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Jun 21, 2023

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ペンシルベニア州立大学の画像: ハーフホイスラー材料は、熱電デバイスの冷却出力密度を向上させ、次世代の高出力エレクトロニクスに冷却ソリューションを提供する可能性があります。 もっと見る

ペンシルベニア州立大学

画像: ハーフホイスラー材料は、熱電デバイスの冷却出力密度を向上させ、次世代の高出力エレクトロニクスに冷却ソリューションを提供する可能性があります。もっと見る

クレジット: 提供: Wenjie Li

ペンシルバニア州ユニバーシティパーク — 次世代エレクトロニクスは、冷却のための新しいソリューションを必要とする、より小型でより強力なコンポーネントを備えています。 ペンシルベニア州立大学の科学者が開発した新しい熱電クーラーは、現在の市販の熱電ユニットと比較して冷却能力と効率が大幅に向上し、将来の高出力エレクトロニクスの熱制御に役立つ可能性があると研究者らは述べた。

「私たちの新しい材料は、非常に高い冷却出力密度を備えた熱電デバイスを提供できます」とペンシルベニア州立大学材料科学工学部の研究教授ベッド・プーデル氏は述べています。 「私たちは、この新しいデバイスが技術経済的対策の面で競争力があるだけでなく、現在の主要な熱電冷却モジュールよりも優れた性能を発揮できることを実証することができました。 新世代のエレクトロニクスはこの発展から恩恵を受けるでしょう。」

熱電冷却器は、電気が印加されるとデバイスの一方の側からもう一方の側に熱を伝達し、コールド側とホット側を持つモジュールを作成します。 レーザー ダイオードやマイクロプロセッサなど、熱を発生する電子コンポーネントに低温側を配置すると、余分な熱が排出され、温度の制御に役立ちます。 しかし、これらのコンポーネントがより強力になるにつれて、熱電クーラーもより多くの熱を送り込む必要があると科学者らは述べています。

新しい熱電デバイスは、テルル化ビスマス製の主要な商用デバイスと比較して冷却出力密度が 210% 向上し、同時に同等の成績係数 (COP)、つまり必要なエネルギーに対する有用な冷却の比率を維持できる可能性があると科学者らは報告しました。ネイチャーコミュニケーションズにて。

ミネソタ大学の研究担当副学長で論文の共著者であるシャシャンク・プリヤ氏は、「これにより、熱電冷却装置の製造における3つの大きな課題のうち2つが解決される」と述べた。 「まず、高い冷却能力密度と高い COP を提供できます。 これは、少量の電気で多量の熱を送り出せることを意味します。 第二に、高出力レーザーや、狭い領域から局所的に大量の熱を除去する必要があるアプリケーションにとって、これは最適なソリューションを提供できます。」

この新しいデバイスは、熱電デバイスなどのエネルギー用途に有望な特別な特性を備えた材料の一種であるハーフホイスラー合金の化合物から作られています。 これらの材料は、優れた強度、熱安定性、効率を提供します。

研究者らは、材料の加熱と冷却の方法を扱う特別なアニーリングプロセスを使用して、材料の微細構造を修正および操作して欠陥を除去することを可能にしました。 科学者らによると、これまでハーフホイスラー熱電材料の製造に使用されたことはなかったという。

また、アニーリングプロセスにより材料の粒径が劇的に増大し、結晶粒界、つまり結晶構造が接触し、電気伝導率や熱伝導率を低下させる材料内の領域が減少しました。

「一般に、ハーフホイスラー材料の粒子サイズは非常に小さく、ナノサイズの粒子です」とペンシルベニア州立大学材料科学工学部助教授のウェンジエ・リー氏は言う。 「このアニーリングプロセスを通じて、粒子の成長をナノスケールからマイクロスケールまで制御することができます。その違いは3桁です。」

粒界やその他の欠陥を減らすことで、材料のキャリア移動度、つまり電子が材料中を移動できる仕組みが大幅に向上し、より高い力率が得られると科学者らは述べた。 力率は最大冷却電力密度を決定し、電子機器冷却用途では特に重要です。

「たとえば、レーザー ダイオードの冷却では、非常に狭い領域で大量の熱が発生します。デバイスの最適なパフォーマンスを得るには、熱を特定の温度に維持する必要があります。そこに当社の技術が活かせるのです」とリー氏は述べています。適用済み。 これは地域の高熱管理に明るい未来をもたらします。」