컴퓨터 및 배터리용 고급 냉각 시스템

• 연구원들이 2가지 종류의 열전 재료를 사용한 새로운 냉각 시스템을 시연하고 있습니다.
• 뜨거운 물체에서 비교적 시원한 환경으로 자연적인 방향으로 더 효율적으로 열을 가속합니다.

컴퓨터 칩, 레이저, 배터리 및 고전력 전자 장치가 더 높은 전력 밀도와 더 컴팩트한 디자인으로 발전함에 따라 더 정교한 열 관리 기술이 필요합니다. 이 장치는 열전 냉각을 사용하여 뜨거운 물체에서 열을 제거합니다.

열역학 문제와 달리 이러한 소위 펠티에 냉각기는 차가운 물체를 차갑게 유지하는 데 최적화되어 있습니다. 대부분의 상업용 Peltier 냉각기는 캠핑 냉장고 또는 음료 냉각기와 같은 휴대용 냉각 요소입니다. 그들은 추운 지역에서 뜨거운 지역으로 열을 끌어내는 방식으로 작동합니다(자연적으로 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동합니다).

그러나 '능동 냉각' 메커니즘에서는 자연 열 흐름이 뜨거운 물체에서 상대적으로 시원한 영역으로 가속됩니다. 이 경우 목표는 온도 강하를 최소화하면서 뜨거운 저장소에서 배출되는 열을 최대화하는 것입니다.

최근 Ohio State University와 University of Virginia의 물리학자들은 배터리 및 컴퓨터 응용 분야에 맞게 조정된 열전 기기에 대한 새로운 설계 원칙을 제시했습니다. 그들은 2가지 다른 종류의 열전 재료로 냉각 시스템을 시연했습니다.

그들은 어떻게 했습니까?

효과적인 열전 냉각 장치를 설계하기 위해 연구팀은 zT라는 성능 지수를 기반으로 재료를 선택했습니다. , 냉각 모듈을 포함한 열전 모듈의 성능을 결정하는 데 사용됩니다.

참조:APS 물리학 | DOI:10.1103/PhysRevApplied.11.054008

전류로 인해 많은 열을 전달하는 재료는 zT가 높습니다. . 이러한 재료는 일반적으로 열전도율이 낮기 때문에 열이 장비를 통해 차가운 ​​물체로 역류하는 것을 허용하지 않습니다. 그러나 물체가 뜨거울 때 열은 자연스럽게 발산됩니다.

상대적으로 차가운 저장소로 둘러싸인 열전 장비에 뜨거운 물체가 부착되어 있는 일반적인 냉각 조건을 고려하십시오. 전압이 인가되면 전자와 정공(열을 운반하는 전하 캐리어)이 뜨거운 영역에서 차가운 영역으로 흐릅니다.

능동 냉각과 냉각의 차이점 | 연구원 제공

냉각을 보다 효율적으로 만들기 위해 팀은 유효 열전도율이라는 새로운 성능 지수를 개발했습니다. 능동 열전도율(전압이 인가되면 켜짐)과 수동(정상) 열전도율의 합을 나타냅니다.

유효 열전도율이 큰 두 종류의 재료를 사용했습니다.

연구원은 이러한 재료를 사용하여 펠티에 냉각기를 구성하고 냉각 저장고와 고온 저장고 사이에 배치했습니다. 그런 다음 수동 및 능동 모드에서 장치를 테스트했습니다.

5암페어 전류가 인가되었을 때, 이 장치는 0 전류에서 했던 것보다 뜨거운 저장소에서 거의 0.1와트 더 많은 열을 배출했습니다. 온도차를 기준으로 능동 모드는 1000watts/meter-kelvin, 패시브 모드는 40watts/meter-kelvin을 기록했습니다.

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이러한 종류의 듀얼 모드 쿨러는 프로세서에 유용할 수 있습니다. 컴퓨팅 프로세스 수가 적으면 패시브 모드로 작동하고 CPU 사용량이 많으면 활성 모드로 전환할 수 있습니다.