Chłodzenie półprzewodnikowe uzyskuje się poprzez naprężenie indukowane polem elektrycznym

Naukowcy z Chin wykazali, że naprężenie materiału kompozytowego za pomocą pola elektrycznego wywołuje duży i odwracalny efekt kaloryczny. Ten nowatorski sposób na zwiększenie efektu kalorycznego bez pola magnetycznego może otworzyć nowe możliwości chłodzenia półprzewodnikowego i doprowadzić do powstania bardziej energooszczędnych i lżejszych lodówek.

Międzynarodowy Instytut Chłodnictwa szacuje, że 20% Cała energia elektryczna zużywana na świecie jest zużywana na chłodzenie parowe – technologię stosowaną w konwencjonalnych lodówkach i klimatyzatorach. Co więcej, czynniki chłodnicze stosowane w tych systemach to silne gazy cieplarniane, które znacząco przyczyniają się do globalnego ocieplenia. W rezultacie naukowcy starają się opracować bardziej przyjazne dla środowiska systemy chłodnicze.

Systemy chłodzenia mogą być również wykonane z systemów całkowicie półprzewodnikowych, ale nie mogą one obecnie konkurować z kompresją pary w większości głównych zastosowań. Obecnie większość komercyjnych półprzewodnikowych systemów chłodzenia wykorzystuje efekt Peltiera, który jest procesem termoelektrycznym charakteryzującym się wysokimi kosztami i niską wydajnością.

Pola zewnętrzne

Półprzewodnikowe systemy chłodzenia oparte na materiałach kalorycznych oferują zarówno wysoką wydajność chłodniczą, jak i zerową emisję gazów cieplarnianych i stają się obiecującymi kandydatami do zastąpienia technologii sprężania pary. Systemy te wykorzystują materiał stały jako czynnik chłodniczy, który pod wpływem pola zewnętrznego (elektrycznego, magnetycznego, odkształcenia lub ciśnienia) ulega zmianie temperatury – zjawisko zwane efektem kalorycznym.

Jak dotąd większość badań nad półprzewodnikowymi systemami chłodzenia kalorycznego skupiała się na magnetycznych czynnikach chłodniczych. Jednak praktyczne czynniki chłodnicze muszą wykazywać znaczny efekt kaloryczny w pobliżu temperatury pokojowej, a takie materiały są na ogół trudne do znalezienia. Jednym z potencjalnych materiałów jest Mn₃SnC, który wykazuje znaczny efekt kaloryczny po wystawieniu na działanie pól magnetycznych większych niż 2 T. Jednak zastosowanie tak silnego pola magnetycznego wymaga użycia drogich i nieporęcznych magnesów, co nie jest praktyczne.

Teraz, Peng Wu i współpracownicy z Uniwersytetu ShanghaiTech, Instytutu Mikrosystemów i Technologii Informacyjnych w Szanghaju, Uniwersytetu Chińskiej Akademii Nauk i Uniwersytetu Jiaotong w Pekinie wyeliminowali potrzebę stosowania magnesów, łącząc magnes Mn₃Warstwa SnC z piezoelektryczną warstwą tytanianu cyrkonianowo-ołowiowego (PZT).

Pozbądź się magnesów

W serii eksperymentów opisanych w Acta Materialia, zespół zaobserwował odwracalny efekt kaloryczny bez potrzeby stosowania pola magnetycznego. Osiągnięta adiabatyczna zmiana temperatury była około dwukrotnie większa niż zmierzona dla Mn₃SnC w obecności pola magnetycznego 3 T.

Efekt kaloryczny zaobserwowano poprzez przyłożenie do materiału pola elektrycznego, które indukuje odkształcenie w PZT poprzez odwrotny efekt piezoelektryczny. Odkształcenie jest przenoszone z warstwy PZT na Mn₃warstwa SnC, która powoduje zmianę uporządkowania magnetycznego Mn₃SnC. Powoduje to spadek temperatury materiału do 0.57 K. Po usunięciu pola elektrycznego temperatura wzrasta o tę samą wartość.

Wu mówi Świat Fizyki że zaczerpnął ten pomysł z systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), które często wykorzystują do uruchamiania materiały piezoelektryczne. Według Wu wykorzystanie naprężeń za pośrednictwem pola elektrycznego może pomóc wyeliminować potrzebę stosowania kosztownych i dużych magnesów, tworząc bardziej wydajny i zrównoważony system chłodniczy.

Wymagający pomiar

Efekt kaloryczny mierzy się albo poprzez oszacowanie adiabatycznej zmiany temperatury, albo izotermicznej zmiany entropii. Zarówno w przemyśle, jak i badaniach preferowaną metodą jest zmiana temperatury. Chociaż jest to prosty eksperyment z czystymi materiałami sypkimi, niezwykle trudno jest go przeprowadzić w przypadku materiału kompozytowego opartego na urządzeniach, który podlega działaniu pola elektrycznego.

Do wykonania pomiaru Wu i współpracownicy wykorzystali system wyposażony w sondę termopary dołączoną do Mn₃Powierzchnia SnC w środowisku adiabatycznym z precyzyjnie kontrolowanym polem magnetycznym i temperaturą.

Aby ocenić dokładność swojego systemu pomiarowego, badacze przeprowadzili kilka pomiarów efektu magnetokalorycznego w zakresie temperatur 275–290 K. Byli w stanie monitorować zmiany temperatury do 0.03 K, w ten sposób sprawdzając zdolność temperaturową systemu z wysoką rozdzielczością.

Wu uważa, że ​​praca zespołu stanowi przełom w bezpośrednim pomiarze zmian temperatury, biorąc pod uwagę wyzwanie, jakim jest wykonanie adiabatycznego pomiaru temperatury podczas przykładania napięcia do PZT. Dodaje: „To podejście do pomiaru temperatury może być przydatne w przypadku innych urządzeń termoelektronicznych”. Wu podkreśla jednak, że „system nie jest całkowicie adiabatyczny; może to spowodować utratę ciepła, dlatego konieczne jest dalsze doskonalenie wszelkich pomiarów ciepła”.

Ciekawe i niewyjaśnione

Zespół zaobserwował również kilka bardzo interesujących i nieoczekiwanych zjawisk podczas pomiaru temperatury. „Bez względu na to, czy zastosujemy dodatnie czy ujemne pole elektryczne, temperatura powierzchni Mn₃SnC zawsze maleje” – mówi Wu. Naukowcy odkryli również, że po przyłożeniu pola magnetycznego do kompozytu temperatura powierzchni Mn₃SnC rośnie, natomiast przyłożenie pola elektrycznego działa odwrotnie i powoduje obniżenie temperatury. Wu mówi, że zespół nie rozumie jeszcze tych obserwacji.

Naukowcy zamierzają teraz zbadać fizykę leżącą u podstaw kontrastującego zachowania Mn₃SnC/PZT pod wpływem pól magnetycznych i elektrycznych. Aby jeszcze bardziej ulepszyć system pomiaru temperatury, starają się również rozwiązać problem strat ciepła.