В статье, опубликованной в природе сообщений 21 мая, команда исследователей из АПЛ и охлаждение инженеры из Samsung Электроника продемонстрировали улучшенные тепло-производительности насоса и емкости для охлаждения систем объясняется высокой производительности нано-инженерии термоэлектрических материалов изобретен в АПЛ известный как иерархически управляемой разработаны структуры сверхрешетки (шахматы).

Шахматная технология является результатом 10 лет АПЛ исследования в передовые нано-инженерии термоэлектрические материалы и разработки приложений. Изначально разработанный для национальной безопасности приложений, материал также используется для лечения неинвазивного охлаждения к протезированию, а также получила награду R&D для 100 в 2023 году.

"Это реальные демонстрация холодильного оборудования с использованием новых термоэлектрических материалов демонстрирует возможности нано-инженерии, тонкой шахматы фильмов", - сказал Рама Venkatasubramanian, руководитель проекта и главный технолог для Термоэлектрика в АПЛ. "Он знаменует значительный скачок в технологиях охлаждения и создает почву для воплощения достижений в области термоэлектрических материалов в практической, масштабный, энергосберегающие холодильные системы."

Новый эталон твердотельного охлаждения

Толчок для более эффективного и компактного оборудования для охлаждения подпитывается множеством факторов, включая рост численности населения, урбанизация и все большая опора на современную электронику и инфраструктуры пространственных данных. Обычные системы охлаждения, в то время как эффективные, часто громоздки, энергоемки и связанных с химическим хладагенты, которые могут быть вредны для окружающей среды.

Термоэлектрическое охлаждение широко рассматривается как потенциальное решение. Этот метод охлаждается с помощью электронов для перемещения тепла с помощью специальных полупроводниковых материалов, что устраняет необходимость в перемещении частей или вредных химических веществ, что делает эти следующего поколения холодильник тихий, компактный, надежный и устойчивый. Объемных термоэлектрических материалов используются в небольших устройствах, таких как мини-холодильники, но их ограниченная эффективность, низкое тепло-производительности насоса и несовместимость с масштабируемой полупроводниковых чипов исторически предотвратить их широкое использование в высокопроизводительных системах.

В ходе исследования ученые сравнили модули охлаждения с использованием традиционных объемных термоэлектрических материалов с использованием шахматной тонкопленочных материалов в стандартизированных тестах, холодильного, упаковочного и сравнения электрическую мощность, необходимую для достижения различных уровней охлаждения в тех же коммерческих холодильник тест-систем. Команда охлаждения от Samsung Электроника, возглавляемая инженер материалы Sungjin Юнг сотрудничал с APL для проверки результатов путем детального теплового моделирования, количественного определения тепловых нагрузок и параметров тепловым сопротивлением для обеспечения точной оценки производительности в реальных условиях.

Результаты оказались поразительными: в шахматы с использованием материалов, команда АПЛ достигается почти 100% эффективность по сравнению с традиционными термоэлектрические материалы при комнатной температуре (около 80 градусов по Фаренгейту, или 25 градусов). Затем они перевели эти материала-уровень увеличения в 75% КПД на уровне устройства в термоэлектрических модулей, построенных с шахматными материалами и 70% улучшения эффективности в полностью интегрированной системе охлаждения, каждый из которых представляет собой значительное улучшение по сравнению государство-оф-искусство объемных термоэлектрических устройств. Эти испытания были проведены в условиях, которые включали значительное количество тепловой откачки для воспроизведения практической работы.

Построен в масштабе

Помимо повышения эффективности, шахматы тонкопленочной технологии использует значительно меньше материалов-просто 0.003 куб. см, или размером с песчинку, Пер холодильный агрегат. Это уменьшение материальных средств термоэлектрических материалов АПЛ может быть массового производства, используя для производства полупроводников инструменты чип, стимулирование эффективности расходов и обеспечение широкого распространения на рынке.

"Эта тонкопленочная технология имеет потенциал для роста от питания небольших холодильных систем для обслуживания большого здания HVAC приложений, подобно тому, как литий-ионные батареи были хорошо просчитаны к власти таких небольших устройствах, как мобильных телефонов, так и для электромобилей," Venkatasubramanian сказал.

Кроме того, шахматы материалов были созданы с использованием устоявшихся процесса широко используются для изготовления высокоэффективных солнечных элементов, что спутники мощность и коммерческого светодиодные фонари.

"Мы использовали металл-органического химического осаждения (mocvd) для производства шахматы материалов, метод хорошо известен за его масштабируемость, экономичность и способность поддерживать большие объемы производства", - сказал Джон Пирс, старший научный сотрудник, который ведет mocvd для роста возможностей в АПЛ. "Мос-гидридная эпитаксия уже широко используется в коммерческих целях, что делает его идеальным выбором для расширения шахматы тонкопленочных термоэлектрических материалов производства".

Эти материалы и устройства продолжают перспективны для широкого круга сбор энергии и применения электроники в дополнение к последние достижения в холодильной технике. APL планирует продолжить сотрудничество с организациями по усовершенствованию термоэлектрических материалов CHESS с акцентом на повышение эффективности, приближающейся к эффективности обычных механических систем. Будущие усилия включать демонстрацию более масштабных системах охлаждения, в том числе морозильники, и интеграции искусственного интеллекта на основе методов оптимизации энергоэффективности в ведомственных или распределенной системы охлаждения в холодильной и климатической техники.

"Помимо охлаждения, шахматы материалов также можете конвертировать перепадах температуры, например температуру тела, в полезную мощность", - сказал Джефф Maranchi, программы геологоразведочных работ руководитель направления исследований компании APL и разведочного района миссии развития. "Помимо продвижения нового поколения тактильной систем, протезировании и человеко-машинных интерфейсов, это открывает дверь для масштабируемых энергии-технологии заготовки для приложений, начиная от компьютеров до космических аппаратов, способности, которые не выполнимы со взрослыми объемнее термоэлектрических устройств".

"Успех этого сотрудничества показывает, что высокая эффективность твердотельного охлаждения не только научно целесообразными, но технологичны в масштабе", - говорит Сьюзен Эрлих, АПЗ коммерциализации технологий менеджер. "Мы с нетерпением ждем дальнейших исследований и возможности в области передачи технологии с компаниями мы работаем над переводом этих нововведений на практике, в реальном мире приложений".