Vaarwel, koelmiddelen! Nieuwe inzichten in solid-state koeling kunnen onze benadering van thermische behoeften in elektronica veranderen

Koelmiddelen zijn een van de meest bepalende kenmerken van onze moderne technologische wereld. Dankzij koelmiddelen kunnen we voedsel bewaren, het van de ene naar de andere plaats transporteren en bederfelijke producten langer bruikbaar maken voor consumptie.

De markt voor koelmiddelen groeit en zal blijven groeien, volgens marktinschattingen. Beschikbare gegevens tonen aan dat de totale waarde van koelmiddelen wereldwijd in 2022 20,05 miljard Amerikaanse dollars bedroeg, en dat deze tegen 2030 kan stijgen tot 36,77 miljard Amerikaanse dollars, meer dan 1,8 keer in acht jaar.

Echter, de groei van de koelmiddelmmarkt suggereert niet dat de industrie stagneert. Integendeel, toenemende verkopen en marktuitbreiding sluiten innovatie niet uit. Deze groei drijft vaak de ontwikkeling van nieuwe technologieën en benaderingen. Een recent onderzoek onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft geleid tot een nieuw wetenschappelijk inzicht dat solid-state koeling kan realiseren. 

In de volgende segmenten duiken we dieper in dit fenomeen. 

Het transformerende paradigma van solid-state koeling

De belangrijkste prestatie van het onderzoeksteam is het overbruggen van de kenniskloof in de wetenschap van warmtebeweging op atomaire schaal. Op een meer functioneel niveau berust het succes van het onderzoek op een dieper begrip van materialen en apparaten.

Het materiaal in dit geval is een nikkel-kobalt-mangaan-indium magnetisch vormgeheugenlegering die vervormd kan worden en vervolgens terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm door een faseovergang te forceren, hetzij door temperatuur te verhogen, hetzij door een magnetisch veld toe te passen.

Het apparaat bestaat daarentegen uit een reeks neutronenscattering‑instrumenten die een materiaal op atomair niveau kunnen onderzoeken. 

Hoe het materiaal zich ontwikkelde tot een optimale kandidaat voor solid-state koeling

Het experiment toonde aan dat nickel-cobalt-manganese-indium magnetic shape-memory alloy door temperatuurverhoging of het toepassen van een magnetisch veld door een faseovergang kan worden gedreven.

Wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan een magnetisch veld, ondergaat het een structurele en magnetische faseovergang: het absorbeert en geeft warmte af, in eenvoudige bewoordingen. Dit effect vormt de kern van solid-state koeling. Met andere woorden, solid-state koeling maakt gebruik van dit effect om koeling te bieden. 

In dit koelingsmechanisme bereikt het materiaal de zogenaamde ferroïsche glasachtige toestand, die zijn vermogen om warmte op te slaan en af te geven verbetert.

Terwijl hij de wetenschap achter het experiment toelichtte, zei Michael Manley, senior onderzoeker in de neutron‑ en röntgendiffractie‑groep bij ORNL, het volgende:

“Neutronenscattering toont aan dat de koelcapaciteit van de magnetische vormgeheugenlegering verdrievoudigd wordt door de warmte die aanwezig is in deze lokale magnon‑fonon hybride modi die ontstaan door de wanorde in het systeem. Deze bevinding onthult een weg om betere materialen te maken voor solid‑state koeltoepassingen voor maatschappelijke behoeften.” 

Klik hier om te leren hoe stralingskoeling ons kan helpen de klimaatverandering te bestrijden. 

De magnon‑fonon hybride modi

De magnons en fonons staan ook bekend als spingolven en trillingen. Ze bestaan als een paar in het materiaal in gesynchroniseerde dansvormen in kleine regio’s die verspreid zijn over de wanordelijke atomaire opstelling. Het regionale gedragspatroon van de magnon‑fonon hybride modi heeft cruciale implicaties voor de thermische eigenschappen van een materiaal. 

Bij het uitleggen van de implicaties van deze hybride modi en hun bewegingen, voegde Manley toe:

“Lange‑ en korte‑afstand interacties manifesteren zich als gelokaliseerde trillingen en spingolven, wat betekent dat ze gevangen raken in kleine regio’s. Dit is belangrijk omdat deze extra gelokaliseerde vibratiestaten warmte opslaan. Het veranderen van het magnetisch veld triggert een andere faseovergang waarin deze warmte wordt vrijgegeven.”

Al met al opende het experiment een nieuw frontier in solid‑state koelonderzoek door aan te tonen dat de juiste controle van de functies van de magnetische vormgeheugenlegering het kan laten fungeren als een warmte‑spons en het kan voorbereiden op efficiënte solid‑state koeling zonder de noodzaak van traditionele koelmiddelen of mechanische componenten. 

Hoewel dit onderzoek ongetwijfeld een doorbraak is, moet men altijd onthouden dat solid‑state koeling geen recent fenomeen is. Theoretisch bestaat het fenomeen sinds 1834, toen de Franse natuurkundige Jean Charles Athanase Peltier het Peltier‑effect ontdekte.

In het komende segment kijken we kort naar het fenomeen van het Peltier‑effect en thermoelectrische koelkasten die het Peltier‑effect benutten.

Het ontstaan van solid-state koeling en thermoelectrische koelkasten

Wetenschappelijk wordt het Peltier‑effect gedefinieerd als het “fenomeen waarbij een geleider, die op een constante temperatuur wordt gehouden en waar een elektrische stroom doorheen loopt, de generatie van een thermische stroom ondervindt. Deze thermische stroom helpt de door de elektrische stroom geproduceerde warmte af te voeren.”

Met andere woorden, het Peltier‑effect ontstaat uit een situatie waarin de elektrische stroom die door de junctie tussen twee materialen stroomt, warmte uitstraalt of absorbeert per tijdseenheid op de junctie om het verschil in chemisch potentieel van de twee materialen te balanceren. T

Het Peltier‑effect helpt bij het formuleren van een elektronische koelkast die bekend staat als een Peltier‑koeler. De Peltier‑apparaten staan ook bekend als thermoelectrische koelkasten die bestaan uit een reeks halfgeleidermaterialen, samengesteld uit bismut‑telluride, in serie geschakeld en tussen twee keramische platen geplaatst.

Met gelijkstroom die door een TEC wordt geleid, bewegen elektronen in het halfgeleidermateriaal van de warme naar de koude kant, waarbij ze warmte meenemen en ervoor zorgen dat de ene kant van het apparaat afkoelt terwijl de andere kant opwarmt.

De reden waarom de wetenschappelijke gemeenschap nog steeds over het fenomeen solid‑state koeling debatteert en er interesse in heeft, is omdat het veel voordelen en praktische toepassingen heeft. We zullen deze voordelen en toepassingen in de komende segmenten bekijken. 

De vele voordelen en toepassingen van solid-state koeling

Solid‑state koeling zou energie‑efficiënter kunnen zijn dan conventionele koelsystemen, aangezien ze een hoger percentage van elektrische energie kunnen omzetten in koelvermogen. 

Ze zijn ook beter te integreren met hernieuwbare energiebronnen, waaronder zonnepanelen. Naast een lage CO₂‑voetafdruk draagt solid‑state koeling niet bij aan ozonafbraak en is het daardoor milieuvriendelijker dan koelmiddelen of andere vloeistof‑gebaseerde koelingstechnologieën.

Solid‑state koeling scoort ook hoog op het gebied van betrouwbaarheid en duurzaamheid. Omdat ze geen bewegende delen of circulerende vloeistoffen bevatten, ondervinden ze minder mechanische storingen en vereisen ze minder onderhoud. Veel consumentenapparaten kunnen profiteren van solid‑state koelingstechnologie. 

Enkele voorbeelden van dergelijke apparaten zijn koelkasten, airconditioners of wijnkoelkasten. Er wordt steeds meer nagedacht over het gebruik van solid‑state koeling in elektrische en hybride voertuigen om batterijen en andere componenten te koelen. Dit kan bijdragen aan betere prestaties en een groter bereik. 

Een solid‑state koelingsmechanisme wordt ook beschouwd als een geschikt alternatief voor cabinekoeling in moderne voertuigen. Een wetenschappelijke studie onderzocht de haalbaarheid van een automotive airconditioningsysteem dat gebruikmaakt van solid‑state koeling. De resultaten toonden aan dat het toepassen van kleine, flexibele TE‑koelapparaten meer mogelijkheden biedt voor een efficiënt automotive airconditioningsysteem. 

De studie onderzocht ook de snelheids‑ en temperatuursprofielen van de gelokaliseerde TE‑koeling die is ontworpen voor beter menselijk comfort door een gelijkmatige luchtstroom in de cabine te bieden. Een geschatte verbetering van bijna 9% werd behaald toen deze opstelling werd vergeleken met het conventionele koelsysteem met betrekking tot menselijk comfort.  

Veel voordelen en toepassingen van solid‑state koeling hebben bedrijven geïnspireerd om onderzoek en middelen te investeren in solid‑state koelingstechnieken en -methoden.

In de volgende segmenten bespreken we enkele van deze bedrijven en hun specifieke oplossingen.

#1. CUI Devices

CUI Devices staat bekend om zijn assortiment Peltier‑apparaten. Het biedt een portfolio van enkel‑staps Peltier‑modules, multi‑staps Peltier‑modules en Peltier‑koelunits.

De CPM-2F 6.0 Amp Peltier‑koelunit, bijvoorbeeld, wordt geleverd met een verbeterde afdichtingsstructuur voor waterbestendigheid en thermische stressabsorptie. Hij kan eenvoudig worden geïnstalleerd en is ideaal geschikt voor de behoeften van hoog‑dichte, hoog‑vermogen industriële toepassingen en koeling.

Het bedrijf heeft bovendien twee extra varianten, CPM-2C en CPM-2H, die respectievelijk optimale diensten bieden bij een schaal van 7 en 8,5 Amp.

Als we kijken naar het algehele productprofiel van CUI Devices in dit segment, biedt het een reeks enkel‑staps en multi‑staps Peltier‑modules evenals Peltier‑koelunits, variërend in grootte van 3,4 tot 70 mm met profielen zo laag als 1,95 mm en stroomsterktes van 0,7 tot 20 A en temperatuursverschillen van 70 tot 105 °C. Het bedrijf pronkt met de verbeterde betrouwbaarheid, superieure prestaties en verlengde cyclustijd van zijn producten. 

CUI Devices, gevestigd in Tualatin, Oregon, Verenigde Staten, is een fabrikant van elektronische componenten die interconnect‑, audio‑, thermisch‑beheer‑, bewegings‑ en sensoroplossingen biedt. In oktober 2023 lanceerde de thermisch‑beheer‑groep van CUI Devices een thermisch‑ontwerp‑service om potentiële hotspots te identificeren, luchtstroom te optimaliseren en effectieve koelsystemen te ontwerpen die zijn afgestemd op de specifieke behoeften van een klant.

#2. Coherent Corp

De koelsystemen van Coherent Corp (COHR ) bieden een reeks industriële en telecomoplossingen, inclusief standaard‑ en maatwerkformaten, allemaal gebouwd rond een gemeenschappelijke “Core” gebaseerd op efficiënte TEC‑apparaten. Naast TEC‑apparaten integreert deze core ook warmte‑/koude‑sinks, thermistors/RTD’s en bedrading.

Een van de bekendste solid‑state koelingstechnologie‑producten van Coherent is het Climatherm (CTA) lucht‑naar‑lucht koelsysteem. Gebaseerd op de solid‑state TEC‑koelingstechnologie van het bedrijf, beschermt de oplossing klant‑elektronica tegen extreme omstandigheden met tot 250 W koelvermogen in een lichtgewicht, compact pakket. 

De koelmachines van het product hebben een RoHS‑EU‑conforme, compacte, lichtgewicht constructie en leveren zeer efficiënte warmteoverdracht. Typische toepassingen omvatten koeling van elektronische behuizingen, voedsel‑ en drankopslag, batterij‑kast koeling en laboratoriuminstrumenten.

Volgens de laatst beschikbare financiële gegevens registreerde het bedrijf een jaarlijkse omzet van US$5,16 billion voor het jaar dat eindigde op 30 juni 2023. Dit was een aanzienlijke stijging ten opzichte van het vorige jaar, toen de omzet US$3,317 billion bedroeg voor het jaar dat eindigde op 30 juni 2022. 

De toekomst van solid-state koeling

Om het mild uit te drukken, ziet de toekomst van solid‑state koeling er ongetwijfeld veelbelovend uit. De wetenschappelijke en commerciële technologische gemeenschappen wereldwijd hebben het potentieel ervan ingezien als iets dat de uitdagingen van wereldwijde opwarming en klimaatverandering frontaal kan aangaan. 

Naast de ervaren en gevestigde namen zijn innovatieve bedrijven zoals Phononic opgekomen. Hun solid‑state koeling, koeling en HVAC‑innovatie gebruiken alleen water gemengd met natuurlijk beschikbaar CO₂, met een GWP van slechts 1, wat de laagste GWP‑classificatie in de industrie oplevert. Hier staat GWP voor Global Warming Potential.

Phononic gelooft dat hun solid‑state ontwerp een spannende nieuwe manier kan bieden om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, de VN‑klimaatdoelen te ondersteunen en te voldoen aan de veeleisende prestatiebehoeften van de markt.

Er zijn echter enkele uitdagingen die solid‑state koeling moet aanpakken om in de toekomst efficiënt te voldoen aan de thermische behoeften van elektronica. Het moet betaalbaar worden, aangezien de kosten van thermoelectrische materialen aanzienlijk hoger kunnen zijn dan die van traditionele koelsystemen.

Opschalen van de productie met solid‑state koeling als kern zal ook een efficiëntie‑uitdaging ondervinden, omdat thermoelectrische materialen in bepaalde toepassingen nog steeds achterblijven bij traditionele compressiesystemen. Wetenschappers zullen intensiever moeten testen om manieren te ontdekken de efficiëntie van thermoelectrische materialen te verbeteren. 

Ten slotte moeten solid‑state koelsystemen hun thermisch‑beheerprofielen verbeteren zodat ze de warmte die aan de warme kant van de thermoelectrische koeler wordt gegenereerd, efficiënt kunnen afvoeren. Dit is cruciaal voor het behouden van optimale systeemprestaties.

Wereldwijd hebben onderzoekers de voordelen van solid‑state koeling ingezien. Ze onderzoeken nieuwe materialen en technieken om de prestaties te verbeteren. Hopelijk zullen we binnenkort een grotere adoptie van solid‑state koeling zien in industriële en commerciële toepassingen.

Klik hier om te leren hoe we HVAC‑oplossingen kunnen verbeteren met elektrocalorische materialen.