Adjö, kylmedel! Nya insikter om fastkropps‑kylning kan omkullkasta hur vi hanterar termiska behov i elektronik

Kylmedel har varit en av de mest definierande egenskaperna i vår moderna teknologiska värld. Det är tack vare kylmedel som vi kan bevara mat, transportera den från en plats till en annan och göra förgängliga varor användbara för konsumtion under en längre period.

Marknaden för kylmedelsprodukter växer och kommer att fortsätta växa, enligt marknadsprognoser. Tillgängliga data visar att den totala värdet av kylmedelsprodukter världen över var 20,05 miljarder US‑dollar år 2022, och den kan stiga till 36,77 miljarder US‑dollar år 2030, mer än 1,8 gånger på åtta år. 

Dock indikerar inte tillväxten på kylmedelsmarknaden att branschen blir stillastående. Faktum är att ökande försäljning och marknadsexpansion inte utesluter innovation. Istället driver denna tillväxt ofta utvecklingen av nya teknologier och tillvägagångssätt. En nyligen forskningsinsats ledd av Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory har lett till en ny vetenskaplig förståelse som kan hjälpa till att uppnå fastkropps‑kylning. 

I de kommande segmenten kommer vi att fördjupa vår förståelse av detta fenomen. 

Det transformerande paradigmet för fastkropps‑kylning

Den primära prestationen av forskarteamet har varit att överbrygga kunskapsklyftan i vetenskapen om värme på atomär skala. På en mer funktionell nivå vilar forskningsframgången på en djupare förståelse av material och enheter.

Materialet i detta fall är en nickel‑kobolt‑mangan‑indium magnetisk formminneslegering som kan deformeras och sedan återgå till sin ursprungliga form genom att driva den genom en fasövergång antingen genom att höja temperaturen eller genom att applicera ett magnetfält.

Enheten, å andra sidan, består av en uppsättning neutron‑spridningsinstrument som kan undersöka ett material på atomär skala. 

Hur materialet framträdde som en optimal kandidat för fastkropps‑kylning

Experimentet visade att nickel‑kobolt‑mangan‑indium magnetisk formminneslegering kunde drivas genom en fasövergång genom att öka temperaturen eller applicera ett magnetfält.

När materialet utsattes för ett magnetfält genomgick det en strukturell och magnetisk fasövergång: det absorberade och släppte ut värme, i enklare termer. Denna effekt är kärnan i fenomenet fastkropps‑kylning. Med andra ord utnyttjar fastkropps‑kylning denna effekt för att tillhandahålla kylning. 

I detta kylningsmekanism uppnår materialet det som kallas det ferroiska glasiga tillståndet, vilket förbättrar dess förmåga att lagra och släppa ut värme.

När han förklarade vetenskapen bakom experimentet sade Michael Manley, seniorforskare i neutron‑ och röntgenspridningsgruppen vid ORNL, följande:

“Neutron‑spridning visar att kylkapaciteten hos den magnetiska formminneslegeringen tredubblas av den värme som finns i dessa lokala magnon‑fonon hybridlägen som bildas på grund av oordning i systemet. Detta fynd avslöjar en väg att skapa bättre material för fastkropps‑kylningsapplikationer för samhälleliga behov.” 

Klicka här för att lära dig hur strålningskylning kan hjälpa oss att bekämpa klimatförändringarna. 

De magnon‑fonon hybridlägena

Magnonerna och fononerna är alternativt kända som spinnvågor och vibrationer. De existerar som ett par i materialet i synkroniserade dansformer i små regioner fördelade över den oordnade atomarrangemanget. Det regionala beteendemönstret för magnon‑fonon hybridlägena har avgörande betydelse för ett materials termiska egenskaper. 

När han förklarade implikationerna av dessa hybridlägen och deras rörelser sade Manley vidare:

“Lång‑ och kortdistansinteraktioner manifesteras som lokala vibrationer och spinnvågor, vilket betyder att de fastnar i små regioner. Detta är viktigt eftersom dessa extra lokala vibrationsstater lagrar värme. Att förändra magnetfältet utlöser en annan fasövergång där denna värme släpps ut.”

Sammanfattningsvis öppnade experimentet en ny front inom forskningen om fastkropps‑kylning genom att visa att korrekt kontroll av funktionerna hos den magnetiska formminneslegeringen kan leda den till att bli en värmesvamp och förbereda den för effektiv fastkropps‑kylning utan behov av traditionella kylmedel eller mekaniska komponenter. 

Även om denna forskning definitivt är ett genombrott, måste man alltid komma ihåg att fastkropps‑kylning inte är ett nytt fenomen. Teoretiskt har fenomenet funnits sedan 1834, när den franske fysikern Jean Charles Athanase Peltier upptäckte Peltier‑effekten.

I det kommande segmentet kommer vi kort att titta på fenomenet Peltier‑effekten och termoelektriska kylare som utnyttjar Peltier‑effekten. 

Ursprunget till fastkropps‑kylning och termoelektriska kylare

Vetenskapligt definieras Peltier‑effekten som “fenomenet där en ledare, som hålls vid en konstant temperatur och med en elektrisk ström som flyter genom den, upplever generering av en termisk ström. Denna termiska ström hjälper till att föra bort den värme som produceras av den elektriska strömmen.”

Med andra ord uppstår Peltier‑effekten i en situation där den elektriska strömmen som flyter genom förbindelsen mellan två material avger eller absorberar värme per tidsenhet vid förbindelsen för att balansera skillnaden i de två materialens kemiska potential.

Peltier‑effekten hjälper till att skapa ett elektroniskt kylskåp känt som en Peltier‑kylare. Peltier‑enheterna är också kända som termoelektriska kylare som består av en matris av halvledarmaterial, sammansatta av bismuttellurid, kopplade i serie och placerade mellan två keramiska plattor.

Med likström som passerar genom en TEC rör sig elektroner i halvledarmaterialet från den varma sidan till den kalla sidan, och bär med sig värme, vilket får den ena sidan av enheten att svalna medan den andra sidan blir varm.

Anledningen till att den vetenskapliga gemenskapen fortfarande diskuterar fenomenet fastkropps‑kylning och är intresserad av att utforska det är för att det har många fördelar och praktiska tillämpningar. Vi kommer att titta på dessa fördelar och tillämpningar i de kommande segmenten. 

De många fördelarna och tillämpningarna av fastkropps‑kylning

Fastkropps‑kylning kan bli mer energieffektiv än konventionella kylsystem eftersom de kan omvandla en högre andel av den elektriska energin till kylkraft. 

De är också mer kompatibla för integration när det gäller förnybara energikällor, inklusive solpaneler. Förutom att ha ett lågt koldioxidavtryck bidrar fastkropps‑kylning inte till ozonnedbrytning och är därför mer miljövänlig än kylmedel eller andra vätske‑baserade kylteknologier.

Fastkropps‑kylning får också höga poäng när det gäller tillförlitlighet och hållbarhet. Eftersom de saknar rörliga delar eller cirkulerande vätskor, upplever de färre mekaniska fel och kräver mindre underhåll. Många konsumentapparater kan utnyttja teknologin för fastkropps‑kylning.

Vissa sådana apparatexempel inkluderar kylskåp, luftkonditioneringsapparater eller vinkylare. Det pågår en ökande diskussion om hur fastkropps‑kylning kan användas i el‑ och hybridfordon för att kyla batterier och andra komponenter. Det kan bidra till förbättrad prestanda och ökad räckvidd.

En fastkropps‑kylningsmekanism anses också lämplig som ett alternativt kupékylningssystem i moderna fordon. En vetenskaplig studie undersökte genomförbarheten av ett bilklimatssystem som skulle utnyttja fastkropps‑kylning. Resultaten visade att användning av små och flexibla TE‑kylningsenheter gav fler möjligheter för ett effektivt bilklimatssystem.

Studien undersökte också hastighets‑ och temperaturprofilerna för den lokala TE‑kylningen som byggdes för bättre mänskligt komfort genom att tillhandahålla jämn luftflöde i kupén. En uppskattad förbättring på nästan 9 % uppnåddes när denna anordning jämfördes med det konventionella kylsystemet avseende mänskligt komfort.  

Många fördelar och tillämpningar av fastkropps‑kylning har inspirerat företag att investera forskning och resurser i tekniker och metoder för fastkropps‑kylning.

I de följande segmenten kommer vi att diskutera några sådana företag och deras specifika lösningar.

#1. CUI Devices

CUI Devices är känt för sitt sortiment av Peltier‑enheter. Det erbjuder en portfölj av enkelskikts Peltier‑moduler, flerskikts Peltier‑moduler, och Peltier‑kylningsenheter.

CPM-2F 6,0 Amp Peltier‑kylningsenheten, till exempel, levereras med en förbättrad tätningsstruktur för vattenresistens och termisk stressabsorption. Den kan installeras enkelt och är idealisk för högdensitets‑, högkrafts‑industrillämpningar samt kylning.

Företaget har också två ytterligare varianter, CPM-2C och CPM-2H, som erbjuder optimala tjänster med respektive 7 och 8,5 Amp. 

Om vi ser på den övergripande produktprofilen för CUI Devices inom detta område, erbjuder de ett sortiment av enkelskikts och flerskikts Peltier‑moduler samt Peltier‑kylningsenheter, med storlekar från 3,4 till 70 mm och profiler så låga som 1,95 mm och strömklassificeringar från 0,7 till 20 A och temperaturdifferenser från 70 upp till 105 °C. Företaget skryter med sina produkters förbättrade tillförlitlighet, överlägsna prestanda och förlängda livslängd. 

CUI Devices, med huvudkontor i Tualatin, Oregon, USA, är en tillverkare av elektroniska komponenter som erbjuder interconnect, ljud, termisk hantering, rörelse‑ och sensorslösningar. I oktober 2023 lanserade CUI Devices termiska hanteringsgruppen en termisk designservice för att identifiera potentiella hotspots, optimera luftflödet och designa effektiva kylsystem anpassade efter kundens specifika behov.

#2. Coherent Corp

Coherent Corp (COHR ):s kylsystem erbjuder ett sortiment av industri‑ och telekomlösningar, inklusive en rad standard‑ och anpassade format, alla byggda kring en gemensam “Core” baserad på effektiva TEC‑enheter. Förutom TEC‑enheter integrerar denna kärna även värme‑/kylflänsar, termistorer/RTD:er och kabelhärdar. 

En av Coherents mest välkända produkter inom fastkropps‑kylningsteknologi inkluderar Climatherm (CTA) luft‑till‑luft kylsystem. Baserat på företagets fastkropps‑TEC‑kylningsteknologi skyddar lösningen kundernas elektronik från extrema förhållanden med upp till 250 W kylkraft i ett lättviktigt, kompakt paket. 

Produktens kylare har en RoHS EU‑kompatibel, kompakt och lätt design och levererar mycket effektiv värmeöverföring. Typiska tillämpningar inkluderar kylning av elektroniska höljen, livsmedels‑ och  dryckeslagring, kylning av batteriskåp och laboratorieinstrument.

Enligt de senaste tillgängliga finansiella rapporterna registrerade företaget en årlig omsättning på 5,16 miljarder US‑dollar för året som avslutades den 30 juni 2023. Det var en betydande ökning från föregående års rekord på 3,317 miljarder US‑dollar för året som avslutades den 30 juni 2022. 

Framtiden för fastkropps‑kylning

För att uttrycka det milt är framtiden för fastkropps‑kylning utan tvekan lovande. De vetenskapliga och kommersiella teknikgemenskaperna världen över har insett dess potential som något som kan ta itu med utmaningarna kring global uppvärmning och klimatförändringar. 

Förutom de erfarna och etablerade namnen har innovativa företag som Phononic dykt upp. Deras fastkropps‑kylning, kylning och HVAC‑innovation använder endast vatten blandat med naturligt förekommande CO₂, med en GWP på bara 1, vilket ger den lägsta GWP‑klassificeringen i branschen. Här står GWP för Global Warming Potential.

Phononic tror att deras fastkropps‑design har potential att representera ett spännande nytt sätt att minska växthusgasutsläpp, stödja FN:s klimatmål och möta marknadens krävande prestandabehov.

Det finns dock vissa utmaningar som fastkropps‑kylning måste ta itu med för att effektivt möta termiska behov i elektronik i framtiden. Den måste bli prisvärd, eftersom kostnaden för termoelektriska material kan vara avsevärt  högre jämfört med traditionella kylsystem. Forskare måste arbeta mer aggressivt och snabbt med att utforska alternativa material och mer kostnadseffektiva tillverkningsprocesser för att lösa denna utmaning.

Att skala upp produktionen med fastkropps‑kylning i kärnan kommer också att möta en effektivitetutmaning eftersom termoelektriska material fortfarande ligger efter traditionella kompressionssystem i vissa tillämpningar. Forskare måste genomföra mer intensiv testning för att hitta sätt att förbättra effektiviteten hos termoelektriska material. 

Slutligen måste fastkropps‑kylsystem förbättra sina termiska hanteringsprofiler så att de effektivt kan avleda den värme som genereras på den varma sidan av den termoelektriska kylaren. Detta är avgörande för att upprätthålla systemets optimala prestanda. 

Globalt har forskare insett fördelarna med fastkropps‑kylning. De undersöker nya material och tekniker för att förbättra prestanda. Förhoppningsvis kommer vi snart se en större adoption av fastkropps‑kylning i industriella och kommersiella användningsfall.

Klicka här för att lära dig hur vi kan förbättra HVAC‑lösningar med elektrokaloriska material.