Puolijohdejäähdytys saadaan aikaan sähkökentän aiheuttaman jännityksen avulla

Kiinalaiset tutkijat ovat osoittaneet, että komposiittimateriaalin rasittaminen sähkökentän avulla saa aikaan suuren ja palautuvan kalorivaikutuksen. Tämä uusi tapa parantaa kaloritehokkuutta ilman magneettikenttää voisi avata uusia puolijohdejäähdytyksen väyliä ja johtaa energiatehokkaampiin ja kevyempiin jääkaappeihin.

International Institute of Refrigeration arvioi näin 20% kaikesta maailmanlaajuisesti käytetystä sähköstä kuluu höyryjäähdytykseen – jota käytetään perinteisissä jääkaapeissa ja ilmastointilaitteissa. Lisäksi näissä järjestelmissä käytetyt kylmäaineet ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja edistää merkittävästi ilmaston lämpenemistä. Tämän seurauksena tutkijat yrittävät kehittää ympäristöystävällisempiä jäähdytysjärjestelmiä.

Jäähdytysjärjestelmiä voidaan valmistaa myös täysin solid-state-järjestelmistä, mutta ne eivät tällä hetkellä pysty kilpailemaan höyryn puristuksen kanssa useimmissa yleisissä sovelluksissa. Nykyään useimmat kaupalliset solid-state-jäähdytysjärjestelmät käyttävät Peltier-ilmiötä, joka on lämpösähköinen prosessi, joka kärsii korkeista kustannuksista ja alhaisesta hyötysuhteesta.

Ulkoiset kentät

Kalorimateriaaleihin perustuvat solid-state-jäähdytysjärjestelmät tarjoavat sekä korkean jäähdytystehokkuuden että nolla kasvihuonepäästöjä, ja ne ovat nousemassa lupaaviksi ehdokkaiksi korvaamaan höyrynpuristusteknologiaa. Näissä järjestelmissä käytetään kylmäaineena kiinteää materiaalia, joka joutuessaan alttiiksi ulkoiselle kentälle (sähköinen, magneettinen, jännitys tai paine) muuttuu lämpötilassa – ilmiötä kutsutaan kalorivaikutukseksi.

Toistaiseksi suurin osa solid-state kalorijäähdytysjärjestelmien tutkimuksesta on keskittynyt magneettisiin kylmäaineisiin. Käytännöllisillä kylmäaineilla on kuitenkin oltava merkittävä kalorivaikutus lähellä huoneenlämpötilaa, ja tällaisia ​​materiaaleja on yleensä vaikea löytää. Yksi mahdollinen materiaali on Mn₃SnC, jolla on merkittävä kalorivaikutus, kun se altistuu yli 2 T:n magneettikentille. Mutta niin suuren magneettikentän käyttäminen edellyttää kalliiden ja tilaa vievien magneettien käyttöä, mikä ei ole käytännöllistä.

Nyt, Peng Wu ja kollegat ShanghaiTech-yliopistossa, Shanghain mikrosysteemi- ja tietotekniikan instituutissa, Kiinan tiedeakatemian yliopistossa ja Pekingin Jiaotongin yliopistossa ovat poistaneet magneettien tarpeen yhdistämällä Mn:n₃SnC-kerros, jossa on pietsosähköinen kerros lyijyzirkonaattititanaattia (PZT).

Magneeteista luopuminen

Koesarjassa, joka on kuvattu kohdassa Acta Materialia, ryhmä havaitsi palautuvan kalorivaikutuksen ilman magneettikentän tarvetta. Saavutettu adiabaattinen lämpötilan muutos oli noin kaksinkertainen Mn:lle mitattuun₃SnC 3 T magneettikentän läsnä ollessa.

Kalorivaikutus havaittiin kohdistamalla materiaaliin sähkökenttä, joka indusoi jännitystä PZT:ssä käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen kautta. Kanta siirretään PZT-kerroksesta Mn₃SnC-kerros, mikä johtaa muutokseen Mn:n magneettisessa järjestyksessä₃SnC. Tämä aiheuttaa materiaalissa jopa 0.57 K:n lämpötilan laskun. Kun sähkökenttä poistetaan, lämpötila nousee samalla arvolla.

Wu kertoo Fysiikan maailma että hän sai tämän idean mikroelektromekaanisista järjestelmistä (MEMS), jotka käyttävät usein pietsosähköisiä materiaaleja toiminnassa. Wun mukaan sähkökenttävälitteisen jännityksen käyttö voisi auttaa poistamaan kalliiden ja suurten magneettien tarpeen, mikä luo tehokkaamman ja kestävämmän jäähdytysjärjestelmän.

Haastava mittaus

Kaloriteho mitataan joko arvioimalla adiabaattista lämpötilan muutosta tai isotermisen entropian muutosta. Sekä teollisuudessa että tutkimuksessa lämpötilan muutos on suositeltava menetelmä. Vaikka tämä on suoraviivainen kokeilu puhtaille bulkkimateriaaleille, se on erittäin vaikea tehdä laitepohjaiselle komposiittimateriaalille, joka on alttiina sähkökenttään.

Mittauksen tekemiseen Wu ja kollegat käyttivät järjestelmää, joka oli varustettu Mn:ään kiinnitetyllä termoparilla₃SnC-pinta adiabaattisessa ympäristössä tarkasti säädetyllä magneettikentällä ja lämpötilalla.

Mittausjärjestelmän tarkkuuden arvioimiseksi tutkijat suorittivat useita magneettilämpövaikutusmittauksia lämpötila-alueella 275–290 K. He pystyivät tarkkailemaan lämpötilan muutoksia 0.03 K:iin asti, mikä varmistaa järjestelmän korkearesoluutioisen lämpötilakapasiteetin.

Wu uskoo, että tiimin työ on läpimurto lämpötilan muutoksen mittaamisessa suoraan, kun otetaan huomioon haaste tehdä adiabaattinen lämpötilamittaus samalla, kun PZT:hen kytketään jännite. Hän lisää: "Tämä lämpötilan mittaustapa voisi olla hyödyllinen muille lämpöelektroniikkalaitteille." Wu kuitenkin korostaa, että "järjestelmä ei ole täysin adiabaattinen; se voi aiheuttaa lämpöhäviöitä, joten lisäparannuksia tarvitaan kaikissa lämpömittauksissa”.

Mielenkiintoista ja selittämätöntä

Ryhmä havaitsi myös erittäin mielenkiintoisia ja odottamattomia ilmiöitä lämpötilan mittauksen aikana. ”Riippumatta siitä, käytetäänkö positiivista vai negatiivista sähkökenttää, Mn:n pintalämpötila₃SnC laskee aina”, Wu sanoo. Tutkijat havaitsivat myös, että soveltamalla magneettikenttää komposiittiin pintalämpötila Mn₃SnC nousee, kun taas sähkökentän käyttö tekee päinvastoin ja aiheuttaa lämpötilan laskun. Wu sanoo, että ryhmä ei vielä ymmärrä näitä havaintoja.

Tutkijat pyrkivät nyt tutkimaan taustalla olevaa fysiikkaa Mn:n vastakkaisen käyttäytymisen takana₃SnC/PZT magneetti- ja sähkökenttien alla. Lämpötilan mittausjärjestelmän parantamiseksi edelleen he yrittävät ratkaista lämpöhäviöongelman.