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新しい冷却のブレークスルーは、ほぼ2倍の効率を発揮します

メリーランド州ローレルにあるジョンズ・ホプキンス応用物理学研究所（APL）の研究者は、商業的に利用可能なバルク熱電材で作られたデバイスの2倍の効率的なナノ工学材料を備えた新しい、簡単に製造可能な固体熱電気冷凍技術を開発しました。よりエネルギー効率が高く、信頼性が高く、コンパクトな冷却ソリューションのためにグローバルな需要が拡大するにつれて、この進歩は、従来のコンプレッサーベースの冷蔵のスケーラブルな代替品を提供します。 で公開された論文で 自然コミュニケーションSamsung ResearchのAPLおよび冷蔵エンジニアの研究者チームは、制御された階層的に操作された超格子構造（CHES）として知られるAPLで発明された高性能ナノ工学熱電子材料に起因する冷凍システムの熱輸送効率と容量の改善を実証しました。 チェス技術は、高度なナノ工学的熱電材料と用途の開発における10年間のAPL研究の結果です。当初、国家安全保障アプリケーションのために開発されたこの資料は、補綴物の非侵襲的冷却療法にも使用されており、2023年にR＆D 100賞を受賞しました。 「新しい熱電材料を使用したこのリアルワールドの冷蔵のデモは、ナノ工学のチェス薄膜の能力を示しています」と、APLの熱電気学の共同プロジェクトの主任研究者であるRama Venkatasubramanian氏は述べています。 「それは冷却技術の大幅な飛躍を告げ、熱電材料の進歩を実用的で大規模なエネルギー効率の高い冷凍アプリケーションに変換する段階を設定します。」 固体冷却のための新しいベンチマーク より効率的でコンパクトな冷却技術の推進は、人口増加、都市化、高度な電子機器とデータインフラストラクチャへの依存度の増加など、さまざまな要因によって促進されます。従来の冷却システムは、効果的ですが、しばしばかさばっていて、エネルギー集約的であり、環境に有害な化学冷媒に依存しています。 熱電冷蔵は、潜在的なソリューションと広く見なされています。この方法は、電子を使用して特殊な半導体材料を介して熱を移動し、可動部品または有害な化学物質の必要性を排除し、これらの次世代冷蔵庫を静かでコンパクトで信頼性があり、持続可能にします。バルク熱電材料は、ミニフライッジなどの小さなデバイスで使用されますが、限られた効率、低熱輸送能力、スケーラブルな半導体チップ製造との非互換性は、高性能システムでの幅広い使用を歴史的に妨げています。 この研究では、研究者は、従来のバルク熱電気材料を使用して冷凍モジュールを比較し、標準化された冷凍試験でチェス薄膜材料を使用したものと比較し、同じ市販の冷蔵庫テストシステムでさまざまな冷却レベルを達成するために必要な電力を測定および比較しました。エグゼクティブバイスプレジデントJoonhyun Leeが率いるSamsung ResearchのLife Solutionチームは、APLと協力して、詳細な熱モデリングを通じて結果を検証し、熱負荷と熱抵抗パラメーターを定量化して、実際の条件下での正確なパフォーマンス評価を確保しました。 結果は印象的でした。チェス材料を使用して、APLチームは、室温（華氏約80度、または25 C）で従来の熱電材料よりも効率をほぼ100％改善しました。その後、これらの材料レベルの利益を、チェス材料で構築された熱電モジュールのデバイスレベルでの効率の75％近くの改善と、完全に統合された冷凍システムの効率が70％改善され、それぞれが最先端のバルク熱電子デバイスよりも大幅に改善されています。これらのテストは、実用的な動作を複製するためにかなりの量のヒートポンピングを含む条件下で完了しました。 スケーリングのために構築されています 効率の向上を超えて、チェス薄膜技術では、材料が著しく少なくなります - わずか0.003立方センチメートル、または冷蔵ユニットあたりの砂粒のサイズ。この材料の削減により、APLの熱電材料は、半導体チップ生産ツールを使用して大量生産され、コスト効率を促進し、広範な市場の採用を可能にする可能性があります。 「この薄型技術は、リチウムイオンバッテリーが携帯電話と同じくらい小さい電力機器に拡張されている方法と同様に、小規模な冷凍システムの動力から大規模な建物HVACアプリケーションのサポートに成長する可能性があります」 さらに、チェス材料は、衛星と市販のLEDライトを駆動する高効率の太陽電池を製造するために一般的に使用される確立されたプロセスを使用して作成されました。 「金属有機化学蒸着（MOCVD）を使用して、チェス材料を生産しました。これは、そのスケーラビリティ、費用対効果、大容量の製造をサポートする能力でよく知られている方法です」 「MOCVDはすでに商業的に広く使用されているため、チェスの薄膜熱電材の生産を拡大するのに最適です。」 これらの材料とデバイスは、最近の冷凍の進歩に加えて、幅広いエネルギー収穫および電子機器のアプリケーションの有望を示し続けています。 APLは、従来の機械システムにアプローチするための効率を高めることに焦点を当てて、チェス熱電材料を改良するために組織と提携し続けることを計画しています。将来の取り組みには、冷凍庫などの大規模な冷蔵システムの実証、および冷凍またはHVAC機器のコンパートメント化または分布冷却のエネルギー効率を最適化するための人工知能駆動型の方法の統合が含まれます。 「冷蔵を超えて、チェス材料は、体温などの温度差を使用可能な電力に変換することもできます」と、APLの研究および探索的開発ミッションエリアの探査プログラムエリアマネージャーであるジェフマランチは述べています。 「次世代の触覚システム、補綴物、およびヒューマンマシン界面を進めることに加えて、これにより、コンピューターから宇宙船に至るまでの用途向けのスケーラブルなエネルギー収穫技術への扉が開かれます。 「この協力的な取り組みの成功は、高効率の固体冷凍が科学的に実行可能であるだけでなく、大規模に製造可能であることを示しています」と、APLテクノロジーの商業化マネージャーであるスーザン・エーリッヒは述べています。 「これらのイノベーションを実用的で現実世界のアプリケーションに変換することに取り組んでいるため、企業との継続的な研究と技術の移転の機会を楽しみにしています。」 #新しい冷却のブレークスルーはほぼ2倍の効率を発揮します