Nauja termoelektrinio aušinimo pramonės plėtros kryptis

Nauja termoelektrinio aušinimo pramonės plėtros kryptis

Termoelektriniai aušintuvai, dar vadinami termoelektriniais aušinimo moduliais, turi nepakeičiamų pranašumų specifinėse srityse dėl tokių savybių kaip judančių dalių nebuvimas, tikslus temperatūros valdymas, mažas dydis ir didelis patikimumas. Pastaraisiais metais šioje srityje nebuvo pasiekta jokio proveržio pagrindinių medžiagų srityje, tačiau padaryta didelė pažanga optimizuojant medžiagas, projektuojant sistemas ir plečiant pritaikymą.

Štai kelios pagrindinės naujos plėtros kryptys:

I. Pagrindinių medžiagų ir įtaisų pažanga

Nuolatinis termoelektrinių medžiagų našumo optimizavimas

Tradicinių medžiagų (Bi₂Te₃ pagrindu) optimizavimas: Bismuto telūro junginiai išlieka geriausiai veikiančiomis medžiagomis kambario temperatūroje. Dabartiniai tyrimai daugiausia dėmesio skiria jų termoelektrinių savybių didinimui tokiais procesais kaip nanodalelių dydis, legiravimas ir tekstūravimas. Pavyzdžiui, gaminant nanolaidus ir supergardelių struktūras, siekiant pagerinti fononų sklaidą ir sumažinti šilumos laidumą, efektyvumą galima padidinti reikšmingai nepaveikiant elektrinio laidumo.

Naujų medžiagų tyrinėjimas: Nors jos dar nėra komerciškai prieinamos dideliu mastu, tyrėjai tyrinėja naujas medžiagas, tokias kaip SnSe, Mg₃Sb₂ ir CsBi₄Te₆, kurios tam tikrose temperatūros zonose gali turėti didesnį potencialą nei Bi₂Te₃, todėl ateityje gali kilti našumo šuolių.

Įrenginių struktūros ir integravimo proceso inovacijos

Miniatiūrizavimas ir išdėstymas: Siekiant patenkinti mikroįrenginių, tokių kaip plataus vartojimo elektronika (pvz., mobiliųjų telefonų šilumos išsklaidymo galiniai spaustukai) ir optinių ryšio įrenginių, šilumos išsklaidymo reikalavimus, mikro-TEC (mikro termoelektrinių aušinimo modulių, miniatiūrinių termoelektrinių modulių) gamybos procesas tampa vis sudėtingesnis. Galima gaminti Peltier modulius, Peltier aušintuvus, Peltier įtaisus, termoelektrinius įtaisus, kurių dydis yra tik 1 × 1 mm ar net mažesnis, ir juos galima lanksčiai integruoti į matricas, kad būtų pasiektas tikslus vietinis aušinimas.

Lankstus TEC modulis (Peltjė modulis): Tai nauja ir aktuali tema. Naudojant tokias technologijas kaip spausdinta elektronika ir lanksčios medžiagos, gaminami neplokštieji TEC moduliai, Peltjė įtaisai, kuriuos galima sulenkti ir priklijuoti. Tai turi plačias perspektyvas tokiose srityse kaip nešiojami elektroniniai prietaisai ir vietinė biomedicina (pvz., nešiojami šalti kompresai).

Daugiapakopis struktūros optimizavimas: scenarijams, kuriems reikalingas didesnis temperatūrų skirtumas, daugiapakopis TEC modulis, daugiapakopiai termoelektriniai aušinimo moduliai išlieka pagrindiniu sprendimu. Dabartinė pažanga atsispindi konstrukcijų projektavimo ir sujungimo procesuose, siekiant sumažinti tarppakopę šiluminę varžą, padidinti bendrą patikimumą ir maksimalų temperatūros skirtumą.

II. Sisteminio lygio programų ir sprendimų plėtra

Šiuo metu tai dinamiškiausia sritis, kurioje galima tiesiogiai stebėti naujus pokyčius.

Karštųjų šilumos išsklaidymo technologijų bendra evoliucija

Pagrindinis veiksnys, ribojantis TEC modulio, termoelektrinio modulio, Peltier modulio našumą, dažnai yra šilumos išsklaidymo pajėgumas karštajame gale. TEC našumo gerinimas yra abipusiai stiprinamas kartu su didelio efektyvumo šilumos kriauklės technologijos plėtra.

Kartu su VC garų kameromis / šilumos vamzdžiais: plataus vartojimo elektronikos srityje TEC modulis, Peltier įrenginys dažnai derinamas su vakuuminėmis garų kameromis. TEC modulis, Peltier aušintuvas, yra atsakingas už aktyvų žemos temperatūros zonos sukūrimą, o VC efektyviai išsklaido šilumą nuo karštojo TEC modulio, Peltier elemento, galo iki didesnių šilumos išsklaidymo briaunų, sudarydamas sisteminį „aktyvaus aušinimo + efektyvaus šilumos laidumo ir pašalinimo“ sprendimą. Tai nauja žaidimų telefonų ir aukščiausios klasės vaizdo plokščių šilumos išsklaidymo modulių tendencija.

Derinimas su skysčio aušinimo sistemomis: tokiose srityse kaip duomenų centrai ir didelės galios lazeriai, TEC modulis derinamas su skysčio aušinimo sistemomis. Pasinaudojant itin didele skysčių savitąja šilumos talpa, šiluma pašalinama karštajame TEC modulio termoelektrinio modulio gale, taip pasiekiant precedento neturintį efektyvų aušinimo pajėgumą.

Pažangus valdymas ir energijos vartojimo efektyvumo valdymas

Šiuolaikinėse termoelektrinėse aušinimo sistemose vis dažniau integruojami didelio tikslumo temperatūros jutikliai ir PID/PWM valdikliai. Realiuoju laiku reguliuojant termoelektrinio modulio, TEC modulio ir Peltier modulio įėjimo srovę/įtampą algoritmais, galima pasiekti ±0,1 ℃ ar net aukštesnį temperatūros stabilumą, tuo pačiu išvengiant perkrovų ir virpesių bei taupant energiją.

Impulsinis veikimo režimas: kai kuriais atvejais impulsinio maitinimo šaltinio naudojimas vietoj nuolatinio maitinimo šaltinio gali patenkinti momentinius aušinimo reikalavimus, tuo pačiu žymiai sumažinant bendrą energijos suvartojimą ir subalansuojant šilumos apkrovą.

Iii. Naujos ir sparčiai augančios taikymo sritys

Šilumos išsklaidymas plataus vartojimo elektronikoje

Žaidimų telefonai ir e. sporto priedai: tai vienas didžiausių pastarųjų metų termoelektrinių aušinimo modulių, TEC modulių, pletier modulių rinkos augimo taškų. Aktyvaus aušinimo gale yra įmontuoti termoelektriniai moduliai (TEC moduliai), kurie gali tiesiogiai sumažinti telefono SoC temperatūrą žemiau aplinkos temperatūros, užtikrindami nuolatinį didelį našumą žaidimų metu.

Nešiojamieji ir stacionarūs kompiuteriai: Kai kuriuose aukščiausios klasės nešiojamuosiuose ir vaizdo plokštėse (pvz., „NVIDIA RTX 30/40“ serijos etaloninėse plokštėse) pradėta bandyti integruoti TEC modulius – termoelektrinius modulius, kurie padeda aušinti pagrindinius lustus.

Optinio ryšio ir duomenų centrai

5G/6G optiniai moduliai: Didelės spartos optiniuose moduliuose esantys lazeriai (DFB/EML) yra itin jautrūs temperatūrai ir reikalauja TEC, kad būtų užtikrintas tikslus pastovus temperatūros palaikymas (paprastai ±0,5 ℃ ribose), siekiant užtikrinti bangos ilgio stabilumą ir perdavimo kokybę. Duomenų perdavimo spartai artėjant prie 800 G ir 1,6 T, didėja TEC modulių, termoelektrinių magnetinių Peltier aušintuvų ir Peltier elementų poreikis ir reikalavimai.

Vietinis aušinimas duomenų centruose: viena iš tyrimų krypčių, skirtų energijos vartojimo efektyvumui ir skaičiavimo tankiui duomenų centruose gerinti, yra sutelkti dėmesį į tokius karštuosius taškus kaip CPUS ir GPUS, naudojant TEC modulį tiksliniam patobulintam aušinimui.

Automobilių elektronika

Transporto priemonėje montuojamas lidaras: pagrindiniam lidaro lazeriniam spinduliuotuvui reikalinga stabili darbinė temperatūra. TEC yra pagrindinis komponentas, užtikrinantis normalų jo veikimą atšiauriomis transporto priemonėje montuojamos aplinkos sąlygomis (nuo -40 ℃ iki +105 ℃).

Išmaniosios vairuotojo kabinos ir aukščiausios klasės informacinės ir pramoginės sistemos: didėjant transporto priemonių lustų skaičiavimo galiai, jų šilumos išsklaidymo poreikiai pamažu atitinka plataus vartojimo elektronikos poreikius. Tikimasi, kad TEC modulis, TE aušintuvas, bus naudojamas būsimuose aukščiausios klasės transporto priemonių modeliuose.

Medicinos ir gyvybės mokslai

Nešiojamiesiems medicinos prietaisams, tokiems kaip PGR prietaisai ir DNR sekvenatoriai, reikalingas greitas ir tikslus temperatūros ciklas, o TEC Peltier modulis yra pagrindinis temperatūros reguliavimo komponentas. Įrangos miniatiūrizacijos ir nešiojamumo tendencija paskatino mikro ir efektyvių TEC Peltier aušintuvų kūrimą.

Grožio prietaisai: Kai kurie aukščiausios klasės grožio prietaisai naudoja TEC Peltier efektą, Peltier prietaiso, kad pasiektų tikslias šalto ir karšto kompreso funkcijas.

Aviacija ir speciali aplinka

Infraraudonųjų spindulių detektoriaus aušinimas: Karinėse, aviacijos ir kosmoso bei mokslinių tyrimų srityse infraraudonųjų spindulių detektorius reikia aušinti iki itin žemos temperatūros (pvz., žemesnės nei -80 ℃), kad būtų sumažintas triukšmas. Daugiapakopis TEC modulis, daugiapakopis Peltier modulis, daugiapakopis termoelektrinis modulis yra miniatiūrinis ir labai patikimas sprendimas šiam tikslui pasiekti.

Palydovų naudingosios apkrovos temperatūros valdymas: stabilios terminės aplinkos užtikrinimas palydovuose esantiems tiksliems prietaisams.

Iv. Iššūkiai ir ateities perspektyvos

Pagrindinis iššūkis: santykinai mažas energijos vartojimo efektyvumas išlieka didžiausiu TEC modulio Peltier modulio (termoelektrinio modulio) trūkumu, palyginti su tradiciniu kompresoriniu aušinimu. Jo termoelektrinio aušinimo efektyvumas yra daug mažesnis nei Carnot ciklo.

Ateities perspektyvos

Galutinis tikslas yra medžiagų proveržis: jei pavyks atrasti arba susintetinti naujas medžiagas, kurių termoelektrinis pranašumas kambario temperatūroje yra 3,0 ar didesnis (šiuo metu komercinio Bi₂Te₃ yra maždaug 1,0), tai sukels revoliuciją visoje pramonėje.

Sistemų integravimas ir išmanumas: Ateityje konkurencija labiau persikels nuo „individualaus TEC našumo“ prie bendro sisteminio sprendimo „TEC + šilumos išsklaidymas + valdymas“ galimybių. Derinimas su dirbtiniu intelektu nuspėjamam temperatūros valdymui taip pat yra viena iš krypčių.

Sąnaudų mažinimas ir rinkos skverbimasis: Tobulėjant gamybos procesams ir didelio masto gamybai, tikimasi, kad TEC sąnaudos toliau mažės, todėl įmonė skverbsis į vidutinės ir net masinės rinkos rinkas.

Apibendrinant galima teigti, kad pasaulinė termoelektrinių aušintuvų pramonė šiuo metu yra taikomųjų programų ir bendradarbiavimo pagrindu sukurtų inovacijų plėtros etape. Nors pagrindinių medžiagų srityje revoliucinių pokyčių neįvyko, tačiau dėl inžinerinių technologijų pažangos ir gilios integracijos su tiekėjų ir vartotojų technologijomis TEC modulis „Peltier“ aušintuvas atranda savo nepakeičiamą vietą vis daugiau naujų ir didelės vertės sričių, demonstruodamas didelį gyvybingumą.