Paalam, mga Refrigerant! Ang mga Bagong Kaalaman sa Solid-State Cooling Maaaring Baguhin ang Ating Paglapit sa Thermal na Pangangailangan sa Elektronika

Ang mga refrigerant ay isa sa mga pinaka-tukoy na katangian ng ating makabagong teknolohikal na mundo. Dahil sa mga refrigerant, maaari nating mapanatili ang pagkain, ilipat ito mula sa isang lugar patungo sa iba, at gawing kapaki-pakinabang ang mga madaling masira na mga bagay para sa konsumo sa mas mahabang panahon.

Ang merkado ng mga produktong refrigerant ay lumalago at magpapatuloy na lumago, ayon sa mga pagtatantiya ng merkado. Ayon sa magagamit na datos, ang kabuuang halaga ng mga produktong refrigerant sa buong mundo ay 20.05 bilyong dolyar ng US noong 2022, at maaaring tumaas ito sa 36.77 bilyong dolyar ng US pagsapit ng 2030, higit sa 1.8 beses sa loob ng walong taon.

Gayunpaman, ang paglago sa merkado ng refrigerant ay hindi nangangahulugang ang industriya ay nagiging stagnant. Sa katunayan, ang pagtaas ng benta at paglawak ng merkado ay hindi humahadlang sa inobasyon. Sa halip, ang paglago na ito ay madalas na nagtutulak ng pag-develop ng mga bagong teknolohiya at pamamaraan. Isang kamakailang pagsasaliksik na pinamunuan ng Oak Ridge National Laboratory ng Department of Energy ang nagbunga ng bagong pang-agham na pag-unawa na maaaring makatulong sa pagkamit ng solid-state cooling. 

Sa mga susunod na bahagi, lalalim pa tayo sa pag-unawa sa penomenong ito. 

Ang Transformative Paradigm ng Solid-State Cooling

Ang pangunahing tagumpay ng pangkat ng mga mananaliksik ay ang pag-bridging ng agwat sa kaalaman sa agham ng atomic-scale na paggalaw ng init. Sa mas praktikal na antas, ang tagumpay ng pananaliksik ay nakasalalay sa mas malalim na pag-unawa sa mga materyales at aparato.

Ang materyal, sa kasong ito, ay isang nickel-cobalt-manganese-indium magnetic shape-memory alloy na maaaring i-deform at pagkatapos ay maibalik sa orihinal nitong hugis sa pamamagitan ng pagdaan nito sa isang phase transition alinman sa pamamagitan ng pagtaas ng temperatura o pag-aaplay ng magnetic field.

Ang aparato, sa kabilang banda, ay binubuo ng isang hanay ng mga neutron-scattering instrument na maaaring suriin ang isang materyal sa atomic scale. 

Paano Naging Optimal na Kandidato ang Materyal para sa Solid-State Cooling

Ipinakita ng eksperimento na ang nickel-cobalt-manganese-indium magnetic shape-memory alloy ay maaaring itulak sa isang phase transition sa pamamagitan ng pagtaas ng temperatura o pag-aaplay ng magnetic field.

Kapag sumailalim sa magnetic field, ang materyal ay nagdaan sa isang structural at magnetic phase transition: ito ay sumipsip at naglabas ng init, sa mas simpleng salita. Ang epekto na ito ay sentro sa penomenon ng solid-state cooling. Sa ibang salita, ginagamit ng solid-state cooling ang epekto na ito upang magbigay ng paglamig. 

Sa mekanismong ito ng paglamig, nakakamit ng materyal ang tinatawag na ferroic glassy state, na nagpapahusay sa kakayahan nitong mag-imbak at maglabas ng init.

Habang nililinaw ang agham sa likod ng eksperimento, sinabi ni Michael Manley, senior researcher sa Neutron at X-ray scattering group sa ORNL, ang sumusunod:

“Ipinapakita ng neutron scattering na ang cooling capacity ng magnetic shape-memory alloy ay triple dahil sa init na nakapaloob sa mga lokal na magnon-phonon hybrid modes na nabubuo dahil sa disorder sa sistema. Ang natuklasang ito ay nagbubukas ng daan upang makagawa ng mas magagandang materyales para sa mga aplikasyon ng solid-state cooling para sa pangangailangan ng lipunan.” 

I-click dito upang malaman kung paano makakatulong ang radiative cooling sa paglaban sa pagbabago ng klima. 

Ang Magnon-Phonon Hybrid Modes

Ang mga magnons at phonons ay kilala rin bilang spin waves at vibrations. Sila ay umiiral bilang magkasama sa materyal sa synchronized na anyo ng sayaw sa maliliit na rehiyon na nakakalat sa di-ayos na pagkakaayos ng mga atom. Ang pattern ng pag-uugali ng magnon-phonon hybrid modes sa mga rehiyon ay may mahalagang implikasyon sa thermal properties ng isang materyal. 

Ipinaliwanag ang mga implikasyon ng mga hybrid mode na ito at ang kanilang galaw, dagdag pa ni Manley:

“Ang long- at short-range interactions ay nagmumukhang localized vibrations at spin waves, na nangangahulugang sila ay na-trap sa maliliit na rehiyon. Mahalaga ito dahil ang mga karagdagang localized vibrational states ay nag-iimbak ng init. Ang pagbabago ng magnetic field ay nagti-trigger ng isa pang phase transition kung saan ang init na ito ay nailalabas.”

Sa kabuuan, binuksan ng eksperimento ang isang bagong frontier sa pananaliksik ng solid-state cooling sa pamamagitan ng pagpapakita na ang tamang kontrol ng mga function ng magnetic-shape memory alloy ay maaaring magdala nito upang maging isang heat sponge at ihanda ito para sa epektibong solid-state cooling nang hindi kailangan ng tradisyunal na refrigerants o mekanikal na bahagi. 

Bagaman ang pananaliksik na ito ay tiyak na isang breakthrough, dapat laging tandaan na ang solid-state cooling ay hindi isang bagong penomenon. Sa teoretikal, ang penomenon ay umiiral na mula pa noong 1834, nang matuklasan ng French physicist na si Jean Charles Athanase Peltier ang Peltier effect.

Sa susunod na bahagi, titingnan natin nang maikli ang penomenon ng Peltier Effect at mga Thermoelectric Cooler na gumagamit ng Peltier effect. 

Ang Pinagmulan ng Solid State Cooling at Thermoelectric Coolers

Sa agham, ang Peltier effect ay tinukoy bilang “penomenon kung saan ang isang konduktor, na pinananatiling nasa constant na temperatura at may dumadaloy na electric current, ay nakakaranas ng pagbuo ng thermal current. Ang thermal current na ito ay tumutulong na alisin ang init na nalilikha ng electric current.”

Sa ibang salita, ang Peltier effect ay nagmumula sa sitwasyon kung saan ang electrical current na dumadaloy sa junction na nag-uugnay ng dalawang materyales ay naglalabas o sumisipsip ng init bawat yunit ng oras sa junction upang balansehin ang pagkakaiba sa chemical potential ng dalawang materyales. T

Ang Peltier effect ay tumutulong sa pagbuo ng isang electronic refrigerator na kilala bilang Peltier cooler. Ang mga Peltier device ay kilala rin bilang Thermoelectric coolers na binubuo ng isang array ng semiconductor materials, na gawa sa bismuth telluride, na konektado nang sunud-sunod at nakalagay sa pagitan ng dalawang ceramic plates. 

Sa pamamagitan ng direct current na dumadaloy sa isang TEC, ang mga electron sa semiconductor material ay lumilipat mula sa mainit na bahagi patungo sa malamig na bahagi, dala ang init kasama nila at nagdulot na ang isang bahagi ng aparato ay lumalamig habang ang kabilang bahagi ay umiinit.

Ang dahilan kung bakit patuloy na pinag-uusapan ng komunidad ng agham ang penomenon ng solid-state cooling at interesado itong tuklasin ay dahil ito ay may maraming benepisyo at mga aplikasyon sa totoong buhay. Titingnan natin ang mga benepisyo at aplikasyon na ito sa mga susunod na bahagi. 

Maraming Benepisyo at Aplikasyon ng Solid-State Cooling

Ang solid-state cooling ay maaaring maging mas energy efficient kaysa sa mga tradisyunal na refrigeration system dahil kaya nitong i-convert ang mas mataas na porsyento ng electrical energy tungo sa cooling power. 

Sila rin ay mas madaling i-integrate pagdating sa renewable energy sources, kabilang ang solar panels. Bukod sa pagkakaroon ng mababang carbon footprint, ang solid-state cooling ay hindi nag-aambag sa ozone depletion at samakatuwid ay mas environment-friendly kaysa sa refrigerant o iba pang fluid-based cooling technologies.

Ang solid-state cooling ay mataas din sa mga aspeto ng reliability at durability. Dahil wala itong mga gumagalaw na bahagi o circulating fluids, mas kaunti ang mekanikal na pagkasira at nangangailangan ng mas kaunting maintenance. Maraming consumer appliances ang maaaring makinabang sa teknolohiya ng solid-state cooling. 

Ilang halimbawa ng mga appliances na ito ay kinabibilangan ng mga refrigerator, air conditioner, o wine cooler. Patuloy na pinag-uusapan kung paano gagamitin ang solid-state cooling sa mga electric at hybrid na sasakyan upang palamigin ang mga baterya at iba pang komponent. Maaari itong mag-ambag sa pinahusay na performance at mas mahabang saklaw. 

Ang mekanismo ng solid-state cooling ay itinuturing ding angkop bilang alternatibong cabin cooling system sa mga modernong sasakyan. Isang siyentipikong pag-aaral ang sumuri sa posibilidad ng automotive air conditioning system sa mga sasakyan na gagamit ng solid-state cooling. Ipinakita ng mga resulta na ang paglalapat ng maliliit at flexible na TE cooling devices ay nagbigay ng mas maraming posibilidad para sa isang epektibong automotive air conditioning system. 

Sinuri rin ng pag-aaral ang bilis at temperature profiles ng localized TE cooling na ginawa para sa mas mahusay na kaginhawahan ng tao sa pamamagitan ng pagbibigay ng pantay na daloy ng hangin sa cabin. Isang tinatayang pagbuti na halos 9% ang nakuha nang ikumpara ang ayos na ito sa tradisyunal na refrigeration system kaugnay ng kaginhawahan ng tao.  

Maraming benepisyo at aplikasyon ng solid-state cooling ang nagbigay inspirasyon sa mga kumpanya na mag-invest ng pananaliksik at mga mapagkukunan sa mga teknik at pamamaraan ng solid-state cooling.

Sa mga susunod na bahagi, tatalakayin natin ang ilang kumpanyang ito at ang kanilang mga partikular na solusyon.

#1. CUI Devices

Ang CUI Devices ay kilala sa kanilang hanay ng mga Peltier device. Nag-aalok ito ng portfolio ng single-stage Peltier modules, multi-stage Peltier modules, at Peltier cooling units.

Ang CPM-2F 6.0 Amp Peltier cooling unit, halimbawa, ay may kasamang enhanced seal structure para sa water resistance at thermal stress absorption. Madali itong mai-install at angkop nang husto sa pangangailangan ng high-density, high-power industrial applications at refrigeration.

Ang kumpanya ay mayroon din dalawang karagdagang variant, CPM-2C at CPM-2H, na nag-aalok ng optimal na serbisyo sa scale na 7 at 8.5 Amp, ayon sa pagkakasunod.

Kung titingnan natin ang pangkalahatang product profile ng CUI Devices sa larangang ito, ito ay may hanay ng single-stage at multi-stage Peltier modules pati na rin ng Peltier cooling units, na may sukat mula 3.4 hanggang 70 mm na may profile na kasing baba ng 1.95 mm at current ratings mula 0.7 hanggang 20 A at temperature deltas mula 70 hanggang 105°C. Ipinagmamalaki ng kumpanya ang pinabuting reliability, superior performance, at pinahusay na cycle life ng kanilang mga produkto.

Ang CUI Devices, headquartered in Tualatin, Oregon, United States, ay isang tagagawa ng electronic components na nag-aalok ng interconnect, audio, thermal management, motion, at sensor solutions. Noong Oktubre 2023, inilunsad ng thermal management group ng CUI Devices ang isang thermal design service upang tukuyin ang mga potensyal na hotspot, i-optimize ang airflow, at magdisenyo ng epektibong cooling systems na iniayon sa partikular na pangangailangan ng customer.

#2. Coherent Corp

Ang mga cooling system ng Coherent Corp (COHR ) ay nag-aalok ng hanay ng mga industrial at telecom solutions, kabilang ang iba’t ibang standard at customized na format, na lahat ay nakabatay sa isang karaniwang “Core” na batay sa mga efficient na TEC device. Bukod sa mga TEC device, ang core na ito ay nag-iintegrate din ng heat/cold sinks, thermistors/RTDs, at wiring harnesses. 

Isa sa mga pinaka-kilalang solid-state cooling technology product ng Coherent ay ang Climatherm (CTA) air-to-air cooling systems. Batay sa solid-state TEC cooling technology ng kumpanya, ang solusyon ay nagpoprotekta sa electronics ng customer mula sa matinding kondisyon na may hanggang 250 W ng cooling power sa isang magaan at compact na pakete. 

Ang mga cooler ng produkto ay may RoHS EU-compliant, compact, at magaan na disenyo at naghahatid ng napaka-epektibong heat transfer. Karaniwang mga aplikasyon ay kinabibilangan ng electronic enclosure cooling, food at beverage storage, battery cabinet cooling, at laboratory instruments.

Ayon sa pinakabagong magagamit na financial records, ang kumpanya ay nagrehistro ng taunang kita na US$5.16 bilyon para sa taong nagtatapos noong Hunyo 30, 2023. Ito ay isang makabuluhang pagtaas mula sa rekord ng nakaraang taon na US$3.317 bilyon para sa taong nagtatapos noong Hunyo 30, 2022. 

Ang Hinaharap ng Solid-State Cooling

Upang sabihin nang mahinahon, ang hinaharap ng solid-state cooling ay mukhang promising nang walang duda. Ang mga komunidad ng siyentipiko at komersyal na teknolohiya sa buong mundo ay napagtanto ang potensyal nito bilang isang bagay na maaaring harapin nang direkta ang mga hamon ng global warming at climate change. 

Bukod sa mga karanasan at kilalang pangalan, lumitaw ang mga innovative na kumpanya tulad ng Phononic. Ang kanilang solid-state cooling, refrigeration, at HVAC innovation ay gumagamit lamang ng tubig na hinaluan ng natural na CO2, na may GWP na 1 lamang, na nagbibigay ng pinakamababang GWP rating sa industriya. Dito, ang GWP ay nangangahulugang Global Warming Potential.

Naniniwala ang Phononic na ang kanilang solid-state design ay may potensyal na magrepresenta ng isang kapanapanabik na bagong paraan ng pagbawas ng greenhouse gas emissions, pagsuporta sa mga layunin ng UN climate, at pagtugon sa mapanghamong pangangailangan ng merkado sa performance.

Gayunpaman, may ilang hamon na kailangang harapin ng Solid-State Cooling upang epektibong matugunan ang mga thermal na pangangailangan sa electronics sa hinaharap. Kailangan itong maging abot-kaya, dahil ang gastos ng thermoelectric materials ay maaaring kapansin-pansing mas mataas kumpara sa tradisyunal na cooling systems. Kailangan ng mga mananaliksik na magtrabaho nang mas agresibo at mabilis sa pag-explore ng mga alternatibong materyales at mas cost-effective na proseso ng paggawa upang malutas ang hamong ito.

Ang pag-scale up ng produksyon na may solid-state cooling sa core ay haharap din sa hamon ng kahusayan dahil ang thermoelectric materials ay patuloy na nahuhuli sa tradisyunal na vapor-compression systems sa ilang aplikasyon. Kailangan ng mga siyentipiko na magsagawa ng mas masigasig na testing upang matuklasan ang mga paraan upang mapabuti ang kahusayan ng thermoelectric materials. 

Sa huli, ang mga solid-state cooling system ay kailangang pagbutihin ang kanilang thermal management profiles upang epektibong ma-dissipate ang init na nabubuo sa mainit na bahagi ng thermoelectric cooler. Ito ay mahalaga para mapanatili ang optimal na performance ng sistema.

Sa buong mundo, napagtanto ng mga mananaliksik ang mga benepisyo ng solid-state cooling. Sila ay nagsusuri ng mga bagong materyales at mga teknik na nagpapabuti ng performance. Sana ay makita natin sa lalong madaling panahon ang mas malawak na pag-aampon ng solid-state cooling sa mga industriyal at komersyal na kaso ng paggamit.

id-state cooling sa mga industriyal at komersyal na kaso ng paggamit.

I-click dito upang malaman kung paano natin mapapaunlad ang mga HVAC solution gamit ang electrocaloric materials.