Um sistema de resfriamento avançado para computadores e baterias

• Pesquisadores demonstram um novo sistema de resfriamento com 2 tipos diferentes de materiais termoelétricos.
• Ele acelera o calor com mais eficiência em sua direção natural - de um objeto quente para um ambiente relativamente frio.

Conforme os chips de computador, lasers, baterias e eletrônicos de alta potência evoluem para um design mais compacto com densidades de potência mais altas, eles exigem uma tecnologia de gerenciamento térmico mais sofisticada. Esses dispositivos usam resfriamento termoelétrico para remover o calor de objetos quentes.

Ao contrário dos problemas de termodinâmica, esses chamados resfriadores Peltier são otimizados para manter um objeto frio resfriado. A maioria dos refrigeradores Peltier comerciais são elementos de refrigeração portáteis, como geladeiras de camping ou refrigeradores de bebidas. Eles trabalham extraindo calor da área fria para a área quente (naturalmente o calor passa do quente para o frio).

No entanto, no mecanismo de 'resfriamento ativo', o fluxo de calor natural é acelerado de um objeto quente para uma região relativamente fria. Neste caso, o objetivo é maximizar o calor drenado do reservatório quente, minimizando a queda de temperatura.

Recentemente, físicos da Ohio State University e da University of Virginia criaram um novo princípio de design para instrumentos termelétricos que é ajustado para baterias e aplicações de computador. Eles demonstraram um sistema de resfriamento com 2 tipos diferentes de materiais termoelétricos.

Como eles fizeram isso?

Para projetar dispositivos de resfriamento termoelétricos eficazes, a equipe de pesquisa selecionou o material com base em uma figura de mérito chamada zT , que é usado para determinar o desempenho de módulos termelétricos, incluindo módulos de refrigeração.

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

Material que carrega muito calor (devido a correntes elétricas) teria um alto zT . Esses materiais normalmente têm baixa condutividade térmica, portanto, não permitem que o calor flua de volta através do equipamento para o objeto frio. No entanto, o calor se dissipa naturalmente quando o objeto está quente.

Considere uma condição de resfriamento normal, onde um objeto quente é conectado a um equipamento termoelétrico fechado por um reservatório relativamente frio. Quando a tensão é aplicada, elétrons e lacunas (portadores de carga que transportam calor) fluem da região quente para a região fria.

Diferença entre resfriamento ativo e refrigeração | Cortesia de pesquisadores

Para tornar o resfriamento mais eficiente, a equipe desenvolveu uma nova figura de mérito chamada condutividade térmica efetiva. Representa a soma da condutividade térmica ativa (liga quando a tensão é aplicada) e a condutividade térmica passiva (normal).

Eles usaram dois tipos de materiais com grandes condutividades térmicas eficazes -

1. Metais magnon-drag (cobalto), nos quais os elétrons interagem com os magnons e carregam um pouco de calor extra.
2. Metais de efeito Kondo (cério-paládio), nos quais os elétrons interagem fortemente entre si, aumentando o calor associado a cada elétron condutor (buraco).

Os pesquisadores usaram esses materiais para construir um refrigerador Peltier e o colocaram entre reservatórios de água fria e quente. Eles então testaram o dispositivo no modo passivo e ativo.

Quando a corrente de 5 amperes foi aplicada, o dispositivo drenou quase 0,1 watts a mais de calor do reservatório quente do que com corrente zero. Com base na diferença de temperatura, o modo ativo registrou 1000 watts / metro-kelvin, enquanto o modo passivo atingiu 40 watts / metro-kelvin.

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Esses tipos de resfriadores de modo duplo podem ser benéficos para os processadores. Ele pode funcionar no modo passivo quando o número de processos de computação for menor e alternar para o modo ativo quando o uso da CPU for alto.