Termoelektryczne jednostki chłodzące, chłodnice Peltiera (znane również jako termoelektryczne komponenty chłodzące) to półprzewodnikowe urządzenia chłodzące oparte na efekcie Peltiera. Ich zaletami są brak ruchu mechanicznego, brak czynnika chłodniczego, niewielkie rozmiary, szybka reakcja i precyzyjna kontrola temperatury. W ostatnich latach ich zastosowania w elektronice użytkowej, opiece medycznej, motoryzacji i innych dziedzinach stale się rozwijają.
I. Podstawowe zasady działania termoelektrycznego układu chłodzenia i jego komponentów
Podstawą chłodzenia termoelektrycznego jest efekt Peltiera: gdy dwa różne materiały półprzewodnikowe (typu P i typu N) tworzą parę termopar, a następnie przyłożony jest do nich prąd stały, jeden koniec pary termopar pochłania ciepło (strona chłodząca), a drugi oddaje ciepło (strona rozpraszająca ciepło). Zmieniając kierunek przepływu prądu, można zamienić stronę chłodzącą i stronę rozpraszającą ciepło.
Wydajność chłodzenia zależy głównie od trzech podstawowych parametrów:
Współczynnik dobroci termoelektrycznej (wartość ZT): Jest to kluczowy wskaźnik oceny wydajności materiałów termoelektrycznych. Im wyższa wartość ZT, tym wyższa wydajność chłodzenia.
Różnica temperatur między gorącym a zimnym końcem: Efekt rozpraszania ciepła po stronie rozpraszania ciepła bezpośrednio determinuje wydajność chłodzenia po stronie chłodzenia. Jeśli rozpraszanie ciepła nie przebiega płynnie, różnica temperatur między gorącym a zimnym końcem zmniejszy się, a wydajność chłodzenia gwałtownie spadnie.
Prąd roboczy: W zakresie znamionowym wzrost prądu zwiększa wydajność chłodzenia. Jednak po przekroczeniu progu wydajność spada z powodu wzrostu ciepła Joule'a.
II Historia rozwoju i przełomy technologiczne w zakresie układów chłodzenia termoelektrycznego (system chłodzenia Peltiera)
W ostatnich latach rozwój termoelektrycznych elementów chłodzących skupił się na dwóch głównych kierunkach: innowacji materiałowych i optymalizacji strukturalnej.
Badania i rozwój wysokowydajnych materiałów termoelektrycznych
Wartość ZT tradycyjnych materiałów na bazie Bi₂Te₃ została zwiększona do 1,2–1,5 poprzez domieszkowanie (takie jak Sb, Se) i obróbkę w skali nano.
Nowe materiały, takie jak tellurek ołowiu (PbTe) i stop krzemu z germanem (SiGe), sprawdzają się wyjątkowo dobrze w warunkach średniej i wysokiej temperatury (200–500℃).
Oczekuje się, że nowe materiały, takie jak organiczno-nieorganiczne kompozytowe materiały termoelektryczne i izolatory topologiczne, pozwolą na dalszą redukcję kosztów i poprawę wydajności.
Optymalizacja struktury komponentów
Projekt miniaturyzacji: Przygotowanie termopil w skali mikronowej przy użyciu technologii MEMS (Mikro-Elektro-Mechanicznych Systemów) w celu spełnienia wymagań miniaturyzacji elektroniki użytkowej.
Integracja modułowa: Możliwość łączenia wielu jednostek termoelektrycznych szeregowo lub równolegle w celu utworzenia modułów chłodzenia termoelektrycznego o dużej mocy, chłodnic Peltiera, urządzeń Peltiera, spełniających wymagania dotyczące chłodzenia termoelektrycznego na poziomie przemysłowym.
Zintegrowana struktura rozpraszania ciepła: Zintegrowano żebra chłodzące z żebrami rozpraszającymi ciepło i rurami cieplnymi, aby zwiększyć wydajność rozpraszania ciepła i zmniejszyć całkowitą objętość.
III Typowe scenariusze zastosowań termoelektrycznych jednostek chłodzących, termoelektrycznych elementów chłodzących
Największą zaletą termoelektrycznych agregatów chłodniczych jest ich półprzewodnikowa konstrukcja, cicha praca i precyzyjna kontrola temperatury. Dzięki temu zajmują one niezastąpioną pozycję w sytuacjach, w których sprężarki nie nadają się do chłodzenia.
W branży elektroniki użytkowej
Rozpraszanie ciepła w telefonach komórkowych: Zaawansowane telefony do gier są wyposażone w mikromoduły chłodzące termoelektryczne, moduły TEC, urządzenia Peltiera, które w połączeniu z systemami chłodzenia cieczą mogą szybko obniżyć temperaturę układu, zapobiegając spadkowi częstotliwości spowodowanemu przegrzaniem podczas grania.
Lodówki samochodowe: Małe lodówki samochodowe wykorzystują głównie technologię chłodzenia termoelektrycznego, która łączy w sobie funkcje chłodzenia i grzania (grzanie można uzyskać poprzez zmianę kierunku przepływu prądu). Są niewielkie, energooszczędne i kompatybilne z zasilaniem samochodowym 12 V.
Kubek chłodzący do napojów/kubek termiczny: Przenośny kubek chłodzący jest wyposażony we wbudowaną mikropłytkę chłodzącą, która umożliwia szybkie schłodzenie napojów do temperatury od 5 do 15 stopni Celsjusza bez konieczności korzystania z lodówki.
2. Dziedziny medycyny i biologii
Precyzyjny sprzęt do kontroli temperatury, taki jak urządzenia do PCR (aparaty do łańcuchowej reakcji polimerazy) i chłodziarki do krwi, wymaga stabilnego, niskotemperaturowego środowiska. Półprzewodnikowe komponenty chłodnicze umożliwiają precyzyjną kontrolę temperatury z dokładnością ±0,1°C, bez ryzyka zanieczyszczenia czynnika chłodniczego.
Przenośne urządzenia medyczne: takie jak pojemniki chłodnicze na insulinę, które mają niewielkie rozmiary i długi czas pracy baterii, są odpowiednie dla pacjentów chorujących na cukrzycę, którzy mogą je zabierać ze sobą poza dom, zapewniając odpowiednią temperaturę przechowywania insuliny.
Kontrola temperatury urządzeń laserowych: Główne komponenty urządzeń do laserowej terapii medycznej (takie jak lasery) są wrażliwe na temperaturę, a półprzewodnikowe elementy chłodzące mogą rozpraszać ciepło w czasie rzeczywistym, zapewniając stabilną pracę sprzętu.
3. Dziedziny przemysłu i lotnictwa
Przemysłowy sprzęt chłodniczy na małą skalę: taki jak komory testowe do starzenia się podzespołów elektronicznych i precyzyjne wanny stałotemperaturowe, które wymagają lokalnego środowiska o niskiej temperaturze, termoelektryczne jednostki chłodzące, podzespoły termoelektryczne można dostosować do potrzeb pod względem mocy chłodzenia.
Sprzęt kosmiczny: Urządzenia elektroniczne w statkach kosmicznych mają trudności z odprowadzaniem ciepła w warunkach próżni. Termoelektryczne systemy chłodzenia, termoelektryczne jednostki chłodzące i komponenty termoelektryczne, jako urządzenia półprzewodnikowe, są wysoce niezawodne i odporne na wibracje, a także mogą być wykorzystywane do kontroli temperatury sprzętu elektronicznego w satelitach i stacjach kosmicznych.
4. Inne pojawiające się scenariusze
Urządzenia przenośne: Inteligentne kaski chłodzące i kombinezony chłodzące z wbudowanymi, elastycznymi płytami termoelektrycznymi chłodzącymi mogą zapewnić miejscowe chłodzenie ciała człowieka w środowiskach o wysokiej temperaturze i nadają się dla osób pracujących na zewnątrz.
Logistyka łańcucha chłodniczego: Małe opakowania do łańcucha chłodniczego, zasilane chłodzeniem termoelektrycznym, chłodzeniem Peltiera i bateriami, można wykorzystywać do krótkodystansowego transportu szczepionek i świeżych produktów bez konieczności korzystania z dużych ciężarówek-chłodni.
IV. Ograniczenia i trendy rozwojowe termoelektrycznych jednostek chłodzących, elementów chłodzących Peltiera
Istniejące ograniczenia
Efektywność chłodzenia jest stosunkowo niska: współczynnik efektywności energetycznej (COP) zwykle mieści się w przedziale od 0,3 do 0,8, czyli jest znacznie niższy niż w przypadku chłodzenia sprężarkowego (COP może wynosić od 2 do 5). Takie rozwiązanie nie nadaje się do scenariuszy chłodzenia na dużą skalę i o dużej wydajności.
Wysokie wymagania dotyczące odprowadzania ciepła: Jeśli ciepło po stronie odprowadzania ciepła nie zostanie odprowadzone na czas, poważnie wpłynie to na efekt chłodzenia. Dlatego urządzenie musi być wyposażone w wydajny system odprowadzania ciepła, co ogranicza jego zastosowanie w niektórych kompaktowych rozwiązaniach.
Wysokie koszty: Koszt przygotowania wysokowydajnych materiałów termoelektrycznych (takich jak nanodomieszkowany Bi₂Te₃) jest wyższy niż w przypadku tradycyjnych materiałów chłodniczych, co przekłada się na stosunkowo wysoką cenę wysokiej klasy komponentów.
2. Przyszłe trendy rozwojowe
Przełom materiałowy: Opracowanie tanich materiałów termoelektrycznych o wysokiej wartości ZT, w celu zwiększenia wartości ZT w temperaturze pokojowej do ponad 2,0 i zmniejszenia różnicy w efektywności z chłodzeniem sprężarkowym.
Elastyczność i integracja: Opracowywanie elastycznych modułów chłodzenia termoelektrycznego, modułów TEC, modułów termoelektrycznych, urządzeń Peltiera, modułów Peltiera, chłodnic Peltiera w celu dostosowania się do urządzeń o zakrzywionych powierzchniach (takich jak telefony komórkowe z elastycznymi ekranami i inteligentne urządzenia noszone); Promowanie integracji elementów chłodzenia termoelektrycznego z układami scalonymi i czujnikami w celu osiągnięcia „kontroli temperatury na poziomie układu scalonego”.
Energooszczędna konstrukcja: dzięki integracji technologii Internetu Rzeczy (IoT) osiągnięto inteligentny system włączania i wyłączania oraz regulacji mocy podzespołów chłodzących, co pozwala zmniejszyć ogólne zużycie energii.
V. Podsumowanie
Termoelektryczne jednostki chłodzące, jednostki Peltiera i termoelektryczne systemy chłodzenia, dzięki swoim unikalnym zaletom półprzewodnikowej technologii, cichej pracy i precyzyjnej kontroli temperatury, zajmują ważne miejsce w takich dziedzinach jak elektronika użytkowa, opieka medyczna i przemysł lotniczy. Dzięki ciągłemu udoskonalaniu technologii materiałów termoelektrycznych i konstrukcji, problemy związane z wydajnością chłodzenia i kosztami będą stopniowo ustępować, a w przyszłości oczekuje się, że w bardziej specyficznych scenariuszach zastąpią one tradycyjną technologię chłodzenia.
Czas publikacji: 12 grudnia 2025 r.
