Termoelektriskā dzesēšanas iekārta, Peltier dzesētājs (pazīstams arī kā termoelektriskie dzesēšanas komponenti) ir cietvielu dzesēšanas ierīces, kuru pamatā ir Peltier efekts. Tām ir priekšrocības, piemēram, nav mehāniskas kustības, nav aukstumaģenta, tās ir mazas, ātri reaģē un precīzi kontrolē temperatūru. Pēdējos gados to pielietojums plaša patēriņa elektronikā, medicīniskajā aprūpē, automašīnās un citās jomās ir turpinājis paplašināties.
I. Termoelektriskās dzesēšanas sistēmas un tās sastāvdaļu pamatprincipi
Termoelektriskās dzesēšanas pamatā ir Peltiera efekts: kad divi dažādi pusvadītāju materiāli (P tipa un N tipa) veido termopāru pāri un tiek pievadīta līdzstrāva, viens termopāru pāra gals absorbē siltumu (dzesēšanas gals), bet otrs gals atbrīvo siltumu (siltuma izkliedes gals). Mainot strāvas virzienu, dzesēšanas galu un siltuma izkliedes galu var savstarpēji mainīt.
Tās dzesēšanas veiktspēja galvenokārt ir atkarīga no trim galvenajiem parametriem:
Termoelektriskais kvalitātes koeficients (ZT vērtība): tas ir galvenais rādītājs termoelektrisko materiālu veiktspējas novērtēšanai. Jo augstāka ZT vērtība, jo augstāka dzesēšanas efektivitāte.
Temperatūras starpība starp karsto un auksto galu: siltuma izkliedes efekts siltuma izkliedes galā tieši nosaka dzesēšanas jaudu dzesēšanas galā. Ja siltuma izkliede nav vienmērīga, temperatūras starpība starp karsto un auksto galu samazināsies un dzesēšanas efektivitāte strauji samazināsies.
Darba strāva: Nominālajā diapazonā strāvas palielināšanās uzlabo dzesēšanas jaudu. Tomēr, tiklīdz slieksnis tiek pārsniegts, efektivitāte samazināsies džoula siltuma palielināšanās dēļ.
II Termoelektrisko dzesēšanas iekārtu (Peltjē dzesēšanas sistēmas) attīstības vēsture un tehnoloģiskie sasniegumi
Pēdējos gados termoelektrisko dzesēšanas komponentu izstrāde ir koncentrējusies uz diviem galvenajiem virzieniem: materiālu inovācijām un strukturālo optimizāciju.
Augstas veiktspējas termoelektrisko materiālu izpēte un izstrāde
Tradicionālo Bi₂Te₃ bāzes materiālu ZT vērtība ir palielināta līdz 1,2–1,5, izmantojot dopingu (piemēram, Sb, Se) un nanomēroga apstrādi.
Jauni materiāli, piemēram, svina telurīds (PbTe) un silīcija-germānija sakausējums (SiGe), izcili darbojas vidējas un augstas temperatūras apstākļos (no 200 līdz 500 ℃).
Paredzams, ka jauni materiāli, piemēram, organiski-neorganiski kompozītmateriāli termoelektriskiem materiāliem un topoloģiskajiem izolatoriem, vēl vairāk samazinās izmaksas un uzlabos efektivitāti.
Komponentu struktūras optimizācija
Miniaturizācijas dizains: Izstrādājiet mikronu mēroga termoelementus, izmantojot MEMS (mikroelektromehānisko sistēmu) tehnoloģiju, lai izpildītu plaša patēriņa elektronikas miniaturizācijas prasības.
Modulāra integrācija: Savienojiet vairākas termoelektriskās iekārtas virknē vai paralēli, lai izveidotu jaudīgus termoelektriskos dzesēšanas moduļus, Peltier dzesētājus, Peltier ierīces, kas atbilst rūpnieciskas klases termoelektriskās dzesēšanas prasībām.
Integrēta siltuma izkliedes struktūra: integrējiet dzesēšanas ribas ar siltuma izkliedes ribām un siltuma caurulēm, lai uzlabotu siltuma izkliedes efektivitāti un samazinātu kopējo tilpumu.
III Termoelektrisko dzesēšanas iekārtu, termoelektrisko dzesēšanas komponentu tipiskie pielietojuma scenāriji
Termoelektrisko dzesēšanas iekārtu lielākā priekšrocība ir to cietvielu raksturs, beztrokšņa darbība un precīza temperatūras kontrole. Tādēļ tās ieņem neaizstājamu vietu situācijās, kad kompresori nav piemēroti dzesēšanai.
Patēriņa elektronikas jomā
Mobilo tālruņu siltuma izkliede: Augstas klases spēļu tālruņi ir aprīkoti ar mikro termoelektriskiem dzesēšanas moduļiem, TEC moduļiem, Peltier ierīcēm, Peltier moduļiem, kas kombinācijā ar šķidruma dzesēšanas sistēmām var ātri samazināt mikroshēmas temperatūru, novēršot frekvences samazināšanos pārkaršanas dēļ spēļu laikā.
Auto ledusskapji, automašīnu dzesētāji: Mazos automašīnu ledusskapjos pārsvarā tiek izmantota termoelektriskā dzesēšanas tehnoloģija, kas apvieno dzesēšanas un sildīšanas funkcijas (sildīšanu var panākt, pārslēdzot strāvas virzienu). Tie ir maza izmēra, ar zemu enerģijas patēriņu un saderīgi ar automašīnas 12 V barošanas avotu.
Dzērienu dzesēšanas krūze/izolēta krūze: Pārnēsājamā dzesēšanas krūze ir aprīkota ar iebūvētu mikro dzesēšanas plāksni, kas var ātri atdzesēt dzērienus līdz 5 līdz 15 grādiem pēc Celsija, neizmantojot ledusskapi.
2. Medicīnas un bioloģijas jomas
Precīzas temperatūras kontroles iekārtas: piemēram, PCR instrumentiem (polimerāzes ķēdes reakcijas instrumentiem) un asins ledusskapjiem, nepieciešama stabila zemas temperatūras vide. Pusvadītāju saldēšanas komponenti var panākt precīzu temperatūras kontroli ±0,1 ℃ robežās, un nav aukstumaģenta piesārņojuma riska.
Pārnēsājamas medicīnas ierīces: piemēram, insulīna dzesēšanas kastes, kas ir maza izmēra un kurām ir ilgs akumulatora darbības laiks, ir piemērotas diabēta pacientiem, lai tās varētu nēsāt līdzi, dodoties ārpus mājas, nodrošinot insulīna uzglabāšanas temperatūru.
Lāzeriekārtu temperatūras kontrole: Medicīnisko lāzerterapijas ierīču (piemēram, lāzeru) galvenās sastāvdaļas ir jutīgas pret temperatūru, un pusvadītāju dzesēšanas komponenti var reāllaikā izkliedēt siltumu, lai nodrošinātu iekārtas stabilu darbību.
3. Rūpniecības un kosmosa jomas
Rūpnieciskas maza mēroga saldēšanas iekārtas: piemēram, elektronisko komponentu novecošanās testa kameras un precīzijas instrumentu nemainīgas temperatūras vannas, kurām nepieciešama lokāla zemas temperatūras vide, termoelektriskās dzesēšanas iekārtas, termoelektriskos komponentus var pielāgot ar nepieciešamo saldēšanas jaudu.
Aviācijas un kosmosa iekārtas: Kosmosa kuģu elektroniskajām ierīcēm ir grūtības izkliedēt siltumu vakuuma vidē. Termoelektriskās dzesēšanas sistēmas, termoelektriskās dzesēšanas iekārtas, termoelektriskie komponenti kā cietvielu ierīces ir ļoti uzticami un bez vibrācijas, un tos var izmantot elektronisko iekārtu temperatūras kontrolei satelītos un kosmosa stacijās.
4. Citi jauni scenāriji
Valkājamas ierīces: Viedās dzesēšanas ķiveres un dzesēšanas tērpi ar iebūvētām elastīgām termoelektriskām dzesēšanas plāksnēm var nodrošināt lokālu dzesēšanu cilvēka ķermenim augstas temperatūras vidē un ir piemēroti darbiniekiem ārpus telpām.
Aukstās ķēdes loģistika: Mazas aukstās ķēdes iepakojuma kastes, ko darbina termoelektriskā dzesēšana, Peltier dzesēšana un baterijas, var izmantot vakcīnu un svaigu produktu pārvadāšanai nelielos attālumos, neizmantojot lielus refrižeratoru kravas automobiļus.
IV. Termoelektrisko dzesēšanas iekārtu un Peltier dzesēšanas komponentu ierobežojumi un attīstības tendences
Esošie ierobežojumi
Dzesēšanas efektivitāte ir relatīvi zema: tās energoefektivitātes koeficients (COP) parasti ir no 0,3 līdz 0,8, kas ir daudz zemāks nekā kompresora dzesēšanai (COP var sasniegt 2 līdz 5), un tas nav piemērots liela mēroga un lielas jaudas dzesēšanas scenārijiem.
Augstas siltuma izkliedes prasības: Ja siltumu siltuma izkliedes galā nevar savlaicīgi izvadīt, tas nopietni ietekmēs dzesēšanas efektu. Tāpēc tam jābūt aprīkotam ar efektīvu siltuma izkliedes sistēmu, kas ierobežo pielietojumu dažos kompaktos scenārijos.
Augstas izmaksas: Augstas veiktspējas termoelektrisko materiālu (piemēram, ar nanodaļiņām leģēta Bi₂Te₃) sagatavošanas izmaksas ir augstākas nekā tradicionālo saldēšanas materiālu izmaksas, kā rezultātā augstas klases komponentu cena ir salīdzinoši augsta.
2. Nākotnes attīstības tendences
Materiālu izrāviens: izstrādāt lētus, augstas ZT vērtības termoelektriskus materiālus ar mērķi palielināt ZT vērtību istabas temperatūrā līdz vairāk nekā 2,0 un samazināt efektivitātes atšķirību ar kompresoru saldēšanu.
Elastība un integrācija: izstrādāt elastīgus termoelektriskos dzesēšanas moduļus, TEC moduļus, termoelektriskos moduļus, Peltier ierīces, Peltier moduļus, Peltier dzesētājus, lai pielāgotos ierīcēm ar izliektām virsmām (piemēram, mobilajiem tālruņiem ar elastīgu ekrānu un viedierīcēm); veicināt termoelektrisko dzesēšanas komponentu integrāciju ar mikroshēmām un sensoriem, lai panāktu “mikroshēmas līmeņa temperatūras kontroli”.
Enerģiju taupošs dizains: integrējot lietu interneta (IoT) tehnoloģiju, tiek panākta dzesēšanas komponentu inteliģenta ieslēgšanas/apturēšanas un jaudas regulēšana, samazinot kopējo enerģijas patēriņu.
V. Kopsavilkums
Termoelektriskās dzesēšanas iekārtas, Peltiera dzesēšanas iekārtas, termoelektriskās dzesēšanas sistēmas ar savām unikālajām priekšrocībām, proti, cietvielu darbību, klusumu un precīzu temperatūras kontroli, ieņem nozīmīgu vietu tādās jomās kā plaša patēriņa elektronika, medicīniskā aprūpe un kosmosa rūpniecība. Līdz ar termoelektrisko materiālu tehnoloģiju un konstrukciju projektēšanas nepārtrauktu uzlabošanos, to dzesēšanas efektivitātes un izmaksu jautājumi pakāpeniski uzlabosies, un paredzams, ka nākotnē tās aizstās tradicionālās dzesēšanas tehnoloģijas konkrētākos scenārijos.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 12. decembris
