ترموالکتریک نوآورانه: انقلابی در سیستم خنک کننده الکترونیک

دستگاه ترموالکتریک ابداعی با توان بالایی که دارد می تواند انقلاب بزرگی در سیستم خنک کننده های الکترونیکی نسل بعدی ایجاد کنند.

طبق گزارش های فن تک و به نقل از ساینس دیلی؛ محققان ایالت پن یک آمریکا دستگاه خنک کننده ترموالکتریکی ساختند که میزان بهره وری تجهیزات الکترونیکی را تا حد زیادی بهبود می بخشد. این دستگاه از آلیاژهای نیمه هویسلر(نیمه فلز) و فرآیند بازپخت منحصربه‌فرد برای افزایش چگالی قدرت خنک‌کننده و تحرک حامل استفاده می‌کند.

خنک کننده ترموالکتریک، انقلابی در تجهیزات الکترونیکی نسل بعدی

تجهیزات الکترونیکی در آینده نزدیک از اجزای بسیار کوچکتر و در عین حال قدرتمندتر ساخته می شوند. بنابراین، باید از راه حل های جدیدتری برای خنک نگه داشتن آنها استفاده کرد. دستگاه خنک کننده محققان ایالت پن، قدرت خنک کنندگی و راندمان بالایی نسبت به ترموالکتریک های صنعتی موجود دارد. آنها معتقدند سیستم جدید می تواند گرمای زیادی تجهیزات الکترونیکی نسل آینده را به راحتی کنترل کند.
Bed Poudel، استاد دانشکده علوم و مهندسی مواد دانشگاه Penn در مورد این دستگاه گفت:" مواد جدید ما می‌تواند منجر به ساخت دستگاه‌های ترموالکتریک با توان خنک‌کنندگی بسیار بالایی شود. ما توانستیم نشان دهیم که این دستگاه نه تنها از نظر معیارهای فنی قابل رقابت با نمونه های موجود است بلکه، نسبت به ماژول های خنک کننده ترموالکتریک پیشرو فعلی بهتر عمل می کند.»

خنک کننده های ترموالکتریک: مکانیسم و چالش

خنک کننده های ترموالکتریک گرما را از یک طرف دستگاه به طرف دیگر منتقل می کنند. این فرآیند منجر به ایجاد یک ماژول دو طرفه سرد و گرم می شود. قسمت سرد گرمای اضافی روی دیودهای لیزری و ریزپردازنده ها را جذب می کند و از این طریق دمای قطعات را کنترل می کند. هرچه قطعات قوی تر باشند دستگاه خنک کننده باید گرمای بیشتری را پمپاژ کند.

دستگاه ترموالکتریک تازه توسعه یافته در مقایسه با دستگاه تجاری پیشرو موجود که از بیسموت تلوراید ساخته شده است، 210 درصد قدرت خنک کنندگی بیشتری دارد. براساس ضریب عملکرد (COP) یعنی نسبت خنک کنندگی مفید به انرژی مورد نیاز، می تواند دستگاه را خنک نگه دارد.

چالش های خنک کننده ترموالکتریک

شاشانک پریا، معاون پژوهشی دانشگاه مینه‌سوتا و یکی از نویسندگان مقاله در مورد قابلیت‌های دستگاه جدید گفت: «این دستگاه دو چالش از سه چالش بزرگ در ساخت دستگاه های خنک کننده ترموالکتریک را حل می کند. در گام اول می تواند چگالی توان خنک کنندگی بالایی با COP بیشتر ارائه دهد. یعنی با مصرف برق کمتر، می تواند گرمای زیادی را پمپاژ کند. علاوه براین، می تواند برای از بین بردن گرمای زیاد یک منطقه خاص عملکرد بهتری نسبت به مدل های موجود داشته باشد.

مواد نوآورانه نیمه هویسلر در دستگاه جدید

این دستگاه جدید از ترکیبی از آلیاژهای نیمه هویسلر ساخته شده است. این مواد استحکام، پایداری حرارتی و کارایی قابل توجهی دارند. بنابراین، می توانند در دستگاه های خنک کننده نقش مهمی ایفا کنند. محققان تحت یک فرآیند بازپخت نحوه گرم شدن و سرد شدن مواد را دستکاری کردند تا بتوانند با تغییر ساختار این مواد عیوب آن را به طور کامل برطرف کنند. این روش تا قبل از این در ساخت مواد ترموالکتریک نیمه هویسلر استفاده نشده بود.

فرآیند باز پخت(آنیلینگ) و اثرات آن

محققان در فرآیند بازپخت فلز را در دمای از دمای تبلور قرار می دهند. در طول این فرآیند، اندازه مواد تشکیل دهنده افزایش پیدا می کند و در نهایت، فضای بین ذرات کمتر می شود. نهایت، هدایت جریان الکتریکی در فلز از این طریق کاهش پیدا می کند.
Wenjie Li، استادیار دانشکده علوم و مهندسی مواد در ایالت پن، می گوید: «به طور کلی، مواد نیمه هویسلر از دانه های بسیار کوچکی در حد نانو تشکیل شده اند. از طریق فرآیند بازپخت، می‌توانیم رشد دانه‌ها را از مقیاس نانو به مقیاس میکرو تغییر دهیم.
کاهش فاصله بین دانه های این مواد بر نحوه حرکت الکترون ها تاثیر می گذارد و در نهایت، منجر به افزایش ضریب توان می شود. این افزایش ضریب قدرت به ویژه در دستگاه های خنک کننده نقش مهمی ایفا می کند. ضریب توان، حداکثر چگالی توان خنک کننده را تعیین می کند.