นักวิจัยจาก Johns Hopkins Applied Physics Laboratory ได้ก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญในเทคโนโลยีระบายความร้อนแบบเทอร์โมอิเล็กทริก โดยบรรลุการปรับปรุงประสิทธิภาพเกือบ 100% เมื่อเทียบกับวัสดุแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม ชุมชนเทคโนโลยียังคงแบ่งความเห็นเกี่ยวกับการที่ความก้าวหน้าเหล่านี้จะสามารถท้าทายระบบระบายความร้อนแบบกลไกที่ครองตลาดในปัจจุบันได้จริงหรือไม่
การพัฒนาครั้งนี้มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่วัสดุฟิล์มบาง CHESS (Cascade Heterostructure for Electronic and Thermal Suppression) ซึ่งมีขนาดเล็กมาก - ประมาณขนาดเม็ดทรายต่อหน่วยระบายความร้อนหนึ่งหน่วย การย่อขนาดนี้ทำให้เทคโนโลยีสามารถผลิตได้โดยใช้เครื่องมือการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ ซึ่งอาจทำให้มีต้นทุนที่เหมาะสมสำหรับการผลิตจำนวนมาก
คุณสมบัติด้านการผลิตและความสามารถในการขยายขนาด
- วิธีการผลิต: การสะสมไอระเหยทางเคมีของโลหะ-อินทรีย์ (MOCVD)
- ขนาดของวัสดุ: มีขนาดเท่าเม็ดทราย (0.003 ลูกบาศก์เซนติเมตรต่อหน่วย)
- ความเข้ากันได้ในการผลิต: ใช้เครื่องมือการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่
- กระบวนการที่มีมาตรฐาน: วิธีการเดียวกับที่ใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ดาวเทียมและ LED เชิงพาณิชย์
- ความสามารถในการขยายขนาด: ออกแบบมาสำหรับการผลิตจำนวนมากโดยใช้โครงสร้างพื้นฐานอุตสาหกรรมปัจจุบัน
การเพิ่มประสิทธิภาพแสดงให้เห็นความหวังสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน
เทคโนโลยีใหม่นี้แสดงให้เห็นการปรับปรุงประสิทธิภาพที่น่าประทับใจ โดยมีค่า coefficient of performance (COP) อยู่ในช่วง 1.3 ถึง 6.8 ขึ้นอยู่กับสภาวะการโหลดความร้อน ซึ่งทำให้อยู่ในระดับเดียวกันกับตู้เย็นในครัวเรือนที่โดยทั่วไปจะบรรลุค่า COP ที่ 2-4 การวิจัยแสดงให้เห็นความแข็งแกร่งเป็นพิเศษในการใช้งานที่มีความร้อนต่ำ โดยบรรลุ COP ประมาณ 15 สำหรับความแตกต่างของอุณหภูมิเพียง 2°C
การสนทนาในชุมชนเผยให้เห็นว่าเครื่องระบายความร้อนแบบเทอร์โมอิเล็กทริกแบบดั้งเดิม ที่เรียกว่าอิเล็กเมนต์ Peltier ถูกมองข้ามมานานเนื่องจากประสิทธิภาพที่แย่ - มักถูกอ้างถึงที่ประมาณ 5% อย่างไรก็ตาม ผู้เชี่ยวชาญชี้ให้เห็นว่าชื่อเสียงนี้อาจไม่ยุติธรรม เนื่องจากประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับสภาวะการทำงานอย่างมาก เมื่อจัดการอย่างเหมาะสมด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิและระดับกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสม อุปกรณ์ Peltier ที่มีอยู่สามารถบรรลุค่า COP เหนือ 2.0 ได้
COP (Coefficient of Performance): การวัดประสิทธิภาพการระบายความร้อน แสดงถึงอัตราส่วนของความร้อนที่ถูกกำจัดต่อพลังงานไฟฟ้าที่ใช้
การเปรียบเทียบประสิทธิภาพเทคโนโลยี CHESS
| ตัวชี้วัด | เทอร์โมอิเล็กทริกแบบดั้งเดิม | เทคโนโลยี CHESS | ตู้เย็นในครัวเรือน |
|---|---|---|---|
| ช่วงค่า COP | 1.2 - 3.0 | 1.3 - 6.8 | 2.0 - 4.0 |
| ปริมาตรวัสดุ | หลายลูกบาศก์เซนติเมตร | 0.003 ลูกบาศก์เซนติเมตร | ไม่มีข้อมูล |
| ความแตกต่างของอุณหภูมิ | แปรผัน | 1.3°C - 2°C เหมาะสมที่สุด | 20°C+ |
| การปรับปรุงประสิทธิภาพ | พื้นฐาน | ~70% ระดับระบบ | ไม่มีข้อมูล |
ข้อจำกัดในการขยายขนาดยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญ
แม้จะมีการปรับปรุงประสิทธิภาพ แต่ความท้าทายที่สำคัญยังคงอยู่สำหรับการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย เทคโนโลยีในปัจจุบันทำงานได้ดีที่สุดกับความแตกต่างของอุณหภูมิที่เล็กมาก - เอกสารงานวิจัยกล่าวถึงความแตกต่างเพียง 1.3°C ถึง 2°C ข้อจำกัดนี้ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่ต้องการการลดอุณหภูมิมาก เช่น การแช่แข็งอาหารจากอุณหภูมิห้องไปยัง -18°C
ฟิสิกส์พื้นฐานของการระบายความร้อนแบบเทอร์โมอิเล็กทริกยังนำเสนอความท้าทายอย่างต่อเนื่อง ซึ่งแตกต่างจากระบบระบายความร้อนแบบกลไกที่ส่วนประกอบร้อนและเย็นถูกแยกออกจากกันด้วยท่อบาง อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกมีด้านร้อนและเย็นที่อยู่ใกล้กันมาก ความใกล้ชิดนี้ทำให้เกิดการรั่วไหลของความร้อน ซึ่งความร้อนจะไหลกลับจากด้านร้อนไปยังด้านเย็นทันที ทำลายผลการระบายความร้อน
การระบายความร้อนแบบเทอร์โมอิเล็กทริกต้องการการวิจัยให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การระบายความร้อนแบบกลไกใช้พื้นที่มากเป็นพิเศษ CHESS มีศักยภาพในช่วงสิบปีข้างหน้าที่จะแทนที่การอัดไอน้ำในระบบส่วนใหญ่ ยกเว้นระบบที่มีการไล่ระดับหรือขนาดที่รุนแรงที่สุด
การใช้งานเฉพาะด้านอาจเป็นแรงผลักดันสำหรับการนำไปใช้ในช่วงแรก
เทคโนโลยีนี้ดูมีแนวโน้มดีที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะทางมากกว่าการระบายความร้อนทั่วไป เครื่องระบายความร้อนแบบเทอร์โมอิเล็กทริกในปัจจุบันถูกใช้ในกล้องอินฟราเรด ตู้แช่ไวน์ และตู้เย็นพกพาขนาดเล็กแล้ว การปรับปรุงประสิทธิภาพอาจขยายการใช้งานเหล่านี้อย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะในการระบายความร้อนอิเล็กทรอนิกส์ที่ข้อจำกัดด้านพื้นที่ทำให้ระบบกลไกไม่สามารถใช้งานได้
Samsung ได้รวมอิเล็กเมนต์เทอร์โมอิเล็กทริกเข้าไปในระบบตู้เย็นแบบไฮบริดแล้ว โดยใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมด้วยการอนุญาตให้คอมเพรสเซอร์ทำงานในโหมดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น วิธีการแบบไฮบริดนี้อาจแสดงถึงเส้นทางที่สมจริงมากกว่าการแทนที่ระบบกลไกอย่างสมบูรณ์
ข้อได้เปรียบด้านการผลิตก็ไม่สามารถมองข้ามได้เช่นกัน การใช้ metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) ซึ่งเป็นกระบวนการเดียวกันที่ใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูงและไฟ LED เทคโนโลยีนี้ใช้ประโยชน์จากโครงสร้างพื้นฐานอุตสาหกรรมที่มีอยู่สำหรับการขยายขนาดที่เป็นไปได้
การตรวจสอบความเป็นจริงของตลาด
แม้ว่าการปรับปรุงประสิทธิภาพ 70% จะแสดงถึงความก้าวหน้าที่แท้จริง แต่เทคโนโลยีนี้ยังคงเผชิญอุปสรรคสำคัญก่อนที่จะท้าทายระบบระบายความร้อนแบบดั้งเดิม ปั๊มความร้อนและระบบทำความเย็นแบบกลไกยังคงมีประสิทธิภาพสูงกว่าทางเลือกแบบเทอร์โมอิเล็กทริก 10-100 เท่าสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ความต้องการพลังงานสำหรับการแทนที่ระบบระบายความร้อนขนาดใหญ่จะมีมหาศาล - อาจต้องการการปฏิเสธความร้อน 50-100 กิโลวัตต์เพื่อให้เทียบเท่ากับหน่วยควบแน่น 5 ตัน
การวิจัยนี้แสดงถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีระบายความร้อนแบบโซลิดสเตต แต่เส้นทางสู่การนำไปใช้อย่างแพร่หลายน่าจะเกี่ยวข้องกับการใช้งานเป็นเป้าหมายที่ข้อได้เปรียบเฉพาะของการระบายความร้อนแบบเทอร์โมอิเล็กทริก - ขนาดเล็ก ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว และการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ - มีน้ำหนักมากกว่าข้อเสียด้านประสิทธิภาพ เมื่อเทคโนโลยีนี้ยังคงปรับปรุงต่อไป อาจพบที่ของมันควบคู่ไปกับระบบระบายความร้อนแบบกลไกมากกว่าการแทนที่
อ้างอิง: Nano-engineered Thermoelectrics Enable Scalable, Compressor-Free Cooling