Нови правац развоја термоелектричне индустрије хлађења

Нови правац развоја термоелектричне индустрије хлађења

Термоелектрични хладњаци, познати и као термоелектрични модули за хлађење, имају незаменљиве предности у одређеним областима због својих карактеристика као што су одсуство покретних делова, прецизна контрола температуре, мала величина и висока поузданост. Последњих година није дошло до револуционарног продора у основним материјалима у овој области, али је постигнут значајан напредак у оптимизацији материјала, дизајну система и проширењу примене.

Следи неколико главних нових праваца развоја:

I. Напредак у основним материјалима и уређајима

Континуирана оптимизација перформанси термоелектричних материјала

Оптимизација традиционалних материјала (на бази Bi₂Te₃): Једињења бизмута и телура остају најбољи материјали близу собне температуре. Тренутни фокус истраживања лежи на даљем побољшању њихове термоелектричне вредности кроз процесе као што су нанодимензионисање, допирање и текстурирање. На пример, производњом наножица и суперрешеткастих структура ради побољшања расејања фонона и смањења топлотне проводљивости, ефикасност се може побољшати без значајног утицаја на електричну проводљивост.

Истраживање нових материјала: Иако још увек нису комерцијално доступни у великим размерама, истраживачи истражују нове материјале као што су SnSe, Mg₃Sb₂ и CsBi₄Te₆, који могу имати већи потенцијал од Bi₂Te₃ у одређеним температурним зонама, нудећи могућност будућих скокова у перформансама.

Иновација у структури уређаја и процесу интеграције

Минијатуризација и апроксимација: Да би се задовољили захтеви за одвођење топлоте микро-уређаја као што су потрошачка електроника (као што су задње копче за одвођење топлоте мобилних телефона) и оптички комуникациони уређаји, процес производње микро-ТЕЦ-а (микро термоелектричних модула за хлађење, минијатурних термоелектричних модула) постаје све софистициранији. Могуће је произвести Пелтие модуле, Пелтие хладњаке, Пелтие уређаје, термоелектричне уређаје величине само 1×1 мм или чак мање, а могу се флексибилно интегрисати у низове ради постизања прецизног локалног хлађења.

Флексибилни ТЕЦ модул (Пелтие модул): Ово је нова врућа тема. Коришћењем технологија као што су штампана електроника и флексибилни материјали, производе се неравни ТЕЦ модули, Пелтие уређаји који се могу савијати и лепити. Ово има широке перспективе у областима као што су носиви електронски уређаји и локална биомедицина (као што су преносиви хладни облози).

Оптимизација вишеслојне структуре: За сценарије који захтевају већу температурну разлику, вишестепени TEC модул, вишестепени термоелектрични модули за хлађење остају примарно решење. Тренутни напредак се огледа у структурном дизајну и процесима спајања, са циљем смањења међустепеног термичког отпора, побољшања укупне поузданости и максималне температурне разлике.

II. Проширење апликација и решења на системском нивоу

Ово је тренутно најдинамичнија област где се нови развоји могу директно посматрати.

Коеволуција технологије одвођења топлоте хот-енда

Кључни фактор који ограничава перформансе TEC модула, термоелектричног модула, Пелтие модула је често капацитет одвођења топлоте на врућем крају. Побољшање TEC перформанси се међусобно појачава развојем високоефикасне технологије хладњака.

У комбинацији са VC испаривачким коморама/топлотним цевима: У области потрошачке електронике, TEC модул, Пелтиеов уређај, често се комбинује са вакуумским испаривачким коморама. TEC модул, Пелтиеов хладњак, одговоран је за активно стварање зоне ниске температуре, док VC ефикасно дифузује топлоту са врућег краја TEC модула, Пелтиеовог елемента, на већа пераја за одвођење топлоте, формирајући системско решење „активног хлађења + ефикасне проводљивости и одвођења топлоте“. Ово је нови тренд у модулима за одвођење топлоте за гејмерске телефоне и врхунске графичке картице.

У комбинацији са системима за течно хлађење: У областима као што су центри података и ласери велике снаге, TEC модул се комбинује са системима за течно хлађење. Коришћењем изузетно високог специфичног топлотног капацитета течности, топлота на врућем крају термоелектричног модула TEC модула се уклања, постижући невиђено ефикасан капацитет хлађења.

Интелигентно управљање и управљање енергетском ефикасношћу

Модерни термоелектрични системи за хлађење све више интегришу високопрецизне температурне сензоре и PID/PWM контролере. Подешавањем улазне струје/напона термоелектричног модула, TEC модула, Пелтие модула у реалном времену путем алгоритама, може се постићи температурна стабилност од ±0,1℃ или чак и више, уз избегавање прекомерног пуњења и осцилација и уштеду енергије.

Пулсни режим рада: За неке примене, коришћење импулсног напајања уместо континуираног напајања може задовољити потребе за тренутним хлађењем, уз значајно смањење укупне потрошње енергије и балансирање топлотног оптерећења.

Iii. Области примене у развоју и брзом расту

Одвођење топлоте за потрошачку електронику

Гејмерски телефони и додаци за е-спорт: Ово је једна од највећих тачака раста на тржишту термоелектричних модула за хлађење, TEC модула и плејер модула последњих година. Активна задња копча за хлађење опремљена је уграђеним термоелектричним модулима (TEC модулима), који могу директно да потисну температуру SoC телефона испод температуре околине, обезбеђујући континуирани високе перформансе током играња.

Лаптопови и десктоп рачунари: Неки врхунски лаптопови и графичке картице (као што су референтне картице NVIDIA RTX 30/40 серије) почели су да покушавају да интегришу TEC модуле, термоелектричне модуле који помажу у хлађењу језгра чипова.

Оптичка комуникација и центри података

5G/6G оптички модули: Ласери (DFB/EML) у брзим оптичким модулима су изузетно осетљиви на температуру и захтевају TEC за прецизну константну температуру (обично унутар ±0,5℃) како би се осигурала стабилност таласне дужине и квалитет преноса. Како се брзине преноса података развијају ка 800G и 1,6T, потражња и захтеви за TEC модулима, термоелектричним модулима, Пелтие хладњацима и Пелтие елементима се повећавају.

Локално хлађење у дата центрима: Фокусирање на вруће тачке као што су ЦПУ и ГПУ, коришћење ТЕЦ модула за циљано побољшано хлађење један је од истраживачких праваца за побољшање енергетске ефикасности и густине рачунарства у дата центрима.

Аутомобилска електроника

Лидар монтиран на возило: Језгро ласерског емитера лидара захтева стабилну радну температуру. TEC је кључна компонента која обезбеђује његов нормалан рад у тешким условима монтирања на возило (-40℃ до +105℃).

Интелигентне кабине и врхунски инфо-забавни системи: Са растућом рачунарском снагом чипова у возилима, њихови захтеви за одвођењем топлоте постепено се усклађују са захтевима потрошачке електронике. Очекује се да ће се ТЕЦ модул, ТЕ хладњак, примењивати у будућим врхунским моделима возила.

Медицинске и биолошке науке

Преносиви медицински уређаји као што су PCR инструменти и ДНК секвенцери захтевају брзу и прецизну циклусу температуре, а TEC, Пелтиеов модул је основна компонента за контролу температуре. Тренд минијатуризације и преносивости опреме подстакао је развој микро и ефикасног TEC, Пелтиеовог хладњака.

Уређаји за лепоту: Неки врхунски уређаји за лепоту користе Пелтиеов ефекат TEC-а, Пелтиеовог уређаја, за постизање прецизних функција хладне и топле компресије.

Ваздухопловство и посебна окружења

Хлађење инфрацрвеног детектора: У војним, ваздухопловним и научним истраживачким областима, инфрацрвене детекторе је потребно хладити на изузетно ниске температуре (као што је испод -80℃) како би се смањила бука. Вишестепени ТЕЦ модул, вишестепени Пелтиеов модул, вишестепени термоелектрични модул су минијатуризовано и веома поуздано решење за постизање овог циља.

Контрола температуре сателитског корисног терета: Обезбеђивање стабилног термалног окружења за прецизне инструменте на сателитима.

Iv. Суочени изазови и будући изгледи

Главни изазов: Релативно ниска енергетска ефикасност остаје највећи недостатак Пелтиеовог модула TEC модула (термоелектричног модула) у поређењу са традиционалним компресорским хлађењем. Његова термоелектрична ефикасност хлађења је далеко нижа од ефикасности Карноовог циклуса.

Будући изгледи

Пробој у материјалима је крајњи циљ: ако се могу открити или синтетизовати нови материјали са термоелектричном супериорном вредношћу од 3,0 или вишом близу собне температуре (тренутно, комерцијални Bi₂Te₃ је приближно 1,0), то ће покренути револуцију у целој индустрији.

Системска интеграција и интелигенција: Будућа конкуренција ће се више померити са „индивидуалних TEC перформанси“ на могућности целокупног системског решења „TEC + одвођење топлоте + контрола“. Комбиновање са вештачком интелигенцијом за предиктивну контролу температуре је такође један од праваца.

Смањење трошкова и продор на тржиште: Са сазревањем производних процеса и производњом великих размера, очекује се да ће трошкови ТЕЦ-а додатно опадати, чиме ће продрети на тржишта средњег, па чак и масовног ранга.

Укратко, глобална индустрија термоелектричних хладњака тренутно се налази у фази развоја вођеног применом и колаборативних иновација. Иако није дошло до револуционарних промена у основним материјалима, кроз напредак инжењерске технологије и дубоку интеграцију са узводним и низводним технологијама, ТЕЦ Пелтие модул, Пелтие хладњак, проналази своје незаменљиво место у све већем броју нових и високо вредних области, демонстрирајући снажну виталност.