Unitățile de răcire termoelectrică, răcitoarele Peltier (cunoscute și sub denumirea de componente de răcire termoelectrică) sunt dispozitive de răcire în stare solidă bazate pe efectul Peltier. Acestea au avantajele că nu se mișcă mecanic, nu utilizează agent frigorific, au dimensiuni reduse, reacție rapidă și control precis al temperaturii. În ultimii ani, aplicațiile lor în electronica de larg consum, îngrijirea medicală, automobile și alte domenii au continuat să se extindă.
I. Principiile de bază ale sistemului și componentelor de răcire termoelectrică
Nucleul răcirii termoelectrice este efectul Peltier: atunci când două materiale semiconductoare diferite (tip P și tip N) formează o pereche de termocuple și se aplică un curent continuu, un capăt al perechii de termocuple va absorbi căldură (capătul de răcire), iar celălalt capăt va elibera căldură (capătul de disipare a căldurii). Prin schimbarea direcției curentului, capătul de răcire și capătul de disipare a căldurii pot fi interschimbate.
Performanța sa de răcire depinde în principal de trei parametri principali:
Coeficientul de merit termoelectric (valoarea ZT): Este un indicator cheie pentru evaluarea performanței materialelor termoelectrice. Cu cât valoarea ZT este mai mare, cu atât eficiența de răcire este mai mare.
Diferența de temperatură dintre capetele calde și reci: Efectul de disipare a căldurii la capătul de disipare a căldurii determină direct capacitatea de răcire la capătul de răcire. Dacă disiparea căldurii nu este uniformă, diferența de temperatură dintre capetele calde și reci se va micșora, iar eficiența răcirii va scădea brusc.
Curent de funcționare: În intervalul nominal, o creștere a curentului îmbunătățește capacitatea de răcire. Cu toate acestea, odată ce pragul este depășit, eficiența va scădea din cauza creșterii căldurii exprimate de efect Joule.
II Istoricul dezvoltării și descoperirile tehnologice ale unităților de răcire termoelectrică (sistem de răcire Peltier)
În ultimii ani, dezvoltarea componentelor de răcire termoelectrică s-a concentrat pe două direcții majore: inovarea materialelor și optimizarea structurală.
Cercetare și dezvoltare de materiale termoelectrice de înaltă performanță
Valoarea ZT a materialelor tradiționale pe bază de Bi₂Te₃ a fost crescută la 1,2-1,5 prin dopare (cum ar fi Sb, Se) și tratament la nanoscală.
Materiale noi, cum ar fi telurura de plumb (PbTe) și aliajul de siliciu-germaniu (SiGe), au performanțe excepționale în scenarii de temperaturi medii și ridicate (200 până la 500 ℃).
Se așteaptă ca noile materiale, cum ar fi materialele termoelectrice compozite organice-anorganice și izolatorii topologici, să reducă și mai mult costurile și să îmbunătățească eficiența.
Optimizarea structurii componentelor
Proiectare de miniaturizare: Pregătirea de termopile la scară micronică prin tehnologia MEMS (sisteme micro-electro-mecanice) pentru a îndeplini cerințele de miniaturizare ale electronicelor de larg consum.
Integrare modulară: Conectați mai multe unități termoelectrice în serie sau în paralel pentru a forma module de răcire termoelectrică de mare putere, răcitoare Peltier, dispozitive Peltier, care îndeplinesc cerințele de răcire termoelectrică de nivel industrial.
Structură integrată de disipare a căldurii: Integrați aripioarele de răcire cu aripioarele de disipare a căldurii și conductele de căldură pentru a îmbunătăți eficiența disipării căldurii și a reduce volumul total.
III Scenarii tipice de aplicare ale unităților de răcire termoelectrică, componentelor de răcire termoelectrică
Cel mai mare avantaj al unităților de răcire termoelectrice constă în natura lor solidă, funcționarea silențioasă și controlul precis al temperaturii. Prin urmare, acestea ocupă o poziție de neînlocuit în scenariile în care compresoarele nu sunt potrivite pentru răcire.
În domeniul electronicelor de larg consum
Disiparea căldurii telefoanelor mobile: Telefoanele de gaming de înaltă performanță sunt echipate cu module de răcire microtermoelectrice, module TEC, dispozitive Peltier, module Peltier, care, în combinație cu sistemele de răcire cu lichid, pot reduce rapid temperatura cipului, prevenind reducerea frecvenței din cauza supraîncălzirii în timpul jocurilor.
Frigidere auto, Ladă frigorifică auto: Frigiderele auto mici adoptă în mare parte tehnologia de răcire termoelectrică, care combină funcțiile de răcire și încălzire (încălzirea se poate realiza prin schimbarea direcției curentului). Sunt de dimensiuni reduse, au un consum redus de energie și sunt compatibile cu sursa de alimentare de 12V a unei mașini.
Cana de răcire a băuturilor/cana izolată: Cana de răcire portabilă este echipată cu o placă de micro-răcire încorporată, care poate răci rapid băuturile la 5 până la 15 grade Celsius fără a fi nevoie de un frigider.
2. Domenii medicale și biologice
Echipamente de control precis al temperaturii: cum ar fi instrumentele PCR (instrumente pentru reacția în lanț a polimerazei) și frigiderele pentru sânge, necesită un mediu stabil la temperatură scăzută. Componentele semiconductoare de refrigerare pot realiza un control precis al temperaturii în limita a ±0,1 ℃, fără riscul de contaminare cu agent frigorific.
Dispozitive medicale portabile: cum ar fi cutiile de refrigerare pentru insulină, care sunt de dimensiuni mici și au o durată lungă de viață a bateriei, sunt potrivite pentru pacienții diabetici pentru a le transporta atunci când ies în oraș, asigurând temperatura de depozitare a insulinei.
Controlul temperaturii echipamentelor laser: Componentele principale ale dispozitivelor medicale de tratament cu laser (cum ar fi laserele) sunt sensibile la temperatură, iar componentele de răcire a semiconductorilor pot disipa căldura în timp real pentru a asigura funcționarea stabilă a echipamentului.
3. Domenii industriale și aerospațiale
Echipamente frigorifice industriale la scară mică: cum ar fi camerele de testare a îmbătrânirii componentelor electronice și băile la temperatură constantă pentru instrumente de precizie, care necesită un mediu local cu temperatură scăzută, unitățile de răcire termoelectrică, componentele termoelectrice pot fi personalizate cu putere de refrigerare după cum este necesar.
Echipamente aerospațiale: Dispozitivele electronice din navele spațiale au dificultăți în disiparea căldurii într-un mediu vid. Sistemele de răcire termoelectrică, unitățile de răcire termoelectrică, componentele termoelectrice, ca dispozitive în stare solidă, sunt extrem de fiabile și fără vibrații și pot fi utilizate pentru controlul temperaturii echipamentelor electronice din sateliți și stații spațiale.
4. Alte scenarii emergente
Dispozitive purtabile: Căștile și costumele de răcire inteligente, cu plăci de răcire termoelectrice flexibile încorporate, pot asigura răcirea locală a corpului uman în medii cu temperaturi ridicate și sunt potrivite pentru persoanele care lucrează în aer liber.
Logistica lanțului frigorific: Cutiile mici de ambalare în lanțul frigorific, alimentate cu răcire termoelectrică, răcire Peltier și baterii, pot fi utilizate pentru transportul pe distanțe scurte al vaccinurilor și produselor proaspete, fără a se baza pe camioane frigorifice mari.
IV. Limitări și tendințe de dezvoltare ale unităților de răcire termoelectrică, componentelor de răcire Peltier
Limitări existente
Eficiența de răcire este relativ scăzută: raportul său de eficiență energetică (COP) este de obicei între 0,3 și 0,8, mult mai mic decât cel al răcirii cu compresor (COP poate ajunge la 2 până la 5) și nu este potrivit pentru scenarii de răcire la scară largă și de mare capacitate.
Cerințe ridicate de disipare a căldurii: Dacă căldura de la capătul de disipare a căldurii nu poate fi evacuată la timp, acest lucru va afecta serios efectul de răcire. Prin urmare, trebuie echipat cu un sistem eficient de disipare a căldurii, ceea ce limitează aplicarea în anumite scenarii compacte.
Cost ridicat: Costul de preparare a materialelor termoelectrice de înaltă performanță (cum ar fi Bi₂Te₃ nano-dopat) este mai mare decât cel al materialelor de refrigerare tradiționale, ceea ce duce la un preț relativ ridicat al componentelor de înaltă performanță.
2. Tendințe viitoare de dezvoltare
Descoperire în materie de materiale: Dezvoltarea de materiale termoelectrice cu costuri reduse și valoare ZT ridicată, cu scopul de a crește valoarea ZT la temperatura camerei la peste 2,0 și de a reduce decalajul de eficiență față de refrigerarea cu compresor.
Flexibilitate și integrare: Dezvoltarea de module flexibile de răcire termoelectrică, module TEC, module termoelectrice, dispozitive Peltier, module Peltier, răcitoare Peltier, pentru a se adapta dispozitivelor cu suprafețe curbate (cum ar fi telefoanele mobile cu ecran flexibil și dispozitivele inteligente purtabile); Promovarea integrării componentelor de răcire termoelectrică cu cipuri și senzori pentru a realiza „controlul temperaturii la nivel de cip”.
Design cu economie de energie: Prin integrarea tehnologiei Internet of Things (IoT), se realizează pornirea-oprirea inteligentă și reglarea puterii componentelor de răcire, reducând consumul total de energie.
V. Rezumat
Unitățile de răcire termoelectrică, unitățile de răcire Peltier, sistemele de răcire termoelectrică, cu avantajele lor unice de a fi în stare solidă, silențioase și cu temperatură controlată cu precizie, ocupă o poziție importantă în domenii precum electronica de larg consum, asistența medicală și industria aerospațială. Odată cu modernizarea continuă a tehnologiei materialelor termoelectrice și a designului structural, problemele legate de eficiența și costul răcirii se vor îmbunătăți treptat și se așteaptă ca acestea să înlocuiască tehnologia tradițională de răcire în scenarii mai specifice în viitor.
Data publicării: 12 decembrie 2025
