Farvel, kjølemidler! Nye innsikter i faststoffkjøling kan endre hvordan vi håndterer termiske behov i elektronikk

Kjølemidler har vært en av de mest definerende egenskapene i vår moderne teknologiske verden. Det er takket være kjølemidler at vi kan bevare mat, transportere den fra ett sted til et annet, og gjøre lettbedervelige varer brukbare for konsum over en lengre periode.

Markedet for kjølemiddelprodukter vokser og vil fortsette å vokse, ifølge markedsestimater. Tilgjengelige data viser at den totale verdien av kjølemiddelprodukter på verdensbasis var 20,05 milliarder amerikanske dollar i 2022, og den kan øke til 36,77 milliarder amerikanske dollar innen 2030, mer enn 1,8 ganger på åtte år. 

Imidlertid indikerer ikke veksten i kjølemiddelmærket at industrien blir stillestående. Faktisk utelukker ikke økende salg og markedsutvidelse innovasjon. I stedet driver denne veksten ofte utviklingen av nye teknologier og tilnærminger. En nylig forskningsinnsats ledet av Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory har ført til en ny vitenskapelig forståelse som kan bidra til å oppnå faststoffkjøling. 

I de neste segmentene vil vi gå dypere inn i forståelsen av dette fenomenet. 

Den transformative paradigmen for faststoffkjøling

Den primære prestasjonen til forskerteamet har vært å bygge bro over kunnskapsgapet i vitenskapen om varmestrøm på atomskala. På et mer funksjonelt nivå hviler forskningssuksessen på en dypere forståelse av materialer og enheter.

Materialet, i dette tilfellet, er en nikkel-kobolt-mangan-indium magnetisk formminnelegering som kan deformeres og deretter returneres til sin opprinnelige form ved å drive den gjennom en faseovergang enten ved å øke temperaturen eller ved å påføre et magnetfelt.

Enheten, på den annen side, består av en rekke nøytronspredningsinstrumenter som kan undersøke et materiale på atomskala. 

Hvordan materialet fremsto som en optimal kandidat for faststoffkjøling

Eksperimentet viste at nickel-kobolt-mangan-indium magnetisk formminnelegering kunne drives gjennom en faseovergang ved å øke temperaturen eller påføre et magnetfelt.

Når materialet ble utsatt for et magnetfelt, gjennomgikk det en strukturell og magnetisk faseovergang: det absorberte og frigjorde varme, i enklere termer. Denne effekten er kjernen i fenomenet faststoffkjøling. Med andre ord utnytter faststoffkjøling denne effekten for å gi kjøling. 

I denne kjølingsmekanismen oppnår materialet det som kalles den ferroiske glassstilstanden, som forbedrer dets evne til å lagre og frigjøre varme.

Mens han utdypet vitenskapen bak eksperimentet, sa Michael Manley, seniorforsker i nøytron- og røntgenspredningsgruppen ved ORNL, følgende:

«Nøytronspredning viser at kjølekapasiteten til den magnetiske formminnelegeringen tredobles av varmen som er inneholdt i disse lokale magnon-fonon hybridmodusene som dannes på grunn av uorden i systemet. Denne funnet avdekker en vei til å lage bedre materialer for faststoffkjølingsapplikasjoner for samfunnsbehov.» 

Klikk her for å lære hvordan strålingskjøling kan hjelpe oss med å bekjempe klimaendringer. 

Magnon-fonon hybridmodusene

Magnonene og fononene er også kjent som spinnbølger og vibrasjoner. De eksisterer som et par i materialet i synkroniserte danseformer i små regioner fordelt over den uordnede atomarrangementet. Det regionale atferdsmønsteret til magnon-fonon hybridmodusene har avgjørende implikasjoner for materialets termiske egenskaper. 

Når han forklarte implikasjonene av disse hybridmodusene og deres bevegelser, sa Manley videre:

«Lang- og kortdistanseinteraksjoner manifesterer seg som lokaliserte vibrasjoner og spinnbølger, noe som betyr at de blir fanget i små regioner. Dette er viktig fordi disse ekstra lokaliserte vibrasjonsstilstandene lagrer varme. Endring av magnetfeltet utløser en ny faseovergang hvor denne varmen frigjøres.»

Alt i alt åpnet eksperimentet en ny front i forskningen på faststoffkjøling ved å vise at riktig kontroll av funksjonene til den magnetiske formminnelegeringen kan gjøre den til en varmesvamp og forberede den for effektiv faststoffkjøling uten behov for tradisjonelle kjølemidler eller mekaniske komponenter. 

Selv om denne forskningen definitivt er et gjennombrudd, må man alltid huske at faststoffkjøling ikke er et nylig fenomen. Teoretisk har fenomenet eksistert siden 1834, da den franske fysikeren Jean Charles Athanase Peltier oppdaget Peltier‑effekten.

I det kommende segmentet ser vi kort på fenomenet Peltier‑effekten og termoelektriske kjølere som utnytter Peltier‑effekten. 

Opprinnelsen til faststoffkjøling og termoelektriske kjølere

Vitenskapelig er Peltier‑effekten definert som “fenomenet der en leder, opprettholdt ved en konstant temperatur og med en elektrisk strøm som flyter gjennom den, opplever generering av en termisk strøm. Denne termiske strømmen hjelper med å fjerne varmen som produseres av den elektriske strømmen.”

Med andre ord oppstår Peltier‑effekten fra en situasjon hvor den elektriske strømmen som flyter gjennom skjøten som forbinder to materialer, avgir eller absorberer varme per tidsenhet ved skjøten for å balansere forskjellen i kjemisk potensial mellom de to materialene. T

Peltier‑effekten hjelper med å formulere et elektronisk kjøleskap kjent som en Peltier‑kjøler. Peltier‑enhetene er også kjent som termoelektriske kjølere som består av en rekke halvledermaterialer, sammensatt av bismuttellurid, koblet i serie og plassert mellom to keramiske plater. 

Med likestrøm som passerer gjennom en TEC, beveger elektroner i halvledermaterialet seg fra den varme siden til den kalde siden, og bærer med seg varme, og får den ene siden av enheten til å kjøles ned mens den andre siden varmes opp.

Grunnen til at det vitenskapelige fellesskapet fortsatt diskuterer fenomenet faststoffkjøling og er interessert i å utforske det, er fordi det har mange fordeler og praktiske anvendelser. Vi vil se på disse fordelene og anvendelsene i de kommende segmentene. 

De mange fordelene og anvendelsene av faststoffkjøling

Faststoffkjøling kan bli mer energieffektiv enn konvensjonelle kjølesystemer, da de er i stand til å konvertere en høyere prosentandel av elektrisk energi til kjølekapasitet. 

De er også mer kompatible for integrering når det gjelder fornybare energikilder, inkludert solcellepaneler. I tillegg til å ha et lavt karbonavtrykk, bidrar ikke faststoffkjøling til ozonnedbrytning og er derfor mer miljøvennlig enn kjølemiddel- eller andre væskebaserte kjøleteknologier.

Faststoffkjøling scorer også høyt på pålitelighet og holdbarhet. Siden de består av ingen bevegelige deler eller sirkulerende væsker, opplever de mindre mekanisk svikt og krever mindre vedlikehold. Mange forbrukerapparater kan dra nytte av teknologien for faststoffkjøling. 

Noen slike apparatforekomster inkluderer kjøleskap, klimaanlegg eller vinkjølere. Det er økende diskusjon om hvordan man kan bruke faststoffkjøling i elektriske og hybride kjøretøy for å kjøle batterier og andre komponenter. Det kan bidra til forbedret ytelse og økt rekkevidde. 

Et faststoffkjølingsmekanisme anses også som egnet som et alternativt kabinkjølingssystem i moderne kjøretøy. En vitenskapelig studie undersøkte muligheten for et bilklimasystem som ville bruke faststoffkjøling. Resultatene viste at bruk av små og fleksible TE‑kjøleenheter ga flere muligheter for et effektivt bilklimasystem. 

Studien undersøkte også hastighets- og temperaturprofiler for den lokaliserte TE‑kjølingen bygget for bedre menneskelig komfort ved å gi jevn luftstrøm i kabinen. En anslått forbedring på nesten 9% ble oppnådd da denne ordningen ble sammenlignet med det konvensjonelle kjølesystemet med hensyn til menneskelig komfort.  

Mange fordeler og anvendelser av faststoffkjøling har inspirert selskaper til å investere forskning og ressurser i faststoffkjølingsteknikker og metoder.

I de følgende segmentene vil vi diskutere noen slike selskaper og deres spesifikke løsninger.

#1. CUI Devices

CUI Devices er kjent for sitt sortiment av Peltier‑enheter. De tilbyr en portefølje av enkelttrinns Peltier‑moduler, flerstegs Peltier‑moduler og Peltier‑kjøleenheter.

CPM-2F 6,0 Amp Peltier‑kjøleenheten, for eksempel, leveres med en forbedret tetningsstruktur for vannmotstand og termisk stressabsorpsjon. Den kan installeres enkelt og passer ideelt til behovene for høy‑tetthets, høy‑effekt industrielle applikasjoner og kjøling.

Selskapet har også to flere varianter, CPM-2C og CPM-2H, som tilbyr optimale tjenester ved 7 og 8,5 Amp, henholdsvis. 

Hvis vi ser på den samlede produktprofilen til CUI Devices i dette området, har den et sortiment av enkelttrinns og flerstegs Peltier‑moduler samt Peltier‑kjøleenheter, med størrelser fra 3,4 til 70 mm og profiler så lave som 1,95 mm, samt strømklassifiseringer fra 0,7 til 20 A og temperaturdifferanser fra 70 opp til 105 °C. Selskapet skryter av forbedret pålitelighet, overlegen ytelse og forlengt syklusliv for sine produkter.

CUI Devices, hovedkontor i Tualatin, Oregon, USA, er en produsent av elektroniske komponenter som tilbyr interconnect, lyd, termisk styring, bevegelse og sensorsløsninger. I oktober 2023 lanserte termiske styringsgruppen i CUI Devices en termisk designservice for å identifisere potensielle hotspots, optimalisere luftstrøm, og designe effektive kjølesystemer skreddersydd til kundens spesifikke behov.

#2. Coherent Corp

Coherent Corp (COHR ) sine kjølesystemer tilbyr et sortiment av industrielle og telekomløsninger, inkludert en rekke standard- og tilpassede formater, alle bygget rundt en felles “Kjerne” basert på effektive TEC‑enheter. I tillegg til TEC‑enheter integrerer denne kjernen også varme‑/kaldesenkere, termistorer/RTD‑er og ledningsnett. 

Et av Coherents mest kjente produkter innen faststoffkjølingsteknologi inkluderer Climatherm (CTA) luft‑til‑luft kjølesystemer. Basert på selskapets faststoff TEC‑kjølingsteknologi, beskytter løsningen kundens elektronikk mot ekstreme forhold med opptil 250 W kjølekapasitet i en lett og kompakt pakke. 

Produktets kjølere har et RoHS EU‑kompatibelt, kompakt og lett design og leverer svært effektiv varmeoverføring. Typiske anvendelser inkluderer kjøling av elektroniske innkapslinger, mat- og  drikkevarelagring, batteriskapkjøling, og laboratorieinstrumenter.

Ifølge de siste tilgjengelige finansielle opplysningene, registrerte selskapet en årlig inntekt på 5,16 milliarder USD for året som endte 30. juni 2023. Dette var en betydelig økning fra forrige års rekord på 3,317 milliarder USD for året som endte 30. juni 2022. 

Fremtiden for faststoffkjøling

For å si det mildt, ser fremtiden for faststoffkjøling lovende ut uten tvil. De vitenskapelige og kommersielle teknologisamfunnene over hele verden har innsett potensialet som noe som kan ta tak i utfordringene knyttet til global oppvarming og klimaendringer. 

Bortsett fra de erfarne og etablerte navnene, har innovative selskaper som Phononic dukket opp. Deres faststoffkjøling, kjøling og HVAC‑innovasjon bruker kun vann blandet med naturlig tilgjengelig CO₂, med en GWP på kun 1, og leverer den laveste GWP‑vurderingen i bransjen. Her står GWP for Global Warming Potential.

Phononic mener at deres faststoffdesign har potensial til å representere en spennende ny måte å redusere klimagassutslipp på, støtte FNs klimamål, og møte markedets krevende ytelsesbehov.

Imidlertid er det noen utfordringer som faststoffkjøling må takle for å effektivt møte termiske behov i elektronikk i fremtiden. Den må bli rimelig, da kostnaden for termoelektriske materialer kan være merkbart høyere sammenlignet med tradisjonelle kjølesystemer. Forskerne må arbeide mer aggressivt og raskt med å utforske alternative materialer og mer kostnadseffektive produksjonsprosesser for å løse denne utfordringen.

Oppskalering av produksjon med faststoffkjøling i kjernen vil også møte en effektivitetutfordring, da termoelektriske materialer fortsatt henger etter tradisjonelle kompresjonssystemer i visse applikasjoner. Forskere må gjennomføre mer grundige tester for å finne måter å forbedre effektiviteten til termoelektriske materialer.

Til slutt må faststoffkjølingssystemer forbedre sine termiske styringsprofiler slik at de effektivt kan avlede varmen som genereres på den varme siden av den termoelektriske kjøleren. Dette er avgjørende for å opprettholde systemets optimale ytelse.

Globalt har forskere innsett fordelene med faststoffkjøling. De undersøker nye materialer og teknikker for å forbedre ytelsen. Forhåpentligvis vil vi snart se større adopsjon av faststoffkjøling i industrielle og kommersielle bruksområder.

Klikk her for å lære hvordan vi kan videreutvikle HVAC-løsninger med elektrokaloriske materialer.