ナノエンジニアリングによる熱電効果でコンプレッサー不要のスケーラブルな冷却技術を実現 (Nano-engineered Thermoelectrics Enable Scalable, Compressor-Free Cooling)

2025-05-21 アメリカ合衆国・ジョンズ・ホプキンズ大学

ジョンズ・ホプキンズ大学APLの研究チームは、ナノ構造を持つ薄膜熱電材料(CHESS:Controlled Hierarchically Engineered Superlattice Structures)を用いた、新しい固体冷却技術を開発しました。これは従来のバルク熱電材料の約2倍の効率を実現し、従来の圧縮機を使わない冷却(コンプレッサー不要)技術として実用可能なレベルに到達しています。ナノ構造制御により熱ポンピング性能を大幅に向上させ、小型・大量生産が可能な薄膜モジュールを実現しました。その結果、モジュールレベルで約75%効率が向上し、システム全体では70%の性能改善が確認されています。また、材料使用量は従来の1/1000以下であり、半導体製造装置で大量生産できる点も大きな強みです。Samsung Researchとの実証試験も含め、Nature Communications に掲載されたこの成果は、冷蔵・冷凍システムだけでなく、HVAC、エネルギー回収、医療冷却、電子機器の熱管理など幅広い応用が期待されます。

<関連情報>

ナノエンジニアリングされた薄膜熱電材料は実用的な固体状態冷凍を可能にする Nano-engineered thin-film thermoelectric materials enable practical solid-state refrigeration

Jake Ballard,Matthew Hubbard,Sung-Jin Jung,Vanessa Rojas,Richard Ung,Junwoo Suh,MinSoo Kim,Joonhyun Lee,Jonathan M. Pierce & Rama Venkatasubramanian
Nature Communications  Published:21 May 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-59698-y

ナノエンジニアリングによる熱電効果でコンプレッサー不要のスケーラブルな冷却技術を実現 (Nano-engineered Thermoelectrics Enable Scalable, Compressor-Free Cooling)

Abstract

Refrigeration needs are increasing worldwide with a demand for alternates to bulky poorly scalable vapor compression systems. Here, we demonstrate the first proof of practical solid-state refrigeration, using nano-engineered controlled hierarchically engineered superlattice thin-film thermoelectric materials. With 100%-better thermoelectric materials figure of merit, ZT, than the conventional bulk materials near 300 K, we demonstrate (i) module-level ZT greater than 75% and (ii) a system-level refrigeration ZT 70% better than that of bulk devices. Thin-film thermoelectric modules offer 100–300% better coefficient-of-performance than bulk devices depending on operational scenarios; system-level coefficient-of-performance is ~15 for temperature differentials of 1.3 °C. The thin-film devices enable more heat pumping per P-N couple, relevant for distributed and portable refrigeration, and electronics cooling. Beyond the demonstration of nano-engineered materials for a system-level advantage, we utilize 1/1000th active materials with scalable microelectronic manufacturing. The improved efficiency and ultra-low thermoelectric materials usage herald a new beginning in solid-state refrigeration.

0403電子応用
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