Un sistema de enfriamiento avanzado para computadoras y baterías

• Los investigadores demuestran un nuevo sistema de enfriamiento con 2 tipos diferentes de materiales termoeléctricos.
• Acelera el calor de manera más eficiente en su dirección natural:desde un objeto caliente hasta un entorno relativamente frío.

A medida que los chips de computadora, láseres, baterías y componentes electrónicos de alta potencia evolucionan hacia un diseño más compacto con densidades de potencia más altas, requieren una tecnología de gestión térmica más sofisticada. Estos dispositivos utilizan enfriamiento termoeléctrico para eliminar el calor de los objetos calientes.

A diferencia de los problemas termodinámicos, estos llamados enfriadores Peltier están optimizados para mantener frío un objeto frío. La mayoría de los refrigeradores Peltier comerciales son elementos de refrigeración portátiles, como refrigeradores de camping o refrigeradores de bebidas. Funcionan extrayendo calor de un área fría a otra caliente (naturalmente, el calor pasa de lo caliente a lo frío).

Sin embargo, en el mecanismo de "enfriamiento activo", el flujo de calor natural se acelera desde un objeto caliente a una región relativamente fría. En este caso, el objetivo es maximizar el calor drenado del depósito caliente mientras se minimiza la caída de temperatura.

Recientemente, físicos de la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Virginia idearon un nuevo principio de diseño para instrumentos termoeléctricos que está sintonizado para aplicaciones informáticas y de batería. Demostraron un sistema de enfriamiento con 2 tipos diferentes de materiales termoeléctricos.

¿Cómo lo hicieron?

Para diseñar dispositivos de refrigeración termoeléctricos eficaces, el equipo de investigación seleccionó el material basándose en una figura de mérito denominada zT , que se utiliza para determinar el rendimiento de los módulos termoeléctricos, incluidos los módulos de refrigeración.

Referencia:APS Physics | DOI:10.1103 / PhysRevApplied.11.054008

El material que transporta mucho calor (debido a las corrientes eléctricas) tendría un zT alto . Estos materiales suelen tener una conductividad térmica baja, por lo que no permiten que el calor fluya de regreso a través del equipo hacia el objeto frío. Sin embargo, el calor se disipa naturalmente cuando el objeto está caliente.

Considere una condición de enfriamiento normal en la que un objeto caliente está conectado a un equipo termoeléctrico encerrado por un depósito relativamente frío. Cuando se aplica voltaje, los electrones y los huecos (portadores de carga que transportan calor) fluyen desde la región caliente a la región fría.

Diferencia entre enfriamiento activo y refrigeración | Cortesía de investigadores

Para hacer que el enfriamiento sea más eficiente, el equipo desarrolló una nueva figura de mérito llamada conductividad térmica efectiva. Representa la suma de la conductividad térmica activa (se enciende cuando se aplica el voltaje) y la conductividad térmica pasiva (normal).

Utilizaron dos tipos de materiales con grandes conductividades térmicas efectivas:

1. Metales de arrastre magnón (cobalto), en los que los electrones interactúan con magnones y transportan algo de calor adicional.
2. Metales de efecto Kondo (cerio-paladio), en los que los electrones interactúan fuertemente entre sí, aumentando el calor asociado con cada electrón conductor (hueco).

Los investigadores utilizaron estos materiales para construir un enfriador Peltier y lo colocaron entre depósitos fríos y calientes. Luego probaron el dispositivo en modo pasivo y activo.

Cuando se aplicó una corriente de 5 amperios, el dispositivo drenó casi 0,1 vatios más de calor del depósito caliente que con corriente cero. Según la diferencia de temperatura, el modo activo registró 1000 vatios / metro-kelvin, mientras que el modo pasivo alcanzó los 40 vatios / metro-kelvin.

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Este tipo de refrigeradores de modo dual podrían ser beneficiosos para los procesadores. Podría funcionar en modo pasivo cuando el número de procesos informáticos es menor y cambiar al modo activo cuando el uso de la CPU es alto.