Noua direcție de dezvoltare a industriei de răcire termoelectrică

Noua direcție de dezvoltare a industriei de răcire termoelectrică

Răcitoarele termoelectrice, cunoscute și sub denumirea de module de răcire termoelectrică, au avantaje de neînlocuit în domenii specifice datorită caracteristicilor lor, cum ar fi lipsa pieselor mobile, controlul precis al temperaturii, dimensiunile reduse și fiabilitatea ridicată. În ultimii ani, nu au existat progrese disruptive în domeniul materialelor de bază, dar s-au înregistrat progrese semnificative în optimizarea materialelor, proiectarea sistemelor și extinderea aplicațiilor.

Următoarele sunt câteva direcții majore noi de dezvoltare:

I. Progrese în materialele și dispozitivele de bază

Optimizarea continuă a performanței materialelor termoelectrice

Optimizarea materialelor tradiționale (pe bază de Bi₂Te₃): Compușii de telur și bismut rămân cele mai performante materiale aproape de temperatura camerei. Cercetarea actuală se concentrează pe îmbunătățirea valorii sale termoelectrice prin procese precum nanodimensionarea, doparea și texturarea. De exemplu, prin fabricarea de nanofirele și structurile de superrețea pentru a îmbunătăți împrăștierea fononicilor și a reduce conductivitatea termică, eficiența poate fi îmbunătățită fără a afecta semnificativ conductivitatea electrică.

Explorarea de noi materiale: Deși nu sunt încă disponibile comercial la scară largă, cercetătorii au explorat noi materiale, cum ar fi SnSe, Mg₃Sb₂ și CsBi₄Te₆, care ar putea avea un potențial mai mare decât Bi₂Te₃ în anumite zone de temperatură, oferind posibilitatea unor viitoare îmbunătățiri ale performanței.

Inovație în structura dispozitivului și procesul de integrare

Miniaturizare și asamblare: Pentru a îndeplini cerințele de disipare a căldurii ale micro-dispozitivelor precum electronicele de larg consum (cum ar fi clemele de disipare a căldurii pentru telefoanele mobile) și dispozitivele de comunicații optice, procesul de fabricație a micro-TEC (micromodule de răcire termoelectrică, module termoelectrice miniaturizate) devine din ce în ce mai sofisticat. Este posibilă fabricarea de module Peltier, răcitoare Peltier, dispozitive Peltier, dispozitive termoelectrice cu o dimensiune de numai 1×1 mm sau chiar mai mici, și acestea pot fi integrate flexibil în rețele pentru a obține o răcire locală precisă.

Modul TEC flexibil (modul Peltier): Acesta este un subiect emergent și de mare interes. Prin utilizarea tehnologiilor precum electronica imprimată și materialele flexibile, se fabrică module TEC neplanare, dispozitive Peltier care pot fi îndoite și lipite. Acest lucru are perspective largi în domenii precum dispozitivele electronice purtabile și biomedicina locală (cum ar fi compresele reci portabile).

Optimizarea structurii pe mai multe niveluri: Pentru scenariile care necesită o diferență de temperatură mai mare, modulul TEC multi-etajat și modulele de răcire termoelectrică multi-etajată rămân soluția principală. Progresul actual se reflectă în proiectarea structurală și în procesele de lipire, vizând reducerea rezistenței termice inter-etajate, îmbunătățirea fiabilității generale și a diferenței maxime de temperatură.

Ii. Extinderea aplicațiilor și soluțiilor la nivel de sistem

Acesta este în prezent domeniul cel mai dinamic în care noile evoluții pot fi observate direct.

Co-evoluția tehnologiei de disipare a căldurii la capătul fierbinte

Factorul cheie care restricționează performanța modulului TEC, a modulului termoelectric sau a modulului Peltier este adesea capacitatea de disipare a căldurii la capătul fierbinte. Îmbunătățirea performanței TEC se consolidează reciproc odată cu dezvoltarea tehnologiei radiatoarelor de înaltă eficiență.

Combinate cu camere de vapori/conducte de căldură VC: În domeniul electronicii de larg consum, modulul TEC, dispozitivul Peltier, este adesea combinat cu camere de vapori cu vid. Modulul TEC, răcitorul Peltier, este responsabil pentru crearea activă a zonei de temperatură scăzută, în timp ce VC difuzează eficient căldura de la capătul fierbinte al modulului TEC, elementul Peltier, către aripioarele mai mari de disipare a căldurii, formând o soluție de sistem de „răcire activă + conducere și eliminare eficientă a căldurii”. Aceasta este o nouă tendință în modulele de disipare a căldurii pentru telefoanele de gaming și plăcile grafice de înaltă performanță.

Combinat cu sisteme de răcire cu lichid: În domenii precum centrele de date și laserele de mare putere, modulul TEC este combinat cu sisteme de răcire cu lichid. Profitând de capacitatea termică specifică extrem de mare a lichidelor, căldura de la capătul fierbinte al modulului termoelectric TEC este eliminată, obținându-se o capacitate de răcire fără precedent.

Control inteligent și management al eficienței energetice

Sistemele moderne de răcire termoelectrică integrează din ce în ce mai mult senzori de temperatură de înaltă precizie și regulatoare PID/PWM. Prin ajustarea curentului/tensiunii de intrare a modulului termoelectric, a modulului TEC și a modulului Peltier în timp real prin intermediul unor algoritmi, se poate obține o stabilitate a temperaturii de ±0,1 ℃ sau chiar mai mare, evitând în același timp supraîncărcarea și oscilațiile și economisind energie.

Mod de funcționare în impulsuri: Pentru unele aplicații, utilizarea alimentării cu impulsuri în locul alimentării continue poate satisface cerințele de răcire instantanee, reducând în același timp semnificativ consumul total de energie și echilibrând sarcina termică.

Iii. Domenii de aplicare emergente și cu creștere rapidă

Disiparea căldurii pentru electronicele de larg consum

Telefoane de gaming și accesorii pentru e-sports: Acesta este unul dintre cele mai mari puncte de creștere pe piața modulelor de răcire termoelectrică, a modulelor TEC și a modulelor Pletier din ultimii ani. Clema de răcire activă din spate este echipată cu module termoelectrice încorporate (module TEC), care pot reduce direct temperatura SoC-ului telefonului sub temperatura ambiantă, asigurând performanțe ridicate continue în timpul jocurilor.

Laptopuri și desktopuri: Unele laptopuri și plăci grafice de ultimă generație (cum ar fi plăcile de referință din seria NVIDIA RTX 30/40) au început să încerce să integreze module TEC, module termoelectrice pentru a ajuta la răcirea cipurilor principale.

Centre de comunicații optice și date

Module optice 5G/6G: Laserele (DFB/EML) din modulele optice de mare viteză sunt extrem de sensibile la temperatură și necesită un semnal TEC pentru o temperatură constantă precisă (de obicei, în limita a ±0,5 ℃) pentru a asigura stabilitatea lungimii de undă și calitatea transmisiei. Pe măsură ce ratele de date evoluează spre 800G și 1,6T, cererea și cerințele pentru modulele TEC, modulele termoelectrice, răcitoarele Peltier și elementele Peltier sunt în creștere.

Răcire locală în centrele de date: Concentrându-se pe puncte fierbinți precum CPU-urile și GPU-urile, utilizarea modulului TEC pentru o răcire îmbunătățită țintită este una dintre direcțiile de cercetare pentru îmbunătățirea eficienței energetice și a densității de calcul în centrele de date.

Electronică auto

Lidar montat pe vehicul: Miezul emițătorului laser al lidarului necesită o temperatură de funcționare stabilă. TEC este o componentă cheie care asigură funcționarea normală a acestuia în mediul dificil montat pe vehicul (-40℃ până la +105℃).

Cabine inteligente și sisteme de infotainment de înaltă performanță: Odată cu creșterea puterii de calcul a cipurilor din vehicule, cerințele lor de disipare a căldurii se aliniază treptat cu cele ale electronicelor de larg consum. Se așteaptă ca modulul TEC, răcitorul TE, să fie utilizat în viitoarele modele de vehicule de înaltă performanță.

Științe medicale și ale vieții

Dispozitivele medicale portabile, cum ar fi instrumentele PCR și secvențiatoarele de ADN, necesită cicluri de temperatură rapide și precise, iar modulul Peltier TEC este componenta centrală de control al temperaturii. Tendința de miniaturizare și portabilitate a echipamentelor a impulsionat dezvoltarea unor răcitoare Peltier TEC micro și eficiente.

Dispozitive de înfrumusețare: Unele dispozitive de înfrumusețare de înaltă calitate utilizează efectul Peltier al TEC, dispozitivul Peltier pentru a obține funcții precise de compresie rece și caldă.

Aerospațială și medii speciale

Răcirea detectorului cu infraroșu: În domeniile militar, aerospațial și al cercetării științifice, detectoarele cu infraroșu trebuie răcite la temperaturi extrem de scăzute (cum ar fi sub -80 ℃) pentru a reduce zgomotul. Modulul TEC multi-etajat, modulul Peltier multi-etajat și modulul termoelectric multi-etajat reprezintă o soluție miniaturizată și extrem de fiabilă pentru atingerea acestui obiectiv.

Controlul temperaturii sarcinii utile a satelitului: Asigurarea unui mediu termic stabil pentru instrumentele de precizie de pe sateliți.

Iv. Provocări cu care ne confruntăm și perspective de viitor

Principala provocare: Eficiența energetică relativ scăzută rămâne cel mai mare neajuns al modulului Peltier (modul termoelectric) al modulului TEC în comparație cu răcirea tradițională cu compresor. Eficiența răcirii termoelectrice este mult mai mică decât cea a ciclului Carnot.

Perspective de viitor

Descoperirea progresului în domeniul materialelor este obiectivul final: dacă se pot descoperi sau sintetiza noi materiale cu o valoare de superioritate termoelectrică de 3,0 sau mai mare aproape de temperatura camerei (în prezent, Bi₂Te₃ comercial are o valoare de aproximativ 1,0), acest lucru va declanșa o revoluție în întreaga industrie.

Integrarea sistemelor și inteligența: Concurența viitoare se va muta mai mult de la „performanța TEC individuală” la capacitatea unei soluții de sistem globale de „TEC + disipare a căldurii + control”. Combinarea cu inteligența artificială pentru controlul predictiv al temperaturii este, de asemenea, o direcție.

Reducerea costurilor și penetrarea pieței: Odată cu maturizarea proceselor de fabricație și a producției la scară largă, se așteaptă ca costurile TEC să scadă în continuare, pătrunzând astfel pe piețe de gamă medie și chiar de masă.

În concluzie, industria globală a răcitoarelor termoelectrice se află în prezent într-o etapă de dezvoltare a inovației bazate pe aplicații și colaborative. Deși nu au existat schimbări revoluționare în ceea ce privește materialele de bază, prin avansarea tehnologiei inginerești și integrarea profundă cu tehnologiile din amonte și din aval, modulul Peltier TEC, răcitorul Peltier, își găsește poziția de neînlocuit într-un număr tot mai mare de domenii emergente și de mare valoare, demonstrând o vitalitate puternică.