Lämpösähköelementin käyttö elektroniikan jäähdytyksessä

Abstract

Teknologian ja valmistusmenetelmien kehittymisen ansiosta elektroniikkalaitteista on ollut mahdollista rakentaa tehokkaampia ja pienempiä. Laitteiden kuluttama sähköteho muuttuu lämmöksi, joten elektroniikkalaitteissa syntyvät lämpövirrantiheydet kasvavat, kun laitteet kehittyvät. Elektroniikkalaitteiden lämpökuormat heikentävät laitteiden suorituskykyä, minkä takia tehokkaiden jäähdytysjärjestelmien kehittäminen on tärkeää. Tässä työssä on tavoitteena tutkia kirjallisuudesta, miten lämpösähköelementti toimii, miten lämpösähköelementtejä voidaan hyödyntää elektroniikan jäähdytyksessä ja miten lämpösähköelementtijäähdytyksen tehokkuutta voidaan parantaa.

Työssä selitetään lämpösähköelementin toiminnan perusteena olevat fysikaaliset ilmiöt ja esitetään niitä kuvaavat yhtälöt. Yhtälöiden ja teorian avulla tutkitaan, miten lämpösähköelementin tehokerrointa ja jäähdytystehoa voidaan mallintaa ja miten lämpösähkömateriaalien ominaisuudet vaikuttavat niihin. Lämpösähkömateriaalin laatuluku Z kertoo materiaalin lämpösähköisestä tehokkuudesta ja sen avulla voidaan selvittää materiaalista valmistetun elementin tehokerroin, kun toimintalämpötilat tunnetaan. Työssä tarkastellaan myös lämpösähköelementtiä osana jäähdytysjärjestelmää, sekä sitä, mitkä asiat vaikuttavat lämpösähköelementin jäähdytystehoon ja tehokertoimeen. Lämpönielun lämmönsiirtotehokkuutta parantamalla voidaan nostaa lämpösähköelementin tehokerrointa. Lämpönieluna toimivan rivaston korvaaminen suljettuun fluidin kiertoon perustuvalla lämmönsiirtimellä parantaa jäähdytyksen tehokerrointa kyseisessä tapauksessa arvosta 0,4 arvoon 0,8.

Lämpösähköelementti koostuu p- ja n-tyypin puolijohteista, jotka on kytketty sähköisesti sarjaan ja termisesti rinnan, jolloin sähkövirta aiheuttaa puolijohteiden liitoksissa lämpenemistä ja jäähtymistä Peltierin ilmiön seurauksena. Kaskadikytkennän eli elementtien termisen sarjaankytkennän avulla on mahdollista jäähdyttää kohde ympäristön lämpötilan alapuolelle. Lämpösähköelementin jäähdytyksen tehokerrointa saadaan parannettua kehittämällä materiaaleja, joilla on korkeampi laatuluku. Lämpösähkömateriaalien ominaisuuksissa painottuvat materiaalin Seebeckin kerroin, resistiivisyys ja lämmönjohtumisvastus. Seebeckin kertoimen itseisarvoa ja lämmönjohtumisvastusta pyritään lisäämään samalla, kun resistiivisyyttä pyritään pienentämään parempia lämpösähkömateriaaleja kehitettäessä. Tulevaisuudessa lämpösähkömateriaalien kehitys suuntautuu ohutkalvotekniikkaan, mikä mahdollistaa materiaalien helpomman seostamisen. Ohutkalvomateriaalien valmistustekniikoita tutkitaan ja pyritään löytämään yksinkertaisia ja skaalautuvia menetelmiä kalvojen valmistamiseen.

Lämpösähköelementtejä käytetään tietokoneen prosessorien, valoherkkien kennojen, sensorien ja optiikan laitteiden, kuten tehokkaiden laserlaitteiden jäähdytyksessä. Lämpösähköelementeillä on mahdollista muuttaa komponenttien hukkalämpöä sähköksi ja käyttää sitä jäähdytykseen. Tulevaisuudessa lämpösähkömateriaalitutkimuksen avulla kehitetään korkeamman laatuluvun materiaaleja, joiden avulla elementtien tehokerrointa on mahdollista kasvattaa.