Ein fortschrittliches Kühlsystem für Computer und Batterien

• Forscher demonstrieren ein neues Kühlsystem mit zwei verschiedenen Arten thermoelektrischer Materialien.
• Es beschleunigt die Wärme effizienter in ihre natürliche Richtung – von einem heißen Objekt in die relativ kühle Umgebung.

Da sich Computerchips, Laser, Batterien und Hochleistungselektronik zu kompakteren Designs mit höheren Leistungsdichten entwickeln, erfordern sie eine ausgefeiltere Wärmemanagementtechnologie. Diese Geräte verwenden thermoelektrische Kühlung, um Wärme von heißen Gegenständen abzuführen.

Im Gegensatz zu thermodynamischen Problemen sind diese sogenannten Peltier-Kühler darauf optimiert, ein kaltes Objekt kalt zu halten. Die meisten kommerziellen Peltier-Kühler sind tragbare Kühlelemente wie Campingkühlschränke oder Getränkekühler. Sie arbeiten, indem sie Wärme vom kalten Bereich zum heißen Bereich ziehen (natürlich bewegt sich die Wärme von heiß nach kalt).

Beim „aktiven Kühlen“ wird jedoch der natürliche Wärmefluss von einem heißen Objekt in eine relativ kühle Region beschleunigt. In diesem Fall besteht das Ziel darin, die aus dem heißen Reservoir abgeleitete Wärme zu maximieren und gleichzeitig den Temperaturabfall zu minimieren.

Kürzlich haben Physiker der Ohio State University und der University of Virginia ein neues Konstruktionsprinzip für thermoelektrische Instrumente entwickelt, das auf Batterie- und Computeranwendungen abgestimmt ist. Sie demonstrierten ein Kühlsystem mit 2 verschiedenen Arten thermoelektrischer Materialien.

Wie haben sie es gemacht?

Um effektive thermoelektrische Kühlgeräte zu entwickeln, wählte das Forschungsteam das Material basierend auf einer Gütezahl namens zT . aus , das verwendet wird, um die Leistung von thermoelektrischen Modulen, einschließlich Kühlmodulen, zu bestimmen.

Referenz:APS Physik | DOI:10.1103/PhysRevApplied.11.054008

Material, das viel Wärme (durch elektrische Ströme) trägt, hätte eine hohe zT . Diese Materialien haben typischerweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit, daher verhindern sie, dass Wärme durch die Ausrüstung in das kalte Objekt zurückfließt. Die Wärme wird jedoch auf natürliche Weise abgeleitet, wenn das Objekt heiß ist.

Stellen Sie sich einen normalen Kühlzustand vor, bei dem ein heißer Gegenstand an einem thermoelektrischen Gerät angebracht ist, das von einem relativ kalten Reservoir umgeben ist. Beim Anlegen einer Spannung fließen Elektronen und Löcher (Ladungsträger, die Wärme transportieren) vom heißen Bereich in den kalten Bereich.

Unterschied zwischen aktiver Kühlung und Kühlung | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Um die Kühlung effizienter zu gestalten, entwickelte das Team eine neue Gütezahl namens effektive Wärmeleitfähigkeit. Sie stellt die Summe aus aktiver Wärmeleitfähigkeit (bei Anlegen der Spannung einschalten) und passiver (normaler) Wärmeleitfähigkeit dar.

Sie verwendeten zwei Arten von Materialien mit großen effektiven Wärmeleitfähigkeiten –

1. Magnon-drag-Metalle (Kobalt), bei denen Elektronen mit Magnonen interagieren und zusätzliche Wärme transportieren.
2. Metalle mit Kondo-Effekt (Cer-Palladium), in denen Elektronen stark miteinander wechselwirken, wodurch die mit jedem leitenden Elektron (Loch) verbundene Wärme erhöht wird.

Forscher verwendeten diese Materialien, um einen Peltier-Kühler zu konstruieren und ihn zwischen kalten und heißen Reservoirs zu platzieren. Anschließend testeten sie das Gerät im passiven und im aktiven Modus.

Wenn ein Strom von 5 Ampere angelegt wurde, entließ das Gerät fast 0,1 Watt mehr Wärme aus dem heißen Reservoir als ohne Strom. Basierend auf der Temperaturdifferenz registrierte der aktive Modus 1000 Watt/Meter-Kelvin, während der passive Modus 40 Watt/Meter-Kelvin erreichte.

Lesen Sie:Ein kostengünstiges passives Kühlsystem, das keinen Strom benötigt

Diese Art von Dual-Mode-Kühlern könnte für Prozessoren von Vorteil sein. Es könnte im passiven Modus arbeiten, wenn die Anzahl der Rechenprozesse geringer ist, und in den aktiven Modus wechseln, wenn die CPU-Auslastung hoch ist.