Termoelektrična rashladna jedinica, Peltier hladnjak (također poznat kao termoelektrične komponente za hlađenje) su uređaji za hlađenje u čvrstom stanju temeljeni na Peltierovom efektu. Imaju prednosti kao što su nedostatak mehaničkog kretanja, nedostatak rashladnog sredstva, mala veličina, brz odziv i precizna kontrola temperature. Posljednjih godina njihova primjena u potrošačkoj elektronici, medicinskoj skrbi, automobilima i drugim područjima nastavila se širiti.
I. Osnovni principi termoelektričnog sustava hlađenja i komponenti
Jezgra termoelektričnog hlađenja je Peltierov efekt: kada dva različita poluvodička materijala (P-tip i N-tip) tvore termoelementni par i primijeni se istosmjerna struja, jedan kraj termoelementnog para apsorbirat će toplinu (kraj za hlađenje), a drugi kraj će otpuštati toplinu (kraj za odvođenje topline). Promjenom smjera struje, kraj za hlađenje i kraj za odvođenje topline mogu se zamijeniti.
Njegove performanse hlađenja uglavnom ovise o tri glavna parametra:
Termoelektrični koeficijent vrijednosti (ZT vrijednost): To je ključni pokazatelj za procjenu performansi termoelektričnih materijala. Što je veća ZT vrijednost, veća je učinkovitost hlađenja.
Temperaturna razlika između vrućeg i hladnog kraja: Učinak odvođenja topline na kraju odvođenja topline izravno određuje kapacitet hlađenja na kraju hlađenja. Ako odvođenje topline nije glatko, temperaturna razlika između vrućeg i hladnog kraja će se smanjiti, a učinkovitost hlađenja će naglo pasti.
Radna struja: Unutar nazivnog raspona, povećanje struje povećava kapacitet hlađenja. Međutim, nakon što se prijeđe prag, učinkovitost će se smanjiti zbog povećanja Jouleove topline.
II. Povijest razvoja i tehnološki prodori termoelektričnih rashladnih jedinica (Peltierov sustav hlađenja)
Posljednjih godina razvoj termoelektričnih komponenti za hlađenje usredotočio se na dva glavna smjera: inovacije materijala i strukturnu optimizaciju.
Istraživanje i razvoj visokoučinkovitih termoelektričnih materijala
ZT vrijednost tradicionalnih materijala na bazi Bi₂Te₃ povećana je na 1,2-1,5 dopiranjem (kao što su Sb, Se) i nanoskalnom obradom.
Novi materijali poput olovnog telurida (PbTe) i silicij-germanijeve legure (SiGe) iznimno dobro se ponašaju u scenarijima srednjih i visokih temperatura (200 do 500 ℃).
Očekuje se da će novi materijali poput organsko-anorganskih kompozitnih termoelektričnih materijala i topoloških izolatora dodatno smanjiti troškove i poboljšati učinkovitost.
Optimizacija strukture komponenti
Miniaturizacijski dizajn: Pripremite termoelemente mikronske veličine pomoću MEMS (mikro-elektromehanički sustavi) tehnologije kako biste zadovoljili zahtjeve miniaturizacije potrošačke elektronike.
Modularna integracija: Spojite više termoelektričnih jedinica serijski ili paralelno kako biste formirali visokosnažne termoelektrične module za hlađenje, Peltierove hladnjake, Peltierove uređaje, zadovoljavajući industrijske zahtjeve termoelektričnog hlađenja.
Integrirana struktura za odvođenje topline: Integrirajte rebra za hlađenje s rebrima za odvođenje topline i toplinskim cijevima kako biste poboljšali učinkovitost odvođenja topline i smanjili ukupni volumen.
III Tipični scenariji primjene termoelektričnih rashladnih jedinica, termoelektričnih rashladnih komponenti
Najveća prednost termoelektričnih rashladnih jedinica leži u njihovoj čvrstoj prirodi, tihom radu i preciznoj kontroli temperature. Stoga zauzimaju nezamjenjivo mjesto u scenarijima gdje kompresori nisu prikladni za hlađenje.
U području potrošačke elektronike
Odvođenje topline s mobilnih telefona: Vrhunski telefoni za igranje opremljeni su mikro termoelektričnim modulima za hlađenje, TEC modulima, Peltierovim uređajima, Peltierovim modulima, koji u kombinaciji s tekućim sustavima hlađenja mogu brzo sniziti temperaturu čipa, sprječavajući smanjenje frekvencije zbog pregrijavanja tijekom igranja.
Auto hladnjaci, Auto hladnjaci: Mali automobilski hladnjaci uglavnom koriste termoelektričnu tehnologiju hlađenja koja kombinira funkcije hlađenja i grijanja (grijanje se može postići promjenom smjera struje). Male su veličine, troše malo energije i kompatibilni su s 12V napajanjem automobila.
Šalica za hlađenje pića/izolirana šalica: Prijenosna šalica za hlađenje opremljena je ugrađenom mikropločom za hlađenje koja može brzo ohladiti pića na 5 do 15 stupnjeva Celzija bez oslanjanja na hladnjak.
2. Medicinska i biološka područja
Oprema za preciznu kontrolu temperature: poput PCR instrumenata (instrumenata za lančanu reakciju polimeraze) i hladnjaka za krv, zahtijeva stabilno okruženje s niskom temperaturom. Poluvodički rashladni sustavi mogu postići preciznu kontrolu temperature unutar ±0,1 ℃, a ne postoji rizik od kontaminacije rashladnog sredstva.
Prijenosni medicinski uređaji: poput rashladnih kutija za inzulin, koje su male veličine i imaju dugotrajnu bateriju, prikladne su za dijabetičare za nošenje kada izlaze, osiguravajući temperaturu skladištenja inzulina.
Kontrola temperature laserske opreme: Osnovne komponente medicinskih uređaja za lasersku obradu (kao što su laseri) osjetljive su na temperaturu, a komponente za hlađenje poluvodiča mogu raspršivati toplinu u stvarnom vremenu kako bi se osigurao stabilan rad opreme.
3. Industrijska i zrakoplovna područja
Industrijska rashladna oprema malog opsega: kao što su komore za ispitivanje starenja elektroničkih komponenti i kupke s konstantnom temperaturom preciznih instrumenata, koje zahtijevaju lokalno okruženje niske temperature, termoelektrične rashladne jedinice, termoelektrične komponente mogu se prilagoditi rashladnom snagom prema potrebi.
Zrakoplovna oprema: Elektronički uređaji u svemirskim letjelicama imaju poteškoća s odvođenjem topline u vakuumskom okruženju. Termoelektrični sustavi za hlađenje, termoelektrične jedinice za hlađenje, termoelektrične komponente, kao uređaji u čvrstom stanju, vrlo su pouzdani i bez vibracija te se mogu koristiti za kontrolu temperature elektroničke opreme u satelitima i svemirskim stanicama.
4. Drugi nadolazeći scenariji
Nosivi uređaji: Pametne kacige za hlađenje i rashladna odijela, s ugrađenim fleksibilnim termoelektričnim pločama za hlađenje, mogu osigurati lokalno hlađenje ljudskog tijela u okruženjima s visokim temperaturama i prikladni su za radnike na otvorenom.
Logistika hladnog lanca: Male kutije za pakiranje hladnog lanca, pogonjene termoelektričnim hlađenjem, Peltierovim hlađenjem i baterijama, mogu se koristiti za prijevoz cjepiva i svježih proizvoda na kratke udaljenosti bez oslanjanja na velike rashladne kamione.
IV. Ograničenja i trendovi razvoja termoelektričnih rashladnih jedinica, Peltierovih komponenti za hlađenje
Postojeća ograničenja
Učinkovitost hlađenja je relativno niska: njegov omjer energetske učinkovitosti (COP) obično je između 0,3 i 0,8, što je znatno niže od omjera kompresorskog hlađenja (COP može doseći 2 do 5), te nije prikladno za scenarije hlađenja velikih razmjera i velikog kapaciteta.
Visoki zahtjevi za odvođenje topline: Ako se toplina na kraju odvođenja topline ne može na vrijeme odvesti, to će ozbiljno utjecati na učinak hlađenja. Stoga mora biti opremljen učinkovitim sustavom odvođenja topline, što ograničava primjenu u nekim kompaktnim scenarijima.
Visoka cijena: Troškovi pripreme visokoučinkovitih termoelektričnih materijala (kao što je nano-dopirani Bi₂Te₃) veći su od onih tradicionalnih rashladnih materijala, što rezultira relativno visokom cijenom vrhunskih komponenti.
2. Budući razvojni trendovi
Proboj u području materijala: Razvoj jeftinih termoelektričnih materijala s visokom ZT vrijednošću, s ciljem povećanja ZT vrijednosti na sobnoj temperaturi na preko 2,0 i smanjenja jaza u učinkovitosti u odnosu na kompresorsko hlađenje.
Fleksibilnost i integracija: Razvoj fleksibilnih termoelektričnih modula za hlađenje, TEC modula, termoelektričnih modula, Peltierovih uređaja, Peltierovih modula i Peltierovih hladnjaka kako bi se prilagodili uređajima sa zakrivljenim površinama (kao što su mobilni telefoni s fleksibilnim zaslonima i pametni nosivi uređaji); Promicanje integracije termoelektričnih komponenti za hlađenje s čipovima i senzorima kako bi se postigla „kontrola temperature na razini čipa“.
Dizajn koji štedi energiju: Integracijom tehnologije Interneta stvari (IoT) postiže se inteligentno pokretanje i zaustavljanje te regulacija snage komponenti za hlađenje, čime se smanjuje ukupna potrošnja energije.
V. Sažetak
Termoelektrične rashladne jedinice, Peltierove rashladne jedinice, termoelektrični rashladni sustavi, sa svojim jedinstvenim prednostima čvrstog stanja, tihi su i precizno kontrolirani po temperaturi, zauzimaju važno mjesto u područjima kao što su potrošačka elektronika, medicinska skrb i zrakoplovstvo. Kontinuiranim unapređenjem tehnologije termoelektričnih materijala i strukturnog dizajna, pitanja njihove učinkovitosti i troškova hlađenja postupno će se poboljšavati, a očekuje se da će u budućnosti zamijeniti tradicionalnu tehnologiju hlađenja u specifičnijim scenarijima.
Vrijeme objave: 12. prosinca 2025.
