Revolutionair thermo-elektrisch koelsysteem verbetert prestaties van computers en batterijen

Onderzoekers demonstreren een nieuw koelsysteem met 2 verschillende soorten thermo-elektrische materialen. Het versnelt warmte efficiënter in de natuurlijke richting — van een heet object naar de relatief koele omgeving.

Hoe deden ze het?

Om effectieve thermo-elektrische koelapparaten te ontwerpen, selecteerde het onderzoeksploeg materiaal gebaseerd op een figuur van verdiensten genaamd zT, die gebruikt wordt om de prestaties van thermo-elektrische modules te bepalen, inclusief koelmodules.

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

Materiaal dat veel warmte draagt (vanwege elektrische stromen) zou een hoge zT hebben. Deze materialen hebben typisch lage thermische geleiding, dus ze laten warmte niet terugstroomen door de apparatuur in het koude object. Echter, warmte dissipeert natuurlijk wanneer het object heet is.

Overweeg een normale koelconditie waar een heet object bevestigd is aan thermo-elektrische apparatuur omgeven door een relatief koud reservoir. Wanneer spanning toegepast wordt, stromen elektronen en gaten (ladingsdragers die warmte dragen) van het hete gebied naar het koude gebied.

Verschil tussen actieve koeling en koeling | Met dank aan de onderzoekers

Om koeling efficiënter te maken, ontwikkelde het team een nieuwe figuur van verdiensten genaamd effectieve thermische geleiding. Het vertegenwoordigt de som van actieve thermische geleiding (aan wanneer spanning toegepast wordt) en passieve (normale) thermische geleiding.

Ze gebruikten twee soorten materialen met grote effectieve thermische geleidingen —

1. Magnon-drag metalen (kobalt), waarin elektronen interacteren met magnonen en wat extra warmte dragen.
2. Kondo-effect metalen (cerium-palladium), waarin elektronen sterk met elkaar interacteren, de warmte die geassocieerd is met elk geleidend elektron (gat) verhoogt.

Onderzoekers gebruikten deze materialen om een Peltier-cooler te construeren en plaatsten het tussen koude en hete reservoirs. Ze testten het apparaat vervolgens in passieve en actieve modus.

Wanneer 5-ampère stroom toegepast werd, droogde het apparaat bijna 0,1 watt meer warmte uit het hete reservoir dan met nul stroom. Gebaseerd op temperatuursverschil, registreerde de actieve modus 1000 watt/meter-kelvin, terwijl de passieve modus 40 watt/meter-kelvin bereikte.

Deze soort dual-mode coolers kunnen voordelig zijn voor processors. Het kan in passieve modus werken wanneer het aantal berekeningsprocessen minder is, en schakelen naar actieve modus wanneer CPU-gebruik hoog is.