Nanoteknistä lämpösähköä kiinteän olomuodon jäähdytyksen

Johns Hopkinsin Applied Physics Laboratoryn (APL) tutkijat ovat kehittäneet uuden, helposti valmistettavan kiinteän olomuodon termoelektrisen jäähdytysteknologian nanomateriaaleista, joka on kaksi kertaa tehokkaampi kuin kaupallisesti saatavilla olevista bulkkitermoelektrisistä materiaaleista valmistetut laitteet.

Työssään APL:n tutkijoiden ja Samsung Researchin jäähdytysinsinöörien ryhmä osoitti, että jäähdytysjärjestelmissä on parannettu lämpöpumppauksen hyötysuhdetta ja kapasiteettia. Ne on aikaansaatu APL:ssä keksityistä korkean suorituskyvyn nanoteknologialla varustetuista termoelektrisistä materiaaleista, jotka tunnetaan nimellä hallitusti hierarkkiset suunnitellut superhilarakenteet (CHESS).

Perinteiset jäähdytysjärjestelmät ovat tehokkaita, mutta usein kookkaita, energiaintensiivisiä ja riippuvaisia kemiallisista kylmäaineista, jotka voivat olla haitallisia ympäristölle.

Termoelektristä jäähdytystä pidetään laajalti mahdollisena uutena ratkaisuna. Tällöin jäähdytys käyttää elektroneja lämmön siirtämiseen erikoistuneiden puolijohdemateriaalien läpi, mikä poistaa liikkuvien osien tai haitallisten kemikaalien tarpeen. Tämä tekee näistä seuraavan sukupolven jääkaapeista hiljaisia, kompakteja, luotettavia ja kestäviä.

Teknisesti uuden termoelektristen materiaalien hyvyysluku (ZT) on 100 % parempi kuin perinteisillä bulkkimateriaaleilla lähellä 300 K:n lämpötilaa. Lisäksi tutkijat osoittavat moduulitason ZT:n olevan yli 75 % ja järjestelmätason jäähdytyksen ZT:n olevan 70 % parempi kuin bulkkilaitteilla.

Edelleen ohutkalvoiset termoelektriset moduulit tarjoavat 100–300 % paremman hyötykertoimen kuin bulkkilaitteet käyttötilanteesta riippuen; järjestelmätason hyötykerroin on ~15 1,3 °C:n lämpötilaeroilla.

Tehokkuuden parantamisen lisäksi CHESS-ohutkalvoteknologia käyttää huomattavasti vähemmän materiaalia – vain 0,003 kuutiosenttimetriä eli noin hiekanjyvän kokoisen määrän jäähdytysyksikköä kohden.

Tämä materiaalin vähennys tarkoittaa, että APL:n termoelektrisiä materiaaleja voitaisiin massatuottaa puolijohdesirujen tuotantotyökaluilla, mikä parantaisi kustannustehokkuutta ja mahdollistaisi laajan markkinoille tulon.

Tutkijoiden mukaan uudella tekniikalla on potentiaalia kasvaa pienimuotoisten jäähdytysjärjestelmien voimanlähteestä suurten rakennusten LVI-sovellusten tukemiseen sekä muuntamaan lämpötilaeroa energiaksi.

Aiheesta aiemmin:

Valo voisi ajaa jäähdytyssykliä ferrosähköisissä materiaaleissa

Elektroniaaltojen kuljettama lämpö

Uusi jäähdytysmekanismi jääkaapeille ja jäähdytyslaitteille