Novi smjer razvoja termoelektrične rashladne industrije

Novi smjer razvoja termoelektrične rashladne industrije

Termoelektrični hladnjaci, poznati i kao termoelektrični moduli za hlađenje, imaju nezamjenjive prednosti u određenim područjima zbog svojih značajki kao što su nedostatak pokretnih dijelova, precizna kontrola temperature, mala veličina i visoka pouzdanost. Posljednjih godina nije došlo do revolucionarnog proboja u osnovnim materijalima u ovom području, ali je postignut značajan napredak u optimizaciji materijala, dizajnu sustava i proširenju primjene.

Slijede neki glavni novi razvojni pravci:

I. Napredak u osnovnim materijalima i uređajima

Kontinuirana optimizacija performansi termoelektričnih materijala

Optimizacija tradicionalnih materijala (na bazi Bi₂Te₃): Spojevi bizmuta i telura ostaju najbolji materijali blizu sobne temperature. Trenutni fokus istraživanja leži u daljnjem poboljšanju njihove termoelektrične vrijednosti kroz procese poput nano-veličine, dopiranja i teksturiranja. Na primjer, proizvodnjom nanostruktura i superrešetkastih struktura za poboljšanje raspršenja fonona i smanjenje toplinske vodljivosti, učinkovitost se može poboljšati bez značajnog utjecaja na električnu vodljivost.

Istraživanje novih materijala: Iako još nisu komercijalno dostupni u velikim razmjerima, istraživači istražuju nove materijale poput SnSe, Mg₃Sb₂ i CsBi₄Te₆, koji bi mogli imati veći potencijal od Bi₂Te₃ u određenim temperaturnim zonama, nudeći mogućnost budućih skokova u performansama.

Inovacija u strukturi uređaja i procesu integracije

Miniaturizacija i arapiranje: Kako bi se zadovoljili zahtjevi za odvođenjem topline mikrouređaja poput potrošačke elektronike (poput stražnjih kopči za odvođenje topline mobilnih telefona) i optičkih komunikacijskih uređaja, proizvodni proces mikro-TEC-a (mikro termoelektričnih modula za hlađenje, minijaturnih termoelektričnih modula) postaje sve sofisticiraniji. Moguće je proizvoditi Peltierove module, Peltierove hladnjake, Peltierove uređaje, termoelektrične uređaje veličine samo 1×1 mm ili čak i manje, a mogu se fleksibilno integrirati u nizove za postizanje preciznog lokalnog hlađenja.

Fleksibilni TEC modul (Peltier modul): Ovo je nova vruća tema. Korištenjem tehnologija poput tiskane elektronike i fleksibilnih materijala, proizvode se neplanarni TEC moduli, Peltier uređaji koji se mogu savijati i lijepiti. To ima široke perspektive u područjima kao što su nosivi elektronički uređaji i lokalna biomedicina (kao što su prijenosni hladni oblogi).

Optimizacija višerazinske strukture: Za scenarije koji zahtijevaju veću temperaturnu razliku, višestupanjski TEC modul i višestupanjski termoelektrični moduli za hlađenje ostaju primarno rješenje. Trenutni napredak ogleda se u strukturnom dizajnu i procesima spajanja, s ciljem smanjenja međustupanjskog toplinskog otpora, povećanja ukupne pouzdanosti i maksimalne temperaturne razlike.

Ii. Proširenje aplikacija i rješenja na razini sustava

Ovo je trenutno najdinamičnije područje gdje se novi razvoji mogu izravno pratiti.

Koevolucija tehnologije odvođenja topline vrućeg kraja

Ključni faktor koji ograničava performanse TEC modula, termoelektričnog modula ili Peltierovog modula često je kapacitet odvođenja topline na vrućem kraju. Poboljšanje TEC performansi obostrano se pojačava razvojem visokoučinkovite tehnologije hladnjaka.

U kombinaciji s VC isparivačima/toplinskim cijevima: U području potrošačke elektronike, TEC modul, Peltierov uređaj, često se kombinira s vakuumskim isparivačima. TEC modul, Peltierov hladnjak, odgovoran je za aktivno stvaranje zone niske temperature, dok VC učinkovito raspršuje toplinu s vrućeg kraja TEC modula, Peltierovog elementa, na veća rebra za odvođenje topline, tvoreći sustavno rješenje „aktivnog hlađenja + učinkovitog provođenja i odvođenja topline“. Ovo je novi trend u modulima za odvođenje topline za igraće telefone i vrhunske grafičke kartice.

Kombinacija s tekućim sustavima hlađenja: U područjima kao što su podatkovni centri i laseri velike snage, TEC modul se kombinira s tekućim sustavima hlađenja. Iskorištavanjem izuzetno visokog specifičnog toplinskog kapaciteta tekućina, uklanja se toplina na vrućem kraju termoelektričnog modula TEC modula, postižući neviđeno učinkovit kapacitet hlađenja.

Inteligentno upravljanje i upravljanje energetskom učinkovitošću

Moderni termoelektrični sustavi hlađenja sve više integriraju visokoprecizne temperaturne senzore i PID/PWM kontrolere. Podešavanjem ulazne struje/napona termoelektričnog modula, TEC modula, Peltierovog modula u stvarnom vremenu putem algoritama, može se postići temperaturna stabilnost od ±0,1 ℃ ili čak i više, uz izbjegavanje preopterećenja i oscilacija te uštedu energije.

Pulsni način rada: Za neke primjene, korištenje pulsnog napajanja umjesto kontinuiranog napajanja može zadovoljiti trenutne potrebe za hlađenjem, a istovremeno značajno smanjiti ukupnu potrošnju energije i uravnotežiti toplinsko opterećenje.

Iii. Nova i brzorastuća područja primjene

Odvođenje topline za potrošačku elektroniku

Igraći telefoni i pribor za e-sport: Ovo je jedna od najvećih točaka rasta na tržištu termoelektričnih modula za hlađenje, TEC modula i višenamjenskih modula u posljednjih nekoliko godina. Aktivna stražnja kopča za hlađenje opremljena je ugrađenim termoelektričnim modulima (TEC modulima) koji mogu izravno smanjiti temperaturu SoC-a telefona ispod temperature okoline, osiguravajući kontinuirani visokoučinkoviti rad tijekom igranja.

Prijenosna i stolna računala: Neka vrhunska prijenosna računala i grafičke kartice (kao što su referentne kartice NVIDIA RTX 30/40 serije) počela su pokušavati integrirati TEC module, termoelektrične module koji pomažu u hlađenju jezgrenih čipova.

Optička komunikacija i podatkovni centri

5G/6G optički moduli: Laseri (DFB/EML) u optičkim modulima velike brzine izuzetno su osjetljivi na temperaturu i zahtijevaju TEC za preciznu konstantnu temperaturu (obično unutar ±0,5 ℃) kako bi se osigurala stabilnost valne duljine i kvaliteta prijenosa. Kako se brzine prijenosa podataka razvijaju prema 800G i 1,6T, potražnja i zahtjevi za TEC modulima, termoelektričnim modulima, Peltierovim hladnjacima i Peltierovim elementima rastu.

Lokalno hlađenje u podatkovnim centrima: Fokusiranje na vruće točke poput CPU-a i GPU-a, korištenje TEC modula za ciljano poboljšano hlađenje jedan je od istraživačkih smjerova za poboljšanje energetske učinkovitosti i gustoće računanja u podatkovnim centrima.

Automobilska elektronika

Lidar montiran na vozilo: Jezgreni laserski emiter ridara zahtijeva stabilnu radnu temperaturu. TEC je ključna komponenta koja osigurava njegov normalan rad u teškim uvjetima montiranja na vozilo (-40℃ do +105℃).

Inteligentne kokpite i vrhunski infotainment sustavi: S rastućom računalnom snagom čipova u vozilima, njihovi zahtjevi za odvođenjem topline postupno se usklađuju s onima potrošačke elektronike. Očekuje se da će se TEC modul, TE hladnjak, primjenjivati ​​u budućim vrhunskim modelima vozila.

Medicinske i biološke znanosti

Prijenosni medicinski uređaji poput PCR instrumenata i DNA sekvencera zahtijevaju brzu i preciznu promjenu temperature, a TEC, Peltierov modul je glavna komponenta za kontrolu temperature. Trend miniaturizacije i prenosivosti opreme potaknuo je razvoj mikro i učinkovitog TEC, Peltierovog hladnjaka.

Uređaji za ljepotu: Neki vrhunski uređaji za ljepotu koriste Peltierov efekt TEC-a, Peltierovog uređaja, za postizanje preciznih funkcija hladne i tople kompresije.

Zrakoplovstvo i posebna okruženja

Hlađenje infracrvenog detektora: U vojnim, zrakoplovnim i znanstvenim istraživačkim područjima, infracrvene detektore potrebno je hladiti na izuzetno niske temperature (npr. ispod -80 ℃) kako bi se smanjila buka. Višestupanjski TEC modul, višestupanjski Peltierov modul, višestupanjski termoelektrični modul minijaturno je i vrlo pouzdano rješenje za postizanje ovog cilja.

Kontrola temperature satelitskog korisnog tereta: Osiguravanje stabilnog toplinskog okruženja za precizne instrumente na satelitima.

Iv. Izazovi s kojima se suočavamo i budući izgledi

Glavni izazov: Relativno niska energetska učinkovitost ostaje najveći nedostatak TEC Peltierovog modula (termoelektričnog modula) u usporedbi s tradicionalnim kompresorskim hlađenjem. Njegova termoelektrična učinkovitost hlađenja daleko je niža od Carnotovog ciklusa.

Budući izgledi

Proboj materijala je krajnji cilj: ako se otkriju ili sintetiziraju novi materijali s vrijednošću termoelektrične superiornosti od 3,0 ili više blizu sobne temperature (trenutno je komercijalni Bi₂Te₃ približno 1,0), to će pokrenuti revoluciju u cijeloj industriji.

Integracija sustava i inteligencija: Buduća konkurencija će se više pomaknuti s „individualnih TEC performansi“ na mogućnosti cjelokupnog sistemskog rješenja „TEC + odvođenje topline + kontrola“. Kombiniranje s umjetnom inteligencijom za prediktivnu kontrolu temperature također je smjer.

Smanjenje troškova i prodiranje na tržište: Sazrijevanjem proizvodnih procesa i proizvodnjom velikih razmjera, očekuje se daljnji pad troškova TEC-a, čime će se prodrijeti na tržišta srednjeg, pa čak i masovnog segmenta.

Ukratko, globalna industrija termoelektričnih hladnjaka trenutno se nalazi u fazi razvoja inovacija vođenih primjenom i suradnjom. Iako nije došlo do revolucionarnih promjena u osnovnim materijalima, kroz napredak inženjerske tehnologije i duboku integraciju s uzvodnim i nizvodnim tehnologijama, TEC Peltier modul, Peltier hladnjak, pronalazi svoje nezamjenjivo mjesto u sve većem broju novih i visokovrijednih područja, pokazujući snažnu vitalnost.