Een geavanceerd koelsysteem voor computers en batterijen

• Onderzoekers demonstreren een nieuw koelsysteem met twee verschillende soorten thermo-elektrische materialen.
• Het versnelt warmte efficiënter in zijn natuurlijke richting - van een heet object naar de relatief koele omgeving.

Naarmate computerchips, lasers, batterijen en krachtige elektronica evolueren naar een compacter ontwerp met hogere vermogensdichtheden, vereisen ze meer geavanceerde technologie voor thermisch beheer. Deze apparaten gebruiken thermo-elektrische koeling om warmte van hete voorwerpen te verwijderen.

In tegenstelling tot thermodynamische problemen, zijn deze zogenaamde Peltier-koelers geoptimaliseerd om een ​​koud object koud te houden. De meeste commerciële Peltier-koelers zijn draagbare koelelementen zoals campingkoelkasten of drankkoelers. Ze werken door warmte van het koude gebied naar het warme gebied te trekken (natuurlijk gaat warmte van heet naar koud).

Bij het 'actieve koeling'-mechanisme wordt de natuurlijke warmtestroom echter versneld van een heet object naar een relatief koel gebied. In dit geval is het doel om de warmte die uit het hete reservoir wordt afgevoerd te maximaliseren en tegelijkertijd de temperatuurdaling te minimaliseren.

Onlangs kwamen natuurkundigen van de Ohio State University en de University of Virginia met een nieuw ontwerpprincipe voor thermo-elektrische instrumenten dat is afgestemd op batterij- en computertoepassingen. Ze demonstreerden een koelsysteem met 2 verschillende soorten thermo-elektrische materialen.

Hoe hebben ze het gedaan?

Om effectieve thermo-elektrische koelapparaten te ontwerpen, heeft het onderzoeksteam materiaal geselecteerd op basis van een verdienste genaamd zT , die wordt gebruikt om de prestaties van thermo-elektrische modules te bepalen, inclusief koelmodules.

Referentie:APS Natuurkunde | DOI:10.1103/PhysRevApplied.11.054008

Materiaal dat veel warmte draagt ​​(vanwege elektrische stromen) zou een hoge zT . hebben . Deze materialen hebben doorgaans een lage thermische geleidbaarheid, waardoor er geen warmte terug kan stromen door de apparatuur in het koude object. Warmte verdwijnt echter op natuurlijke wijze wanneer het object heet is.

Beschouw een normale koelconditie waarbij een heet object is bevestigd aan thermo-elektrische apparatuur die wordt omsloten door een relatief koud reservoir. Wanneer er spanning wordt aangelegd, stromen elektronen en gaten (ladingsdragers die warmte transporteren) van het hete gebied naar het koude gebied.

Verschil tussen actieve koeling en koeling | Met dank aan onderzoekers

Om de koeling efficiënter te maken, ontwikkelde het team een ​​nieuwe verdienste, genaamd effectieve thermische geleidbaarheid. Het vertegenwoordigt de som van actieve thermische geleidbaarheid (inschakelen wanneer de spanning wordt toegepast) en passieve (normale) thermische geleidbaarheid.

Ze gebruikten twee soorten materialen met grote effectieve thermische geleidbaarheid –

1. Magnon-drag-metalen (kobalt), waarin elektronen interageren met magnons en wat extra warmte dragen.
2. Kondo-effect metalen (cerium-palladium), waarin elektronen sterk met elkaar interageren, waardoor de warmte die bij elk geleidend elektron (gat) hoort, toeneemt.

Onderzoekers gebruikten deze materialen om een ​​Peltier-koeler te bouwen en deze tussen koude en warme reservoirs te plaatsen. Vervolgens testten ze het apparaat in passieve en actieve modus.

Toen er een stroom van 5 ampère werd toegepast, voerde het apparaat bijna 0,1 watt meer warmte uit het hete reservoir af dan bij nulstroom. Op basis van het temperatuurverschil registreerde de actieve modus 1000 watt/meter-kelvin, terwijl de passieve modus 40 watt/meter-kelvin bereikte.

Lezen:een goedkoop passief koelsysteem dat geen stroom nodig heeft

Dit soort dual-mode koelers kunnen gunstig zijn voor processors. Het zou kunnen werken in de passieve modus wanneer het aantal computerprocessen minder is, en overschakelen naar de actieve modus wanneer het CPU-gebruik hoog is.