Одним из важнейших аспектов нормальной работы многих устройств является охлаждение, не говоря уже о его бытовом значении. Развитие технологий, а также их более широкое распространение требует поиска альтернативы классическим громоздким и плохо масштабируемым компрессионным системам охлаждения. Ученые из лаборатории прикладной физики университета Джонса Хопкинса (Балтимор, США) разработали новую систему на основе наноматериалов, которая в два раза эффективнее. Из чего именно состоит новая система охлаждения, каковы принципы ее работы, и что показали практические испытания? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Спрос на холодильные технологии растет как в развитых, так и в развивающихся странах, особенно в миниатюрных системах мощностью менее 100 Вт и вплоть до нескольких ватт, используемых в условиях от бытовых до медицинских. Существует острая необходимость создавать холодильные устройства, которые были бы более компактными и эффективными при уменьшении их размеров по сравнению с крупными системами, а также соответствовали бы более высоким стандартам энергоэффективности при снижении производственных затрат. Традиционные механические системы охлаждения плохо масштабируются и создают экологические проблемы из-за использования химических хладагентов, таких как гидрофторуглероды (HFC от hydrofluorocarbon). Эти вещества являются парниковыми газами с потенциалом глобального потепления (GWP от global warming potential), который в 700–4000 раз выше, чем у углекислого газа (CO₂), причем утечки хладагентов усугубляют проблему.

Напротив, твердотельные термоэлектрические системы очень хорошо масштабируются, от уровня мощности 1 Вт до 1 кВт, поскольку они состоят из твердотельных компонентов. В зависимости от потребности в охлаждении можно добавить меньшее или большее количество термоэлектрических элементов — по аналогии с литий-ионными аккумуляторными системами: от нескольких ватт в мобильных телефонах до многокиловаттных систем в электромобилях. Кроме того, твердотельные устройства невероятно надежны, поскольку в них нет движущихся частей, а их стоимость может быть снижена до конкурентоспособного уровня благодаря применению масштабируемых технологий производства полупроводников.

Термоэлектрические охлаждающие модули представляют собой идеальную технологию охлаждения для систем малого масштаба благодаря своей способности обеспечивать экологически безопасное охлаждение без использования хладагентов, а также точное и быстрое регулирование температуры с использованием только простых компонентов. Термоэлектрические системы охлаждения обладают значительными преимуществами, включая быстрое время отклика, точную регулировку температуры и впечатляющую стабильность температуры. Эти характеристики значительно сокращают время достижения желаемой температуры и улучшают равномерность распределения температуры внутри системы. Следовательно, они могут улучшить сохранность и свежесть продуктов, хранящихся в течение длительного времени. Кроме того, простая конструкция системы обеспечивает гибкость, позволяя создавать инновационные охлаждающие устройства новых форм, открывая путь к передовым технологиям охлаждения.

Как отмечают ученые, несмотря на значительные достижения в области термоэлектрического охлаждения материалов (ZT - безразмерный критерий эффективности термоэлектрического материала) при различных рабочих температурах за последние два десятилетия, как в тонких пленках, так и в объемных материалах, результаты испытаний устройств, подтверждающие эффективность улучшенных материалов в целевых или уникальных приложениях, были ограниченными. Технология термоэлектрических устройств охлаждения на основе тонких пленок (TFTEC от thin-film thermoelectric cooling) в 2009 году продемонстрировала охлаждение горячих точек с мощностью >1 кВт/см² в однопроцессорной микроэлектронике, однако ее широкое применение было затруднено переходом разработчиков микросхем к многоядерным архитектурам, что существенно изменило требования к тепловому режиму на уровне кристалла.

Недавно ученые показали, что технология CHESS TFTEC может быть использована для создания термических ощущений в системах тактильной отдачи для дополненной реальности, а также в протезах для повышения качества жизни ампутантов. Сообщаемые достижения в ZT для объемных материалов нашли лишь ограниченное применение в реальных устройствах для выработки электроэнергии, хотя до коммерческой реализации еще предстоит значительный объем работы. Ограниченное количество реализованных устройств и, как следствие, ограниченная коммерческая значимость заметно сдерживали развитие материаловедческих исследований в области термоэлектрики за последнее десятилетие, несмотря на то, что твердотельное охлаждение и, аналогично, твердотельное преобразование тепла в электричество могут оказать колоссальное влияние на повышение энергоэффективности и снижение нагрузки на окружающую среду.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают наноинженерные материалы и технологию устройств TFTEC, демонстрируя возможность твердотельного охлаждения в коммерческом масштабе, что подтверждает ценность достижений в области термоэлектрических материалов для реальных, массовых и практически значимых энергоэффективных приложений.

В частности, было показано, что модульные устройства TFTEC уже готовы для широкого применения в холодильных системах. В этом направлении, используя материалы CHESS с показателем ZT примерно на 100% выше, чем у объемных материалов при температуре около 300 K, было показано, что на системном уровне показатель ZT для охлаждения почти на 70% превосходит объемные термоэлектрические устройства в той же конфигурации при значительном тепловом отводе в условиях традиционного охлаждения. При низкой тепловой нагрузке, когда влияние паразитных потерь минимально, модули TFTEC обеспечивают четырехкратное преимущество по коэффициенту полезного действия (CoP от coefficient of performance) по сравнению с объемными устройствами. В качестве примера: на системном уровне CoP с 16-парным модулем TFTEC составляет около 15 при малых температурных перепадах в 2 °C, отводя тепловую нагрузку порядка 1.2 Вт при потреблении электрической мощности 80 мВт. Такое маломасштабное охлаждение с высоким CoP актуально для распределенных или секционированных холодильных систем, а также для будущих решений в области терморегулирования электроники.

Результаты исследования

Изображение №1

Ученые использовали контролируемые иерархически спроектированные сверхрешеточные структуры (CHESS от controlled hierarchically engineered superlattice structures), выращенные методом металлорганической химической газофазной эпитаксии (MOCVD от metal-organic chemical vapor deposition), в системе p-типа Bi₂Te₃/Sb₂Te₃ и системе n-типа Bi₂Te₃/Sb_2.7Se_0.3. Выше показана схема конкретных структур, использованных для материалов p-типа (1a) и n-типа (1b), пример данных просвечивающей электронной микроскопии (TEM от transmision electronmicroscopy) для структуры p-типа CHESS (1c), а также соответствующая высокоразрешающая рентгеновская дифракция (XRD от x-ray diffraction) для отражения (0015) и широкий 2Ɵ-ω-скан (30–70°) на вставке для той же структуры (1d). Вставка широкоугольного скана показывает только отражения вида (00l), что указывает на ориентацию по c-плоскости в эпитаксиальной пленке монокристалла. Заданная периодичность структуры CHESS ясно проявляется на высокоразрешающем скане отражения (0015), где наблюдаются несколько сателлитных отражений, соответствующих целевой структуре CHESS. На 1e показано, что высокое качество поперечного TEM-снимка сохраняется по всей толщине пленки CHESS, что подтверждается также наличием сателлитов на данных XRD (1d).

Были проведены измерения теплопроводности методом термоотражения в частотной области как для p-, так и для n-типов пленок CHESS, показавшие значительное снижение решеточной теплопроводности по сравнению с однослойными сверхрешетками, что обеспечивает лучшие характеристики. Значения показателя добротности ZT, определенные из свойств материалов, составили > 2 для CHESS p-типа и ~ 2 для CHESS n-типа, что более чем на 100% превышает показатель ZT при 300 K для объемных термоэлектрических материалов, применяемых в современных коммерческих устройствах (COTS от commercial off the shelf). Основная причина улучшения ZT у материалов CHESS связана с пониженной теплопроводностью при примерно той же электрической проводимости, что и у объемных термоэлектрических материалов. Более низкие значения теплопроводности для материалов CHESS были подтверждены как методом термоотражения во временной области (TDTR от time domain thermo reflectance), так и методом FDTR (frquency domain thermo-relectance). Данные FDTR по теплопроводности как для p-, так и для n-типов тонкопленочных материалов CHESS приближаются к среднему значению ~8 мВт/см·K. Перенос этих улучшенных свойств и значений ZT на уровне материалов в показатели ZT на уровне устройств для модулей TFTEC описан на изображении ниже.

Изображение №2

Хотя ранее сообщалось о высоких значениях ZT для материалов p- и n-типа, показатель ZT для p-n-пары и модуля на основе таких материалов был ограничен примерно 0.947 по результатам измерений методом Хармана. Этот метод основан на использовании квазистационарного состояния с последующим отключением тока для регистрации напряжения, возникающего из-за температурного градиента в адиабатических условиях. В данной работе ученые снизили удельное электрическое сопротивление проводящих дорожек и общего соединительного коллектора за счет применения более толстых медных (Cu) межсоединений (~200 мкм против 30 мкм) в сочетании с тонкопленочными материалами CHESS p- и n-типа для создания p-n-пар. Каждая p-n-пара представляет собой кристалл размером 1.2 × 1.2 × 1.0 мм и состоит из двух p-n-пар, соединенных с помощью подложки из нитрида алюминия (AlN) (2a, 2b). Пары в массиве соединялись электрически последовательно при помощи медных дорожек с золотым покрытием на подложке AlN. Каждая p-n-пара была зажата между пластинами из AlN и соединена электрически последовательно с помощью контактной металлизации полупроводников CHESS, что позволило создавать широкий диапазон модульных массивов — например, массив из 16 пар (2c, 2d) и массив из 54 пар (2e, 2f), демонстрируя возможность масштабирования до более крупных систем теплоотвода.

ZT для p-n-пары CHESS TFTEC был измерен и достиг значения 1.24 при 300 K (2a, 2b). Это почти на 65% выше типичного ZT p-n-пары объемных материалов, которое составляет около 0.75 при 300 K. Для охлаждающих приложений, в зависимости от тепловой нагрузки, необходимы многопарные модули. В этом направлении ученые создали ряд модулей TFTEC, содержащих от нескольких пар (16 пар) до 54 пар и вплоть до 80 пар. Сборка таких многопарных массивов масштабируема с использованием автоматизированных инструментов pick-and-place, широко применяемых в производстве микроэлектронных чипов. Особенно интересно, что 16-парный TFTEC-модуль обеспечивает ZT около 1.18 при 300 K (2c, 2d), что почти на 78% выше, чем у коммерчески доступного объемного модуля с ZT ~0.65 при 300 K. Следует отметить, что ZT ~1.16 при 300 K для 16-парного модуля TFTEC примерно на 23% выше, чем ZT ~0.94 для 12-парного модуля TFTEC благодаря снижению паразитных электрических сопротивлений.

По мере увеличения масштаба TFTEC-модуля для повышения теплового отведения до 54 пар (2e, 2f) ZT модуля составляет примерно 0.91, что на 53% выше, чем у многопарного COTS-модуля. Затем сборку TFTEC-модулей увеличили до 80 пар с оценочным ZT в диапазоне 0.85–0.95, что подтверждено инфракрасной визуализацией охлаждения на уровне отдельных кристаллов. При масштабировании устройств от одной пары до 16-парного модуля наблюдается некоторая вариация в контактах индия (In-bumping) между p-n-парами, что снижает ZT с 1.24 до 1.18 (2h). Аналогично, при сборке больших массивов, таких как 54-парный модуль, ZT немного снижается до 0.94. Основная причина этих вариаций связана с различиями в сопротивлении индиевых контактов при процессе 175 °C, применяемом для больших сборок кристаллов. С дальнейшим совершенствованием упаковки TFTEC-модулей ожидается сохранение высоких значений ZT в крупных модулях.

Была показана ценность TFTEC в обеспечении высокой плотности охлаждения при охлаждении горячих точек, а также преимущество сочетания высокой плотности охлаждения и более высокой скорости охлаждения для создания термических ощущений в системах тактильной отдачи и протезах. Более высокая плотность охлаждения также может быть использована для достижения различной холодильной мощности с гораздо меньшим количеством p-n-пар и ограниченным использованием материалов, за счет контроля доли упаковки охлаждающих кристаллов на единицу площади и применения соответствующего размера общего коллектора, используя концепцию High Active Flux, Low Input-Output Flux (HAF-LIOF) — «высокий активный поток при низком входно-выходном потоке».

Плотность охлаждающей мощности, достигаемая в термоэлектрическом устройстве, задается соотношением:

Где q_max — это максимальная плотность охлаждающей мощности, l — толщина термоэлектрического устройства, T_c — температура холодной стороны (источника холода в холодильной системе), α — коэффициент Зеебека, ρ — удельное сопротивление термоэлектрического материала, k — теплопроводность материала, а T_h — температура горячей стороны (теплоотвода).

Изображение №3

При примерно одинаковых значениях ρ, T_h и T_c, величина q_max в устройствах TFTEC значительно выше по сравнению с традиционными термоэлектрическими устройствами. Это различие q_max в основном обусловлено уменьшением толщины l (25 мкм в TFTEC против миллиметровой толщины в объемных устройствах) и в меньшей степени — меньшей теплопроводностью k при примерно одинаковых α и ρ, благодаря более высокому термоэлектрическому показателю качества (ZT) у материалов CHESS. Возможности разреженного массива P-N-пар для охлаждения больших площадей можно понять по ИК-снимкам, представленным выше, как на уровне отдельных P-N-пар, так и с общим коллектором. ИК-визуализация на уровне отдельных кристаллов внутри модуля TFTEC может использоваться для отслеживания улучшенного ZT, измеренного методом Хармана. Применимость концепции HAF-LIOF может быть расширена на более крупные модульные массивы, такие как 80-парные модули TFTEC и более, для обеспечения более высоких потребностей в охлаждении.

Изображение №4

Перед испытаниями TFTEC-модулей на охлаждение, а также эталонных объемных термоэлектрических модулей, ученые провели детальное моделирование теплового потока на основе конструкции, показанной выше. Чтобы оценить суммарную тепловую нагрузку термоэлектрического холодильника (Samsung, CRS25T950005W) во время работы, ученые рассчитали ее как сумму тепловых нагрузок через перепады температур на каждой стенке холодильника (4a). Тепловое сопротивление стенок холодильника моделировалось как комбинация трех последовательных тепловых сопротивлений: теплообмен естественной конвекцией от атмосферы, теплопроводность через изоляционную стенку и конвекция внутри холодильной камеры (4b). Коэффициенты конвективного теплообмена для внешней атмосферы и внутренней холодильной камеры были приняты равными h_o = 8 Вт/м²·K и h_с = 5 Вт/м²·K соответственно. Эффективная теплопроводность изоляции определялась на основе стандартных значений теплопроводности для каждого компонента, включая корпус, полиуретановую изоляцию и стекло (4c). Схематическое изображение интеграции TFTEC-модуля приведено на 4d–4f.

Испытания холодильных систем позволяют определить системный уровень ZT для объемных и TFTEC-модулей, используя подводимую мощность, необходимую для достижения определенной температуры камеры, а также коэффициент полезного действия модулей при сравнительно небольшой тепловой нагрузке, которая, таким образом, не зависит от числа термопар в модуле. Системный уровень ZT отражает качество термоэлектрической технологии при значительном тепловом перекачивании, несмотря на некоторые трудности, связанные с интеграцией TFTEC на ранней стадии развития. CoP при малых ΔT показывает потенциальные внутренние возможности модулей. Подводимая мощность к термоэлектрическому модулю легко определяется, а тепловой поток известен как из моделирования, так и из экспериментальных измерений. Характеристики охлаждения традиционного объемного TEC и ряда TFTEC-модулей приведены на изображении ниже.

Изображение №5

Для сравнения TFTEC-модулей и объемных TEC-модулей использовались одна и та же испытательная система, одинаковые процедуры интеграции и методики тестирования.

241-парный объемный TEC показал системный уровень ZT ≈ 0.62, тогда как первый 80-парный модуль продемонстрировал системный уровень ZT ≈ 0.71, что соответствует улучшению на 15%. Далее, 77-парный TFTEC-модуль, в котором были удалены три менее качественных кристалла из 80-парного модуля, показал системный уровень ZT = 1.05, то есть почти на 70% выше по сравнению с объемной технологией. Данные по охлаждению, теплу, перекачанному на одну p-n пару, и другие параметры также суммированы на изображении выше. Прослеживается хорошая корреляция между системным холодильным ZT и внутренними параметрами при малом токе / малом теплопереносе (CoP). Следует отметить, что количество тепла, перекачиваемого одной p-n парой, является сложной функцией нескольких параметров, включая температурные перепады; поэтому цель этих данных — показать внутренние преимущества технологии CHESS TFTEC.

Ранее ученые отмечали, что вариации процесса формирования индиевых контактов (In-bumping) при сборке модулей с крупными кристаллами (от 54 до 80 пар) влияют на наблюдаемый показатель ZT (2h). После изготовления TFTEC-модуля, но до его интеграции в холодильную систему (4d, 4e) для 80-парного модуля, была возможность измерить сопротивление каждой отдельной пары. В целом, менее качественные кристаллы (с более высоким электрическим сопротивлением) являются результатом недостатков процесса In-bumping при сборке TFTEC-модуля. Когда три таких менее качественных кристалла удалили и преобразовали 80-парный модуль в 77-парный, показатель ZT улучшился с примерно 0.95, а системный уровень ZT холодильной установки был измерен на уровне около 1.05, как обсуждалось выше.

Верность подхода по определению системного уровня ZT и ключевых параметров устройства на основе данных по охлаждению была проверена на двух аналогичных объемных модулях в двух разных конфигурациях холодильной установки, используя один и тот же холодильник, что подразумевает схожие тепловые нагрузки. Были получены схожие коэффициенты (для квадратного и линейного членов зависимости ΔT от I на 5a) и, следовательно, аналогичный системный уровень ZT.

TFTEC-модули интегрированы глубоко в холодильную систему, как показано на 4d, для обеспечения охлаждения, при этом основное внимание уделялось измерению разницы температур между окружающей средой и внутренней частью холодильной камеры. Поскольку TFTEC-модули перекачивают тепло из холодильной камеры, любое измерение температуры на двух концах модуля будет проводиться под нагрузкой. Однако в более ранней публикации, в рамках расширенных данных (4a), ученые измеряли охлаждение CHESS TFTEC до ~69 K при отсутствии тепловой нагрузки. TFTEC-модули CHESS, предназначенные для охлаждения в данном исследовании, спроектированы для работы с более высоким током и большей тепловой нагрузкой. Кроме того, значительный внутренний перепад температур в TFTEC позволяет компенсировать паразитные тепловые потери через теплообменники горячей и холодной сторон, термические интерфейсы и при этом достигать эффективного охлаждения внутри камеры.

Далее ученые провели анализ 4 × 4 TFTEC-модуля с Harman ZT = 1.16 в режиме охлаждения. Ученые отмечают, что системный CoP для 16-парного TFTEC-модуля составляет примерно 15 при небольшом перепаде температур 1.3 °C, перекачивая около 1.2 Вт тепловой нагрузки при 80 мВт электрической мощности, с большей тепловой нагрузкой на одну P-N пару. Это имеет значение для портативного и распределенного охлаждения.

В 4 × 4 массивах TFTEC с ZT модуля 1.16 наблюдался CoP при малом токе/малой нагрузке на 300% выше, чем у объемного модуля (т.е. CoP ≈ 25.7 против 5.9). Общая зависимость CoP (при условиях малой теплопередачи из холодильных испытаний) от измеренного ZT модуля согласуется с тем, что повышенный ZT в TFTEC напрямую приводит к высокому CoP, который достигается при малой тепловой нагрузке благодаря меньшему влиянию теплообменников и числа термопар.

Наблюдалось, что наноструктурированные материалы CHESS позволяют сохранять высокий ZT на значительном температурном диапазоне. Незначительное улучшение Z в зависимости от температуры проявляется в наблюдаемом увеличении CoP при снижении температуры окружающей среды с ~29.3 °C до ~23.1 °C для нескольких случаев перекачки тепла в реальной холодильной системе с TFTEC-модулями. Эти результаты также указывают на переносимость улучшенных свойств материалов CHESS на реальные результаты холодильного охлаждения.

Поскольку 77-парный TFTEC-модуль продемонстрировал более высокий системный уровень ZT по сравнению с технологией стандартных объемных TEC (COTS), ученые провели непрерывное 24-часовое испытание в рабочих условиях при постоянном токе 3 А. 16-парный модуль тестировался примерно 100 часов. Стабильность работы при повышенных токах объясняется устройственно-уровневыми электрическими контактами. Кроме того, увеличенный снимок кристаллической поперечной структуры показывает наличие ковалентных связей в плоскости и зазоров типа Ван-дер-Ваальса в поперечном сечении. Таким образом, возможная диффузия Au предотвращается наличием как Ni-барьера против диффузии, так и прочной ковалентной сети в плоскости пленки рядом с электрическими контактами.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о значительном прогрессе в области термоэлектрического охлаждения, достигнутом благодаря использованию наноинженерных тонкопленочных материалов. В частности, они продемонстрировали, что TFTEC-модули (тонкопленочные термоэлектрические устройства) обеспечивают на 70% более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с традиционными объемными модулями, при этом требуя в 1000 раз меньше активного материала. Это открывает новые горизонты для применения термоэлектрического охлаждения в компактных и портативных устройствах, таких как медицинское оборудование, бытовая техника и системы охлаждения электроники.

Ключевым достижением является использование материалов с улучшенным термоэлектрическим качеством (ZT), что позволяет модулям TFTEC обеспечивать более эффективное охлаждение при меньших размерах и меньшем энергопотреблении. Кроме того, благодаря использованию стандартных полупроводниковых технологий, таких как литографический и микроэлектронный методы, стало возможным массовое производство этих устройств, что снижает их стоимость и облегчает интеграцию в различные системы.

Проведенные испытания показали, что TFTEC-модули сохраняют стабильную работу при длительных нагрузках, выдерживая вибрационные и ударные испытания, что подтверждает их надежность и пригодность для использования в различных условиях, включая космические технологии. Это открывает перспективы для их применения в ряде областей, где требуется высокоэффективное и компактное охлаждение.

Данный труд представляет собой важный шаг в развитии термоэлектрического охлаждения, предлагая решения, которые могут значительно улучшить эффективность и надежность охлаждения в различных областях, от бытовой техники до высокотехнологичных приложений.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?