摘要：研究人员推出了固态冷却技术的突破，使当今商业系统的效率增加了一倍。在实验室获得专利的纳米工程薄膜热电材料和设备的驱动下，这项创新为紧凑，可靠和可扩展的冷却解决方案铺平了道路，这些材料有可能替代各个行业的传统压缩机。...
马里兰州劳雷尔（Laurel）的约翰·霍普金斯（Johns Hopkins）应用物理实验室（APL）的研究人员开发了一种具有纳米工程材料的新型，易于制造的固态热电冷冻制冷技术，其效率是用市售的散装体积热电学材料制造的两倍。随着全球需求增长，可为更节能，可靠和紧凑的冷却解决方案增长，该进步为基于压缩机的制冷提供了可扩展的替代方案。
在发表的论文中自然通讯5月21日，来自三星电子产品的APL和制冷工程师的一组研究人员表明，在APPL的高性能纳米工程热电材料中，在APL上发明的高性能热电材料的热泵效率和能力提高了，该系统被称为APL，被称为控制的层状高层设计的超级层次层面结构（本质）。
国际象棋技术是高级纳米工程热电材料和应用开发10年APL研究的结果。该材料最初是为国家安全应用程序开发的，还用于假肢的无创冷却疗法，并在2023年获得了R＆D 100奖。
“使用新的热电材料的冷藏的现实展示展示了纳米工程象棋薄膜的能力，” APLICS热电学联合项目和首席技术人员的首席研究员Rama Venkatasubramanian说。 “这标志着冷却技术的重大飞跃，并为将热电材料的进步转化为实用，大规模，节能的制冷应用奠定了基础。”
固态冷却的新基准
各种因素为提高效率和紧凑的冷却技术的推动，包括人口增长，城市化以及对先进电子和数据基础设施的依赖。传统的冷却系统虽然有效，但通常是笨重，能源密集的，并且依赖于可能对环境有害的化学制冷剂。
热电制冷被广泛视为潜在的解决方案。该方法通过使用电子通过专门的半导体材料移动热量来冷却，从而消除了运动部件或有害化学物质的需求，从而使这些下一代冰箱安静，紧凑，可靠和可持续。散装热电材料在小型设备等小型设备中使用，但是它们有限的效率，低泵浦的容量和与可伸缩半导体芯片制造的不兼容性，历史上已经阻止了它们在高性能系统中的更广泛使用。
在研究中，研究人员使用传统的散装热电材料与在标准化制冷测试中使用国际象棋薄膜材料的制冷模块进行了比较，测量和比较了在同一商业冰箱测试系统中实现各种冷却水平所需的电力。由材料工程师Sungjin Jung领导的三星电子产品的制冷团队与APL合作，通过详细的热建模验证结果，量化热载荷和热阻力参数，以确保在现实世界中的情况下确保准确的性能评估。
结果令人惊讶：使用国际象棋材料，APL团队在室温下（约80华氏度约为80摄氏度，或25 C），APL团队的效率比传统热电材料提高了近100％。然后，他们将这些材料水平的增长转化为用国际象棋材料构建的热电模块的设备水平的效率提高了75％，并且在完全集成的制冷系统中的效率提高了70％，每种制冷系统的效率提高了，每种模块都代表了与先进的体积热电学设备相比的显着提高。这些测试是在涉及大量热抽水以复制实际操作的条件下完成的。
构建用于扩展
除了提高效率外，棋子薄膜技术的使用材料较少 - 仅0.003立方厘米，或者每个制冷单元的含量大约相当于沙子的大小。材料的减少意味着APL的热电材料可以使用半导体芯片生产工具大量生产，推动成本效率并实现广泛的市场采用。
Venkatasubramanian说：“这种薄膜技术有可能从为小规模的制冷系统供电到支持大型建筑HVAC应用的潜力，类似于将锂离子电池缩放到与移动电话一样小的电源设备和与电动汽车一样大的电源设备的方式。”
此外，使用良好的工艺创建了国际象棋材料，该过程通常用于制造高效的太阳能电池，从而为卫星和商业LED灯提供动力。
高级研究工程师乔恩·皮尔斯（Jon Pierce）说：“我们使用金属有机化学蒸气沉积（MOCVD）来生产国际象棋材料，这是一种以其可伸缩性，成本效益和支持大量制造的能力而闻名的方法。” “ MOCVD已经在商业上广泛使用，非常适合扩大棋子薄膜热电材料的生产。”
除了最新的制冷进展外，这些材料和设备对广泛的能源收集和电子应用的广泛有望。 APL计划继续与组织合作，完善象棋热电材料，重点是提高效率，以实现传统机械系统的效率。未来的努力包括展示包括冰柜在内的大规模制冷系统，以及整合人工智能驱动的方法，以优化制冷和HVAC设备中分隔或分布式冷却的能源效率。
APL研究和探索性开发任务领域的Exploration计划区经理Jeff Maranchi说：“除了制冷之外，国际象棋材料还能够将温度差异（例如体热）转化为可用的功率。” “除了推进下一代触觉系统，假肢和人机界面外，这还为从计算机到航天器的应用开辟了可扩展的能量收获技术 - 与较旧的较老热电设备不可行的功能。”
APL技术商业化经理苏珊·埃里希（Susan Ehrlich）表示：“这项合作努力的成功表明，高效的固态制冷不仅在科学上可行，而且可以大规模制造。” “我们期待在公司努力将这些创新转化为实用的现实世界应用时，将继续与公司进行研究和技术转移机会。”
