Termoelektriskās dzesēšanas nozares jaunais attīstības virziens

Termoelektriskās dzesēšanas nozares jaunais attīstības virziens

Termoelektriskie dzesētāji, kas pazīstami arī kā termoelektriskie dzesēšanas moduļi, ir neaizstājamas priekšrocības konkrētās jomās, pateicoties to īpašībām, piemēram, kustīgu detaļu neesamībai, precīzai temperatūras kontrolei, mazam izmēram un augstai uzticamībai. Pēdējos gados šajā jomā nav bijis revolucionāra izrāviena pamatmateriālu jomā, taču ir panākts ievērojams progress materiālu optimizācijā, sistēmu projektēšanā un pielietojuma paplašināšanā.

Tālāk ir minēti vairāki galvenie jaunie attīstības virzieni:

I. Sasniegumi pamatmateriālu un ierīču jomā

Termoelektrisko materiālu veiktspējas nepārtraukta optimizācija

Tradicionālo materiālu (uz Bi₂Te₃ bāzes) optimizācija: Bismuta telūra savienojumi joprojām ir vislabāk darbojošies materiāli istabas temperatūras tuvumā. Pašreizējā pētījuma uzmanības centrā ir to termoelektrisko īpašību turpmāka uzlabošana, izmantojot tādus procesus kā nanoizmēru noteikšana, leģēšana un teksturēšana. Piemēram, ražojot nanovadus un superrežģa struktūras, lai uzlabotu fononu izkliedi un samazinātu siltumvadītspēju, efektivitāti var uzlabot, būtiski neietekmējot elektrovadītspēju.

Jaunu materiālu izpēte: Lai gan tie vēl nav komerciāli pieejami plašā mērogā, pētnieki ir pētījuši jaunus materiālus, piemēram, SnSe, Mg₃Sb₂ un CsBi₄Te₆, kuriem noteiktās temperatūras zonās varētu būt lielāks potenciāls nekā Bi₂Te₃, piedāvājot iespēju nākotnē panākt veiktspējas lēcienus.

Inovācijas ierīču struktūrā un integrācijas procesā

Miniaturizācija un aptveršana: Lai apmierinātu tādu mikroierīču kā plaša patēriņa elektronikas (piemēram, mobilo tālruņu siltuma izkliedes aizmugurējo klipšu) un optisko sakaru ierīču siltuma izkliedes prasības, mikro-TEC (mikrotermoelektrisko dzesēšanas moduļu, miniatūru termoelektrisko moduļu) ražošanas process kļūst arvien sarežģītāks. Ir iespējams ražot Peltier moduļus, Peltier dzesētājus, Peltier ierīces, termoelektriskās ierīces ar izmēru tikai 1 × 1 mm vai pat mazāku, un tās var elastīgi integrēt masīvos, lai panāktu precīzu lokālo dzesēšanu.

Elastīgs TEC modulis (Peltjē modulis): šī ir jauna aktuāla tēma. Izmantojot tādas tehnoloģijas kā drukāta elektronika un elastīgi materiāli, tiek ražoti neplanāri TEC moduļi, Peltjē ierīces, kuras var saliekt un pielīmēt. Tam ir plašas perspektīvas tādās jomās kā valkājamas elektroniskās ierīces un lokālā biomedicīna (piemēram, pārnēsājamas aukstās kompreses).

Daudzlīmeņu struktūras optimizācija: scenārijos, kuros nepieciešama lielāka temperatūras starpība, galvenais risinājums joprojām ir daudzpakāpju TEC modulis un daudzpakāpju termoelektriskie dzesēšanas moduļi. Pašreizējais progress atspoguļojas konstrukcijas projektēšanas un savienošanas procesos, kuru mērķis ir samazināt starppakāpju termisko pretestību, uzlabot kopējo uzticamību un maksimāli palielināt temperatūras starpību.

II. Sistēmas līmeņa lietojumprogrammu un risinājumu paplašināšana

Šī pašlaik ir visdinamiskākā joma, kurā var tieši novērot jaunas norises.

Karstās gala siltuma izkliedes tehnoloģijas līdzevolūcija

Galvenais faktors, kas ierobežo TEC moduļa, termoelektriskā moduļa un Peltier moduļa veiktspēju, bieži vien ir siltuma izkliedes spēja karstajā galā. TEC veiktspējas uzlabošana savstarpēji pastiprinās, attīstot augstas efektivitātes siltuma izkliedētāju tehnoloģiju.

Apvienojumā ar VC tvaika kamerām/siltuma caurulēm: Patēriņa elektronikas jomā TEC modulis, Peltier ierīce, bieži tiek kombinēta ar vakuuma kameras tvaika kamerām. TEC modulis, Peltier dzesētājs ir atbildīgs par zemas temperatūras zonas aktīvu izveidi, savukārt VC efektīvi izkliedē siltumu no TEC moduļa, Peltier elementa karstā gala uz lielākām siltuma izkliedes ribām, veidojot sistēmas risinājumu “aktīvā dzesēšana + efektīva siltuma vadīšana un noņemšana”. Šī ir jauna tendence siltuma izkliedes moduļos spēļu tālruņiem un augstas klases grafikas kartēm.

Apvienojumā ar šķidruma dzesēšanas sistēmām: Tādās jomās kā datu centri un lieljaudas lāzeri TEC modulis tiek kombinēts ar šķidruma dzesēšanas sistēmām. Izmantojot šķidrumu ārkārtīgi augsto īpatnējo siltumietilpību, siltums TEC moduļa termoelektriskā moduļa karstajā galā tiek noņemts, panākot nepieredzēti efektīvu dzesēšanas jaudu.

Inteliģenta vadība un energoefektivitātes pārvaldība

Mūsdienu termoelektriskās dzesēšanas sistēmās arvien vairāk tiek integrēti augstas precizitātes temperatūras sensori un PID/PWM regulatori. Regulējot termoelektriskā moduļa, TEC moduļa un Peltier moduļa ieejas strāvu/spriegumu reāllaikā, izmantojot algoritmus, var panākt temperatūras stabilitāti ±0,1 ℃ vai pat augstāku, vienlaikus izvairoties no pārlādēšanas un svārstībām, kā arī taupot enerģiju.

Impulsa darbības režīms: Dažos gadījumos impulsa barošanas avota izmantošana nepārtrauktas barošanas avota vietā var apmierināt tūlītējas dzesēšanas prasības, vienlaikus ievērojami samazinot kopējo enerģijas patēriņu un līdzsvarojot siltuma slodzi.

Iii. Jaunas un strauji augošas pielietojumu jomas

Siltuma izkliede patēriņa elektronikā

Spēļu tālruņi un e-sporta aksesuāri: Šis ir viens no lielākajiem izaugsmes punktiem termoelektrisko dzesēšanas moduļu, TEC moduļu un pletier moduļu tirgū pēdējos gados. Aktīvā dzesēšanas aizmugurējais klips ir aprīkots ar iebūvētiem termoelektriskiem moduļiem (TEC moduļiem), kas var tieši pazemināt tālruņa SoC temperatūru zem apkārtējās vides temperatūras, nodrošinot nepārtrauktu augstas veiktspējas darbību spēļu laikā.

Klēpjdatori un galddatori: Daži augstas klases klēpjdatori un grafikas kartes (piemēram, NVIDIA RTX 30/40 sērijas atsauces kartes) ir sākušas mēģināt integrēt TEC moduļus, termoelektriskos moduļus, lai palīdzētu atdzesēt kodolu mikroshēmas.

Optiskās komunikācijas un datu centri

5G/6G optiskie moduļi: Lāzeri (DFB/EML) ātrgaitas optiskajos moduļos ir ārkārtīgi jutīgi pret temperatūru un prasa TEC precīzi nemainīgai temperatūrai (parasti ±0,5 ℃ robežās), lai nodrošinātu viļņa garuma stabilitāti un pārraides kvalitāti. Datu pārraides ātrumam attīstoties 800 G un 1,6 T virzienā, pieaug gan pieprasījums, gan prasības pēc TEC moduļiem, termoelektriskiem elementiem, Peltier dzesētājiem un Peltier elementiem.

Lokālā dzesēšana datu centros: Koncentrēšanās uz karstajiem punktiem, piemēram, centrālajiem procesoriem (CPU) un grafiskajiem procesoriem (GPU), TEC moduļa izmantošana mērķtiecīgai uzlabotai dzesēšanai ir viens no pētījumu virzieniem energoefektivitātes un skaitļošanas blīvuma uzlabošanai datu centros.

Automobiļu elektronika

Transportlīdzeklī uzstādīts lidars: Lidara galvenajam lāzera izstarojumam ir nepieciešama stabila darba temperatūra. TEC ir galvenā sastāvdaļa, kas nodrošina tā normālu darbību skarbos transportlīdzekļa uzstādītos apstākļos (no -40 ℃ līdz +105 ℃).

Inteliģentas kabīnes un augstas klases informācijas un izklaides sistēmas: Līdz ar transportlīdzekļu mikroshēmu pieaugošo skaitļošanas jaudu, to siltuma izkliedes prasības pakāpeniski sakrīt ar plaša patēriņa elektronikas prasībām. Paredzams, ka TEC modulis, TE dzesētājs, tiks izmantots nākotnes augstas klases transportlīdzekļu modeļos.

Medicīnas un dzīvības zinātnes

Pārnēsājamām medicīnas ierīcēm, piemēram, PCR instrumentiem un DNS sekvenceriem, nepieciešama ātra un precīza temperatūras ciklēšana, un TEC, Peltier modulis ir galvenā temperatūras kontroles sastāvdaļa. Iekārtu miniaturizācijas un pārnesamības tendence ir veicinājusi mikro un efektīvu TEC, Peltier dzesētāju attīstību.

Skaistumkopšanas ierīces: Dažas augstas klases skaistumkopšanas ierīces izmanto TEC Peltier efektu, lai panāktu precīzas aukstās un karstās kompreses funkcijas.

Aviācija un īpašas vides

Infrasarkano staru detektoru dzesēšana: militārajā, kosmosa un zinātniskās pētniecības jomā infrasarkanie detektori ir jāatdzesē līdz ārkārtīgi zemai temperatūrai (piemēram, zem -80 ℃), lai samazinātu troksni. Daudzpakāpju TEC modulis, daudzpakāpju Peltier modulis, daudzpakāpju termoelektriskais modulis ir miniaturizēts un ļoti uzticams risinājums šī mērķa sasniegšanai.

Satelītu lietderīgās slodzes temperatūras kontrole: stabilas termiskās vides nodrošināšana precīzijas instrumentiem uz satelītiem.

Iv. Saskaršanās ar izaicinājumiem un nākotnes perspektīvām

Galvenā problēma: Salīdzinoši zemā energoefektivitāte joprojām ir TEC moduļa Peltier moduļa (termoelektriskā moduļa) lielākais trūkums salīdzinājumā ar tradicionālo kompresora dzesēšanu. Tā termoelektriskās dzesēšanas efektivitāte ir daudz zemāka nekā Karno ciklam.

Nākotnes perspektīvas

Galvenais mērķis ir materiālu izrāviens: ja izdosies atklāt vai sintezēt jaunus materiālus ar termoelektriskā pārākuma vērtību 3,0 vai augstāku istabas temperatūras tuvumā (pašlaik komerciālajam Bi₂Te₃ ir aptuveni 1,0), tas izraisīs revolūciju visā nozarē.

Sistēmu integrācija un intelekts: Nākotnes konkurence vairāk mainīsies no “individuālas TEC veiktspējas” uz kopēja sistēmas risinājuma “TEC + siltuma izkliede + kontrole” spējām. Apvienošana ar mākslīgo intelektu paredzošai temperatūras kontrolei arī ir virziens.

Izmaksu samazināšana un tirgus iekļūšana: Līdz ar ražošanas procesu nobriešanu un liela mēroga ražošanu, paredzams, ka TEC izmaksas turpinās samazināties, tādējādi iekļūstot vidējas klases un pat masveida tirgos.

Rezumējot, globālā termoelektrisko dzesētāju nozare pašlaik atrodas lietojumprogrammu virzītas un sadarbības inovāciju attīstības posmā. Lai gan pamatmateriālos nav notikušas revolucionāras izmaiņas, pateicoties inženiertehnoloģiju attīstībai un dziļai integrācijai ar augšupējām un lejupējām tehnoloģijām, TEC modulis Peltier modulis Peltier dzesētājs atrod savu neaizstājamo vietu arvien vairākās jaunās un augstas vērtības jomās, demonstrējot spēcīgu vitalitāti.