Enerji
Elveda, Soğutucular! Katı Hal Soğutma Üzerine Yeni İçgörüler, Elektroniklerde Termal İhtiyaçlara Yaklaşımımızı Değiştirebilir
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Soğutucular, modern teknolojik dünyamızın en belirleyici özelliklerinden biri olmuştur. Soğutucular sayesinde yiyecekleri koruyabilir, bir yerden başka bir yere taşıyabilir ve çabuk bozulabilen ürünleri daha uzun süre tüketilebilir hâle getirebiliriz.
Soğutucu ürünlerin pazarı büyüyor ve pazar tahminlerine göre büyümeye devam edecek. Mevcut verilere göre, total value of refrigerant products worldwide 2022’de 20,05 milyar ABD dolarıydı ve 2030 yılına kadar 36,77 milyar ABD dolarına yükselerek sekiz yılda 1,8 katından fazla artabilir.
Ancak, soğutucu pazarındaki büyüme, sektörün durgunlaştığını göstermez. Aslında, artan satışlar ve pazar genişlemesi yeniliği engellemez. Bunun yerine, bu büyüme genellikle yeni teknolojilerin ve yaklaşımların geliştirilmesini tetikler. Enerji Bakanlığı’na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı tarafından yürütülen son araştırma, katı hal soğutmayı gerçekleştirebilecek yeni bir bilimsel anlayışa yol açtı.
Sonraki bölümlerde, bu olguyu daha iyi anlamak için daha derinlemesine inceleyeceğiz.
Katı Hal Soğutmanın Dönüştürücü Paradigması
Araştırmacı ekibinin temel başarısı, atom ölçeğinde ısı hareketi bilimi konusundaki bilgi boşluğunu kapatmak olmuştur. Daha işlevsel bir seviyede, araştırmanın başarısı malzemeler ve cihazlar konusundaki daha derin bir anlayışa dayanıyor.
Bu durumda malzeme, sıcaklık artırılarak veya manyetik alan uygulanarak bir faz geçişiyle şekli değiştirilebilen ve ardından orijinal şekline geri dönebilen nikel‑kobalt‑manganese‑indium manyetik şekil bellek alaşımıdır.
Diğer yandan cihaz, bir malzemeyi atom ölçeğinde inceleyebilen bir dizi nötron saçılım cihazından oluşur.
Malzemenin Katı Hal Soğutma İçin Optimal Aday Olarak Ortaya Çıkışı
Deney, nickel‑cobalt‑manganese‑indium manyetik şekil bellek alaşımının sıcaklık artırılarak veya manyetik alan uygulanarak bir faz geçişiyle yönlendirilebileceğini gösterdi.
Manyetik alana maruz bırakıldığında, malzeme yapısal ve manyetik bir faz geçişi geçirdi: daha basit bir ifadeyle ısı absorbe edip serbest bıraktı. Bu etki, katı hal soğutma olgusunun temelini oluşturur. Başka bir deyişle, katı hal soğutma bu etkiyi kullanarak soğutma sağlar.
Bu soğutma mekanizmasında, malzeme ferroik cam durum olarak bilinen bir hâle ulaşır ve bu da ısı depolama ve serbest bırakma yeteneğini artırır.
Deneyin arkasındaki bilimi açıklarken, ORNL’de Nötron ve X‑ışını saçılım grubunun kıdemli araştırmacısı Michael Manley şu sözleri söyledi::
“Nötron saçılımı, manyetik şekil bellek alaşımının soğutma kapasitesinin, sistemdeki düzensizlik nedeniyle oluşan bu yerel magnon‑fonon hibrit modlarında bulunan ısı sayesinde üç katına çıktığını gösteriyor. Bu bulgu, toplumsal ihtiyaçlar için katı hal soğutma uygulamalarında daha iyi malzemeler üretmenin bir yolunu ortaya koyuyor.”
Magnon‑Fonon Hibrit Modları
Magnonlar ve fononlar sırasıyla spin dalgaları ve titreşimler olarak da bilinir. Atomların düzensiz düzeni boyunca dağıtılmış küçük bölgelerde senkronize bir dans şeklinde çift olarak malzeme içinde bulunurlar. Magnon‑fonon hibrit modlarının bölgesel davranış kalıpları, bir malzemenin termal özellikleri üzerinde kritik etkilere sahiptir.
Bu hibrit modların ve hareketlerinin etkilerini açıklarken, Manley şu sözleri ekledi:
“Uzun ve kısa menzilli etkileşimler, yerelleşmiş titreşimler ve spin dalgaları şeklinde ortaya çıkar, yani küçük bölgelerde hapsolmuşlardır. Bu, ek yerelleşmiş titreşim durumlarının ısı depolaması nedeniyle önemlidir. Manyetik alanın değiştirilmesi, bu ısının serbest bırakıldığı başka bir faz geçişini tetikler.”
Genel olarak, deney manyetik şekil bellek alaşımının fonksiyonlarının doğru kontrolünün, onu bir ısı süngeri haline getirerek geleneksel soğutuculara veya mekanik bileşenlere ihtiyaç duymadan verimli katı hal soğutma için hazırlayabileceğini göstererek katı hal soğutma araştırmalarında yeni bir sınır açtı.
Bu araştırma kesinlikle bir atılım olsa da, katı hal soğutmanın yeni bir olgu olmadığını her zaman hatırlamak gerekir. Teorik olarak, bu olgu 1834’ten beri var; o yıl Fransız fizikçi Jean Charles Athanase Peltier, Peltier etkisini keşfetti.
Gelecek bölümde, Peltier etkisi ve bu etkiyi kullanan termoelektrik soğutucular olgusuna kısaca bakacağız.
Katı Hal Soğutma ve Termoelektrik Soğutucuların Kökeni
Bilimsel olarak, Peltier etkisi, “sabit bir sıcaklıkta tutulan ve üzerinden elektrik akımı geçen bir iletkenin, bir termal akım üretmesi olgusu” olarak tanımlanır. Bu termal akım, elektrik akımı tarafından üretilen ısıyı uzaklaştırmaya yardımcı olur.
Başka bir deyişle, Peltier etkisi, iki malzemeyi bağlayan eklemden geçen elektrik akımının, bu eklemde birim zamanda ısı yayması veya emmesi ve iki malzemenin kimyasal potansiyel farkını dengelemesi durumundan ortaya çıkar.
Peltier etkisi, Peltier soğutucu olarak bilinen bir elektronik buzdolabı oluşturulmasına yardımcı olur. Peltier cihazları aynı zamanda termoelektrik soğutucular olarak da bilinir ve bismut tellüritten oluşan bir dizi yarı iletken malzemeden, seri bağlanmış ve iki seramik plaka arasına yerleştirilmiş şekilde oluşur.
Doğrudan akım bir TEC’den geçirildiğinde, yarı iletken malzemedeki elektronlar sıcak taraftan soğuk tarafa hareket eder, ısıyı yanlarında taşıyarak cihazın bir tarafının soğumasına, diğer tarafının ısınmasına neden olur.
Bilim topluluğunun hâlâ katı hal soğutma olgusunu tartışması ve keşfetmek istemesinin nedeni, bunun birçok fayda ve gerçek yaşam uygulamasına sahip olmasıdır. Bu avantajları ve uygulamaları ilerleyen bölümlerde inceleyeceğiz.
Katı Hal Soğutmanın Birçok Faydası ve Uygulaması
Katı hal soğutma, geleneksel soğutma sistemlerinden daha enerji verimli olabilir, çünkü elektrik enerjisinin daha yüksek bir yüzdesini soğutma gücüne dönüştürebilirler.
Ayrıca yenilenebilir enerji kaynakları, özellikle güneş panelleriyle entegrasyon açısından daha uyumludurlar. Düşük karbon ayak izine sahip olmanın yanı sıra, katı hal soğutma ozon tabakasına zarar vermez ve bu nedenle soğutucu ya da diğer sıvı temelli soğutma teknolojilerinden daha çevre dostudur.
Katı hal soğutma, güvenilirlik ve dayanıklılık açısından da yüksek puan alır. Çünkü hareketli parça veya dolaşan sıvı içermediğinden, mekanik arıza riski daha azdır ve daha az bakım gerektirir. Birçok tüketici cihazı, katı hal soğutma teknolojisinden faydalanabilir.
Böyle cihaz örnekleri arasında buzdolapları, klima sistemleri ve şarap soğutucuları bulunur. Katı hal soğutmanın elektrik ve hibrit araçlarda bataryaları ve diğer bileşenleri soğutmak için nasıl kullanılacağı konusunda artan bir tartışma vardır. Bu, performansın artmasına ve menzilinin uzamasına katkı sağlayabilir.
Katı hal soğutma mekanizması, modern araçlarda kabin soğutma sistemi için alternatif bir seçenek olarak da görülmektedir. Bilimsel bir çalışma, otomobillerde katı hal soğutma kullanan bir klima sisteminin uygulanabilirliğini inceledi. Sonuçlar, küçük ve esnek TE soğutma cihazlarının uygulanmasının daha verimli bir otomotiv klima sistemi için daha fazla olasılık sunduğunu gösterdi.
Çalışma ayrıca, kabinde eşit hava akışı sağlayarak insan konforunu artırmak için tasarlanan yerel TE soğutmanın hız ve sıcaklık profillerini inceledi. Bu düzenleme, konvansiyonel soğutma sistemine kıyasla insan konforu açısından yaklaşık %9’luk bir iyileşme sağladı.
Katı hal soğutmanın birçok faydası ve uygulaması, şirketleri bu teknik ve yöntemlere araştırma ve kaynak yatırımı yapmaya teşvik etti.
İlerleyen bölümlerde, bu şirketlerden bazılarını ve onların özel çözümlerini tartışacağız.
#1. CUI Devices
CUI Devices, Peltier cihazları yelpazesiyle tanınır. Tek aşamalı Peltier modülleri, çok aşamalı Peltier modülleri ve Peltier soğutma birimlerinden oluşan bir portföy sunar.
Örneğin CPM‑2F 6.0 Amp Peltier soğutma birimi, su geçirmezlik ve termal stres emilimi için geliştirilmiş bir sızdırmazlık yapısına sahiptir. Kolayca kurulabilir ve yüksek yoğunluklu, yüksek güçlü endüstriyel uygulamalar ve soğutma ihtiyaçlarına ideal şekilde hizmet eder.
Şirket ayrıca iki başka varyant olan CPM‑2C ve CPM‑2H’yi de sunmaktadır; bu modeller sırasıyla 7 ve 8,5 Amp ölçeğinde optimum hizmet sağlar.
Bu alandaki CUI Devices’ın genel ürün profiline baktığımızda, 3,4 mm ile 70 mm arasında değişen boyutlarda, 1,95 mm’ye kadar düşük profilde, 0,7 A ile 20 A arasında akım değerlerinde ve 70 °C ile 105 °C arasında sıcaklık farklarında tek aşamalı ve çok aşamalı Peltier modülleri ile Peltier soğutma birimlerini barındırdığını görürüz. Şirket, ürünlerinin geliştirilmiş güvenilirliği, üstün performansı ve artırılmış çevrim ömrüyle övünmektedir.
CUI Devices, headquartered in Tualatin, Oregon, United States, interconnect, audio, thermal management, motion ve sensor çözümleri sunan bir elektronik bileşen üreticisidir. Ekim 2023’te CUI Devices’ın termal yönetim grubu, potansiyel sıcaklık noktalarını belirlemek, hava akışını optimize etmek ve müşterinin özel ihtiyaçlarına göre etkili soğutma sistemleri tasarlamak amacıyla bir termal tasarım hizmeti başlattı.
#2. Coherent Corp
Coherent Corp’ (COHR ) un soğutma sistemleri, verimli TEC cihazları üzerine kurulu ortak bir “Core” etrafında inşa edilen, standart ve özelleştirilmiş formatları kapsayan bir dizi endüstriyel ve telekom çözümleri sunar. TEC cihazlarının yanı sıra bu çekirdek, ısı/soğuk emiciler, termistörler/RTD’ler ve kablo demetlerini de entegre eder.
Coherent’in en çok tanınan katı hal soğutma teknolojisi ürünlerinden biri, Climatherm (CTA) hava‑hava soğutma sistemleridir. Şirketin katı hal TEC soğutma teknolojisine dayanan bu çözüm, hafif ve kompakt bir pakette 250 W’a kadar soğutma gücü sağlayarak müşteri elektroniklerini aşırı koşullardan korur.
Ürünün soğutucuları, RoHS AB uyumlu, kompakt ve hafif bir tasarıma sahiptir ve yüksek verimli ısı transferi sunar. Tipik uygulamalar arasında elektronik muhafaza soğutması, gıda ve içecek depolama, batarya dolabı soğutması ve laboratuvar ekipmanları bulunur.
COHR Fiyat Grafiği
En son mevcut finansal kayıtlara göre, şirket 30 Haziran 2023’te sona eren yıl için 5,16 milyar ABD doları yıllık gelir kaydetti. Bu, 30 Haziran 2022’de sona eren yıl için 3,317 milyar ABD doları olan önceki yılın kaydından önemli bir artıştır.
Katı Hal Soğutmanın Geleceği
Açıkça söylemek gerekirse, katı hal soğutmanın geleceği şüphesiz umut vaat ediyor. Dünya çapındaki bilim ve ticari teknoloji toplulukları, bunun küresel ısınma ve iklim değişikliği zorluklarıyla doğrudan mücadele edebilecek bir potansiyele sahip olduğunu fark etmiş durumda.
Deneyimli ve köklü isimlerin yanı sıra, Phononic gibi yenilikçi şirketler de ortaya çıktı. Katı hal soğutma, soğutma ve HVAC yenilikleri sadece doğal olarak bulunan CO₂ ile karıştırılmış su kullanıyor ve sadece 1 GWP ile sektörde en düşük GWP derecesini sunuyor. Burada GWP, Küresel Isınma Potansiyeli anlamına gelir.
Phononic, katı hal tasarımının sera gazı emisyonlarını azaltmanın heyecan verici yeni bir yolu, BM iklim hedeflerini desteklemenin ve pazarın yüksek performans gereksinimlerini karşılamanın potansiyeline sahip olduğuna inanıyor.
Bununla birlikte, Katı Hal Soğutmanın gelecekte elektroniklerdeki termal ihtiyaçları verimli bir şekilde karşılayabilmesi için aşması gereken bazı zorluklar var. Geleneksel soğutma sistemlerine kıyasla termoelektrik malzemelerin maliyeti belirgin şekilde daha yüksek olabileceği için uygun fiyatlı hâle gelmesi gerekiyor. Araştırmacıların bu sorunu çözmek için alternatif malzemeler ve daha maliyet‑etkin üretim süreçleri keşfetmek üzere daha agresif ve hızlı çalışmaları gerekecek.
Katı hal soğutmayı çekirdek olarak kullanan üretimin ölçeklendirilmesi de verimlilik sorunu ile karşılaşacak; çünkü termoelektrik malzemeler bazı uygulamalarda geleneksel buhar‑kompresyon sistemlerinin gerisinde kalıyor. Bilim insanları, termoelektrik malzemelerin verimliliğini artırmanın yollarını keşfetmek için daha yoğun testler yapmalı.
Son olarak, katı hal soğutma sistemleri, termoelektrik soğutucunun sıcak tarafta üretilen ısıyı verimli bir şekilde dağıtabilecekleri şekilde termal yönetim profillerini iyileştirmelidir. Bu, sistemin optimum performansını sürdürmesi için kritik öneme sahiptir.
Dünya genelinde araştırmacılar, katı hal soğutmanın faydalarını fark etmiş durumda. Yeni malzemeler ve performans artırıcı teknikler araştırıyorlar. Umarız yakında katı hal soğutmanın endüstriyel ve ticari kullanım alanlarında daha geniş bir benimsenmesini göreceğiz.
