi Benefici e le Applicazioni del Raffreddamento a Stato Solido

Il raffreddamento a stato solido potrebbe diventare più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai sistemi di refrigerazione convenzionali poiché è in grado di convertire una percentuale più alta di energia elettrica in potenza di raffreddamento. 

È anche più compatibile con l’integrazione quando si tratta di fonti di energia rinnovabile, inclusi i pannelli solari. Oltre a possedere una bassa impronta di carbonio, il raffreddamento a stato solido non contribuisce al degrado dell’ozono e, pertanto, è più ecologico rispetto ai refrigeranti o ad altre tecnologie di raffreddamento basate su fluidi.

Il raffreddamento a stato solido ottiene anche punteggi alti negli aspetti di affidabilità e durata. Poiché non contiene parti mobili o fluidi circolanti, sperimenta meno guasti meccanici e richiede meno manutenzione. Molti elettrodomestici per i consumatori possono sfruttare la tecnologia del raffreddamento a stato solido. 

Alcuni esempi di apparecchiature includono frigoriferi, condizionatori d’aria, o refrigeratori per vino. Si sta valutando sempre più l’uso del raffreddamento a stato solido in veicoli elettrici e ibridi per raffreddare batterie e altri componenti. Potrebbe contribuire a migliorare le prestazioni e ad aumentare l’autonomia. 

Un meccanismo di raffreddamento a stato solido è anche considerato adatto come sistema alternativo di raffreddamento dell’abitacolo nei veicoli moderni. Uno studio scientifico ha esaminato la fattibilità di un sistema di climatizzazione automobilistica che utilizzi il raffreddamento a stato solido. I risultati hanno mostrato che l’applicazione di piccoli e flessibili dispositivi di raffreddamento TE offriva maggiori possibilità per un sistema di climatizzazione automobilistica efficiente. 

Lo studio ha anche investigato i profili di velocità e temperatura del raffreddamento TE localizzato costruito per migliorare il comfort umano fornendo un flusso d’aria uniforme nell’abitacolo. Un miglioramento stimato di quasi il 9% è stato ottenuto quando questa configurazione è stata confrontata con il sistema di refrigerazione convenzionale riguardo al comfort umano.  

Molti vantaggi e applicazioni del raffreddamento a stato solido hanno ispirato le aziende a investire in ricerca e risorse nelle tecniche e nei metodi di raffreddamento a stato solido.

Nei segmenti successivi, discuteremo alcune di queste aziende e le loro soluzioni specifiche.

#1. CUI Devices

CUI Devices è nota per la sua gamma di dispositivi Peltier. Offre un portafoglio di moduli Peltier a singola fase, moduli Peltier multi‑fase e unità di raffreddamento Peltier.

L’unità di raffreddamento Peltier CPM-2F da 6,0 A, per esempio, è dotata di una struttura di tenuta migliorata per la resistenza all’acqua e l’assorbimento di stress termico. Può essere installata facilmente e si adatta perfettamente alle esigenze di applicazioni industriali ad alta densità e alta potenza e di refrigerazione.

L’azienda ha anche due varianti aggiuntive, CPM-2C e CPM-2H, che offrono servizi ottimali a scala di 7 e 8,5 A, rispettivamente. 

Se osserviamo il profilo complessivo dei prodotti di CUI Devices in questo settore, include una gamma di moduli Peltier a singola e multi‑fase nonché unità di raffreddamento Peltier, con dimensioni da 3,4 a 70 mm e profili bassi fino a 1,95 mm e correnti da 0,7 a 20 A e differenziali di temperatura da 70 fino a 105 °C. L’azienda vanta una maggiore affidabilità dei prodotti, prestazioni superiori e una vita di ciclo migliorata. 

CUI Devices, con sede a Tualatin, Oregon, Stati Uniti, è un produttore di componenti elettronici che offre soluzioni di interconnessione, audio, gestione termica, movimento e sensori. Nell’ottobre 2023, il gruppo di gestione termica di CUI Devices ha lanciato un servizio di progettazione termica per identificare potenziali punti caldi, ottimizzare il flusso d’aria e progettare sistemi di raffreddamento efficaci su misura per le esigenze specifiche del cliente.

#2. Coherent Corp

I sistemi di raffreddamento di Coherent Corp (COHR ) offrono una gamma di soluzioni industriali e telecom, inclusi formati standard e personalizzati, tutti costruiti attorno a un “Core” comune basato su dispositivi TEC efficienti. Oltre ai dispositivi TEC, questo core integra dissipatori di calore/freddo, termistori/RTD e cablaggi. 

Uno dei prodotti più noti di Coherent nella tecnologia di raffreddamento a stato solido è Climatherm (CTA) sistemi di raffreddamento aria‑aria. Basato sulla tecnologia di raffreddamento TEC a stato solido dell’azienda, la soluzione protegge l’elettronica del cliente da condizioni estreme con fino a 250 W di potenza di raffreddamento in un involucro leggero e compatto. 

I refrigeratori del prodotto presentano un design compatto, leggero e conforme alla normativa RoHS UE e offrono un trasferimento di calore altamente efficiente. Le applicazioni tipiche includono il raffreddamento di involucri elettronici, la conservazione di alimenti e  bevande, il raffreddamento di armadi per batterie e strumenti di laboratorio.

Secondo i ultimi record finanziari disponibili, l’azienda ha registrato un fatturato annuo di 5,16 miliardi di dollari USA per l’anno conclusosi il 30 giugno 2023. Si tratta di un aumento significativo rispetto al record dell’anno precedente di 3,317 miliardi di dollari USA per l’anno conclusosi il 30 giugno 2022. 

Il Futuro del Raffreddamento a Stato Solido

Per dirla con moderazione, il futuro del raffreddamento a stato solido appare indubbiamente promettente. Le comunità scientifiche e commerciali di tecnologia di tutto il mondo hanno riconosciuto il suo potenziale come qualcosa che potrebbe affrontare direttamente le sfide del riscaldamento globale e del cambiamento climatico. 

Oltre ai nomi esperti e consolidati, sono emerse aziende innovative come Phononic. La loro innovazione nel raffreddamento, refrigerazione e HVAC a stato solido utilizza solo acqua mescolata con CO₂ naturalmente disponibile, con un GWP di appena 1, offrendo la valutazione GWP più bassa del settore. Qui, GWP sta per Potenziale di Riscaldamento Globale.

Phononic crede che il suo design a stato solido abbia il potenziale di rappresentare un nuovo entusiasmante modo di ridurre le emissioni di gas serra, supportare gli obiettivi climatici delle Nazioni Unite e soddisfare le elevate esigenze di prestazioni del mercato.

Tuttavia, esistono alcune sfide che il Raffreddamento a Stato Solido dovrà affrontare per soddisfare in modo efficiente le esigenze termiche dell’elettronica in futuro. Deve diventare più accessibile, poiché il costo dei materiali termoelettrici potrebbe essere notevolmente più alto rispetto ai sistemi di raffreddamento tradizionali. I ricercatori dovranno lavorare in modo più aggressivo e rapido nell’esplorare materiali alternativi e processi di produzione più economici per risolvere questa sfida.

Aumentare la produzione con il raffreddamento a stato solido al centro affronterà anche una sfida di efficienza, poiché i materiali termoelettrici sono ancora indietro rispetto ai tradizionali sistemi a compressione di vapore in alcune applicazioni. Gli scienziati dovranno condurre test più vigorosi per scoprire modi di migliorare l’efficienza dei materiali termoelettrici. 

Infine, i sistemi di raffreddamento a stato solido dovranno migliorare i loro profili di gestione termica in modo da dissipare efficacemente il calore generato sul lato caldo del refrigeratore termoelettrico. Questo è cruciale per mantenere le prestazioni ottimali del sistema. 

A livello globale, i ricercatori hanno riconosciuto i benefici del raffreddamento a stato solido. Stanno investigando nuovi materiali e tecniche per migliorare le prestazioni. Speriamo di vedere presto una maggiore adozione del raffreddamento a stato solido in casi d’uso industriali e commerciali.

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