Termoelektrinis aušinimo įrenginys, Peltier aušintuvas (dar vadinamas termoelektriniu aušinimo komponentu) yra kietojo kūno aušinimo įtaisas, pagrįstas Peltier efektu. Jis pasižymi mechaninio judėjimo nebuvimu, šaltnešio nebuvimu, mažu dydžiu, greitu reagavimu ir tiksliu temperatūros valdymu. Pastaraisiais metais jo taikymas plataus vartojimo elektronikoje, medicinos priežiūroje, automobiliuose ir kitose srityse toliau plėtėsi.
I. Pagrindiniai termoelektrinės aušinimo sistemos ir komponentų principai
Termoelektrinio aušinimo esmė yra Peltier efektas: kai dvi skirtingos puslaidininkinės medžiagos (P tipo ir N tipo) sudaro termoelementų porą ir tiekiama nuolatinė srovė, vienas termoelementų poros galas sugeria šilumą (aušinimo galas), o kitas galas išskiria šilumą (šilumos išsklaidymo galas). Keičiant srovės kryptį, aušinimo ir šilumos išsklaidymo galus galima sukeisti vietomis.
Jo aušinimo našumas daugiausia priklauso nuo trijų pagrindinių parametrų:
Termoelektrinis naudingumo koeficientas (ZT vertė): tai pagrindinis rodiklis, vertinant termoelektrinių medžiagų eksploatacines savybes. Kuo didesnė ZT vertė, tuo didesnis aušinimo efektyvumas.
Temperatūros skirtumas tarp karšto ir šalto galų: šilumos išsklaidymo efektas šilumos išsklaidymo gale tiesiogiai lemia aušinimo galią aušinimo gale. Jei šilumos išsklaidymas nėra tolygus, temperatūros skirtumas tarp karšto ir šalto galų sumažės, o aušinimo efektyvumas smarkiai sumažės.
Darbinė srovė: Nominaliame diapazone srovės padidėjimas padidina aušinimo pajėgumą. Tačiau viršijus ribą, efektyvumas sumažėja dėl padidėjusio džaulio šilumos kiekio.
II Termoelektrinių aušinimo įrenginių (Peltjė aušinimo sistemos) vystymosi istorija ir technologiniai proveržiai
Pastaraisiais metais termoelektrinių aušinimo komponentų kūrimas buvo sutelktas į dvi pagrindines kryptis: medžiagų inovacijas ir konstrukcijų optimizavimą.
Didelio našumo termoelektrinių medžiagų tyrimai ir kūrimas
Tradicinių Bi₂Te₃ pagrindu pagamintų medžiagų ZT vertė buvo padidinta iki 1,2–1,5, naudojant legiravimą (pvz., Sb, Se) ir nanoskalės apdorojimą.
Naujos medžiagos, tokios kaip švino telūridas (PbTe) ir silicio-germanio lydinys (SiGe), ypač gerai veikia vidutinės ir aukštos temperatūros sąlygomis (nuo 200 iki 500 ℃).
Tikimasi, kad naujos medžiagos, tokios kaip organinės-neorganinės kompozicinės termoelektrinės medžiagos ir topologiniai izoliatoriai, dar labiau sumažins sąnaudas ir pagerins efektyvumą.
Komponentų struktūros optimizavimas
Miniatiūrizacijos projektavimas: mikronų masto termoelementų paruošimas naudojant MEMS (mikroelektromechaninių sistemų) technologiją, kad būtų patenkinti plataus vartojimo elektronikos miniatiūrizacijos reikalavimai.
Modulinė integracija: Prijunkite kelis termoelektrinius įrenginius nuosekliai arba lygiagrečiai, kad suformuotumėte didelio galingumo termoelektrinius aušinimo modulius, Peltier aušintuvus, Peltier įrenginius, atitinkančius pramoninio lygio termoelektrinio aušinimo reikalavimus.
Integruota šilumos išsklaidymo struktūra: integruokite aušinimo briaunas su šilumos išsklaidymo briaunomis ir šilumos vamzdžiais, kad padidintumėte šilumos išsklaidymo efektyvumą ir sumažintumėte bendrą tūrį.
III Tipiniai termoelektrinių aušinimo įrenginių, termoelektrinių aušinimo komponentų taikymo scenarijai
Didžiausias termoelektrinių aušinimo įrenginių privalumas yra jų kietakūnis pobūdis, tylus veikimas ir tikslus temperatūros valdymas. Todėl jie užima nepakeičiamą vietą tais atvejais, kai kompresoriai netinka vėsinimui.
Vartotojų elektronikos srityje
Mobiliųjų telefonų šilumos išsklaidymas: aukščiausios klasės žaidimų telefonuose įrengti mikro termoelektriniai aušinimo moduliai, TEC moduliai, Peltier įtaisai, Peltier moduliai, kurie kartu su skysčio aušinimo sistemomis gali greitai sumažinti lusto temperatūrą, užkertant kelią dažnio sumažėjimui dėl perkaitimo žaidimų metu.
Automobiliniai šaldytuvai, automobilių aušintuvai: Maži automobilių šaldytuvai dažniausiai naudoja termoelektrinę aušinimo technologiją, kuri sujungia aušinimo ir šildymo funkcijas (šildymas gali būti atliekamas keičiant srovės kryptį). Jie yra mažo dydžio, sunaudoja mažai energijos ir suderinami su automobilio 12 V maitinimo šaltiniu.
Gėrimų aušinimo puodelis / izoliuotas puodelis: Nešiojamas aušinimo puodelis turi įmontuotą mikro aušinimo plokštelę, kuri gali greitai atvėsinti gėrimus iki 5–15 laipsnių Celsijaus, nenaudojant šaldytuvo.
2. Medicinos ir biologijos sritys
Tiksli temperatūros reguliavimo įranga: tokiai kaip PGR prietaisai (polimerazės grandininės reakcijos prietaisai) ir kraujo šaldytuvai, reikalinga stabili žemos temperatūros aplinka. Puslaidininkiniai šaldymo komponentai gali pasiekti tikslų temperatūros valdymą ±0,1 ℃ tikslumu, todėl nėra šaltnešio užteršimo rizikos.
Nešiojamieji medicinos prietaisai: tokie kaip insulino šaldymo dėžutės, kurios yra mažo dydžio ir turi ilgą baterijos veikimo laiką, tinka diabetu sergantiems pacientams nešiotis juos išeinant, užtikrinant insulino laikymo temperatūrą.
Lazerinės įrangos temperatūros valdymas: Medicininių lazerinio gydymo prietaisų (pvz., lazerių) pagrindiniai komponentai yra jautrūs temperatūrai, o puslaidininkiniai aušinimo komponentai gali išsklaidyti šilumą realiuoju laiku, kad būtų užtikrintas stabilus įrangos veikimas.
3. Pramonės ir aviacijos bei kosmoso sritys
Pramoninė nedidelės apimties šaldymo įranga: pvz., elektroninių komponentų senėjimo bandymų kameros ir tiksliųjų prietaisų pastovios temperatūros vonios, kurioms reikalinga vietinė žemos temperatūros aplinka, termoelektriniai aušinimo įrenginiai, termoelektriniai komponentai gali būti pritaikyti pagal poreikį su šaldymo galia.
Kosmoso įranga: Kosminiuose laivuose esantys elektroniniai prietaisai sunkiai išsklaido šilumą vakuuminėje aplinkoje. Termoelektrinės aušinimo sistemos, termoelektriniai aušinimo įrenginiai, termoelektriniai komponentai, kaip kietojo kūno įtaisai, yra labai patikimi ir nevibruojantys, todėl gali būti naudojami elektroninės įrangos temperatūrai valdyti palydovuose ir kosminėse stotyse.
4. Kiti kylantys scenarijai
Nešiojamieji įrenginiai: išmanieji vėsinamieji šalmai ir vėsinamieji kostiumai su įmontuotomis lanksčiomis termoelektrinėmis vėsinimo plokštėmis gali užtikrinti vietinį žmogaus kūno vėsinimą aukštoje temperatūroje ir yra tinkami dirbant lauke.
Šaltos grandinės logistika: Mažos šaltos grandinės pakavimo dėžės, maitinamos termoelektriniu aušinimu, Peltier aušinimu ir baterijomis, gali būti naudojamos vakcinų ir šviežių produktų transportavimui trumpais atstumais, nenaudojant didelių šaldytuvų sunkvežimių.
IV. Termoelektrinių aušinimo įrenginių ir Peltier aušinimo komponentų apribojimai ir plėtros tendencijos
Esami apribojimai
Aušinimo efektyvumas yra gana mažas: jo energijos vartojimo efektyvumo koeficientas (COP) paprastai yra nuo 0,3 iki 0,8, tai yra daug mažiau nei kompresorinio aušinimo (COP gali siekti nuo 2 iki 5), ir netinka didelio masto ir didelio našumo aušinimo scenarijams.
Dideli šilumos išsklaidymo reikalavimai: jei šilumos išsklaidymo gale susidariusi šiluma negali būti laiku išleidžiama, tai labai paveiks aušinimo efektą. Todėl jame turi būti įrengta efektyvi šilumos išsklaidymo sistema, o tai riboja taikymą kai kuriuose kompaktiškuose scenarijuose.
Didelė kaina: Didelio našumo termoelektrinių medžiagų (pvz., nanodalelėmis legiruotų Bi₂Te₃) paruošimo kaina yra didesnė nei tradicinių šaldymo medžiagų, todėl aukštos klasės komponentų kaina yra gana didelė.
2. Būsimos plėtros tendencijos
Medžiagų proveržis: sukurti nebrangias, didelės ZT vertės termoelektrines medžiagas, siekiant padidinti ZT vertę kambario temperatūroje iki daugiau nei 2,0 ir sumažinti efektyvumo skirtumą, palyginti su kompresoriniu šaldymu.
Lankstumas ir integravimas: kurti lanksčius termoelektrinius aušinimo modulius, TEC modulius, termoelektrinius modulius, Peltier įtaisus, Peltier modulius, Peltier aušintuvus, pritaikytus prie išlenktų paviršių įtaisų (pvz., mobiliųjų telefonų su lanksčiais ekranais ir išmaniųjų nešiojamųjų įrenginių); skatinti termoelektrinių aušinimo komponentų integravimą su lustomis ir jutikliais, siekiant „lustų lygio temperatūros kontrolės“.
Energiją taupantis dizainas: integruojant daiktų interneto (IoT) technologiją, pasiekiamas išmanus aušinimo komponentų paleidimas-sustabdymas ir galios reguliavimas, taip sumažinant bendras energijos suvartojimą.
V. Santrauka
Termoelektriniai aušinimo įrenginiai, Peltier aušinimo įrenginiai, termoelektrinės aušinimo sistemos, pasižyminčios unikaliais kietojo kūno, tylaus veikimo ir tiksliai kontroliuojamos temperatūros privalumais, užima svarbią vietą tokiose srityse kaip plataus vartojimo elektronika, medicininė priežiūra ir aviacijos bei kosmoso pramonė. Nuolat tobulinant termoelektrinių medžiagų technologiją ir konstrukcijų projektavimą, jų aušinimo efektyvumo ir kainos problemos palaipsniui gerės, ir tikimasi, kad ateityje jie konkretesniuose scenarijuose pakeis tradicines aušinimo technologijas.
Įrašo laikas: 2025 m. gruodžio 12 d.
