Nowy kierunek rozwoju branży chłodzenia termoelektrycznego

Nowy kierunek rozwoju branży chłodzenia termoelektrycznego

Chłodnice termoelektryczne, znane również jako termoelektryczne moduły chłodzące, mają niezastąpione zalety w określonych dziedzinach ze względu na takie cechy, jak brak ruchomych części, precyzyjna kontrola temperatury, niewielkie rozmiary i wysoka niezawodność. W ostatnich latach nie nastąpił przełom w dziedzinie materiałów podstawowych w tej dziedzinie, ale poczyniono znaczny postęp w optymalizacji materiałów, projektowaniu systemów i rozszerzaniu zastosowań.

Oto kilka głównych nowych kierunków rozwoju:

I. Postęp w materiałach rdzeniowych i urządzeniach

Ciągła optymalizacja wydajności materiałów termoelektrycznych

Optymalizacja materiałów tradycyjnych (na bazie Bi₂Te₃): Związki bizmutu i telluru pozostają materiałami o najlepszych parametrach w temperaturze bliskiej temperaturze pokojowej. Obecne badania koncentrują się na dalszym zwiększaniu ich wartości termoelektrycznej poprzez procesy takie jak nanorozmiarowanie, domieszkowanie i teksturowanie. Na przykład, poprzez wytwarzanie nanodrutów i struktur nadsieciowych w celu zwiększenia rozpraszania fononów i zmniejszenia przewodności cieplnej, można poprawić wydajność bez znaczącego wpływu na przewodność elektryczną.

Eksploracja nowych materiałów: Mimo że materiały te nie są jeszcze dostępne komercyjnie na szeroką skalę, naukowcy badają nowe materiały, takie jak SnSe, Mg₃Sb₂ i CsBi₄Te₆, które mogą mieć wyższy potencjał niż Bi₂Te₃ w określonych strefach temperatur, co stwarza możliwość przyszłego wzrostu wydajności.

Innowacja w strukturze urządzeń i procesie integracji

Miniaturyzacja i konfekcjonowanie: Aby sprostać wymaganiom odprowadzania ciepła w mikrourządzeniach, takich jak elektronika użytkowa (np. tylne klipsy do odprowadzania ciepła w telefonach komórkowych) i urządzenia komunikacji optycznej, proces produkcji mikro-TEC (mikromodułów chłodzących termoelektrycznych, miniaturowych modułów termoelektrycznych) staje się coraz bardziej zaawansowany. Możliwe jest wytwarzanie modułów Peltiera, chłodnic Peltiera, urządzeń Peltiera i urządzeń termoelektrycznych o wymiarach zaledwie 1×1 mm lub nawet mniejszych, a także ich elastycznej integracji w matryce w celu uzyskania precyzyjnego chłodzenia lokalnego.

Elastyczny moduł TEC (moduł Peltiera): To nowy, gorący temat. Wykorzystując technologie takie jak elektronika drukowana i materiały elastyczne, produkowane są niepłaskie moduły TEC, czyli urządzenia Peltiera, które można zginać i sklejać. Ma to szerokie perspektywy w takich dziedzinach jak noszone urządzenia elektroniczne i lokalna biomedycyna (np. przenośne zimne kompresy).

Optymalizacja konstrukcji wielopoziomowej: W scenariuszach wymagających większej różnicy temperatur, wielostopniowy moduł TEC i wielostopniowe termoelektryczne moduły chłodzące pozostają podstawowym rozwiązaniem. Aktualny postęp znajduje odzwierciedlenie w projektowaniu konstrukcji i procesach łączenia, których celem jest zmniejszenie międzystopniowego oporu termicznego, zwiększenie ogólnej niezawodności i uzyskanie maksymalnej różnicy temperatur.

II. Rozszerzenie aplikacji i rozwiązań na poziomie systemowym

Jest to obecnie najbardziej dynamiczna dziedzina, w której można bezpośrednio zaobserwować nowe zjawiska.

Współewolucja technologii rozpraszania ciepła na gorącym końcu

Kluczowym czynnikiem ograniczającym wydajność modułów TEC, termoelektrycznych i Peltiera jest często niska zdolność odprowadzania ciepła w gorącej części. Poprawa wydajności modułów TEC jest wzajemnie wzmacniana przez rozwój wysokowydajnej technologii radiatorów.

W połączeniu z komorami parowymi/rurkami cieplnymi VC: W dziedzinie elektroniki użytkowej moduły TEC i ogniwa Peltiera są często łączone z komorami parowymi próżniowymi. Moduł TEC i chłodnica Peltiera odpowiadają za aktywne tworzenie strefy niskiej temperatury, podczas gdy VC skutecznie odprowadza ciepło z gorącego końca modułu TEC i elementu Peltiera do większych żeber rozpraszających ciepło, tworząc rozwiązanie systemowe łączące aktywne chłodzenie z efektywnym przewodzeniem i odprowadzaniem ciepła. To nowy trend w modułach rozpraszających ciepło do telefonów gamingowych i zaawansowanych kart graficznych.

Połączenie z systemami chłodzenia cieczą: W zastosowaniach takich jak centra danych i lasery dużej mocy, moduł TEC jest łączony z systemami chłodzenia cieczą. Wykorzystując wyjątkowo wysokie ciepło właściwe cieczy, ciepło z gorącego końca modułu termoelektrycznego TEC jest odprowadzane, co pozwala uzyskać niespotykanie wysoką wydajność chłodzenia.

Inteligentne sterowanie i zarządzanie efektywnością energetyczną

Nowoczesne termoelektryczne systemy chłodzenia coraz częściej integrują precyzyjne czujniki temperatury i regulatory PID/PWM. Regulując prąd/napięcie wejściowe modułu termoelektrycznego, modułu TEC i modułu Peltiera w czasie rzeczywistym za pomocą algorytmów, można osiągnąć stabilność temperatury na poziomie ±0,1°C lub nawet wyższą, unikając przeładowania i oscylacji oraz oszczędzając energię.

Tryb pracy impulsowej: W niektórych zastosowaniach wykorzystanie zasilania impulsowego zamiast ciągłego pozwala spełnić wymagania dotyczące natychmiastowego chłodzenia, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu całkowitego zużycia energii i zrównoważeniu obciążenia cieplnego.

III. Nowe i szybko rozwijające się obszary zastosowań

Rozpraszanie ciepła w urządzeniach elektronicznych użytkowych

Telefony gamingowe i akcesoria e-sportowe: To jeden z największych wzrostów na rynku modułów termoelektrycznych, modułów TEC i modułów pletier w ostatnich latach. Aktywny tylny klips chłodzący jest wyposażony we wbudowane moduły termoelektryczne (moduły TEC), które mogą bezpośrednio obniżać temperaturę układu SoC telefonu poniżej temperatury otoczenia, zapewniając stałą, wysoką wydajność podczas grania.

Laptopy i komputery stacjonarne: W niektórych laptopach i kartach graficznych najwyższej klasy (takich jak karty referencyjne NVIDIA RTX serii 30/40) zaczęto stosować moduły TEC, czyli moduły termoelektryczne, które wspomagają chłodzenie rdzeni procesorów.

Komunikacja optyczna i centra danych

Moduły optyczne 5G/6G: Lasery (DFB/EML) w szybkich modułach optycznych są niezwykle wrażliwe na temperaturę i wymagają precyzyjnego, stałego poziomu temperatury (zwykle z dokładnością ±0,5°C) w celu zapewnienia stabilności długości fali i jakości transmisji. Wraz ze wzrostem szybkości transmisji danych do 800G i 1,6T, rośnie zapotrzebowanie i wymagania dotyczące modułów TEC, modułów termoelektrycznych, chłodnic Peltiera i elementów Peltiera.

Lokalne chłodzenie w centrach danych: Skupienie się na punktach newralgicznych, takich jak procesory CPU i GPU, oraz wykorzystanie modułu TEC do ukierunkowanego, ulepszonego chłodzenia to jeden z kierunków badań mających na celu poprawę efektywności energetycznej i gęstości obliczeniowej w centrach danych.

Elektronika samochodowa

Lidar montowany w pojazdach: Rdzeń lasera lidaru wymaga stabilnej temperatury pracy. TEC to kluczowy element, który zapewnia jego prawidłowe działanie w trudnych warunkach panujących w pojazdach (od -40°C do +105°C).

Inteligentne kokpity i zaawansowane systemy informacyjno-rozrywkowe: Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej układów scalonych w pojazdach, ich wymagania dotyczące odprowadzania ciepła stopniowo dorównują wymaganiom elektroniki użytkowej. Oczekuje się, że moduł TEC i chłodnica TE znajdą zastosowanie w przyszłych modelach pojazdów wyższej klasy.

Medycyna i nauki przyrodnicze

Przenośne urządzenia medyczne, takie jak instrumenty PCR i sekwencery DNA, wymagają szybkiej i precyzyjnej regulacji temperatury, a moduł TEC-Peltiera jest kluczowym elementem kontroli temperatury. Trend miniaturyzacji i mobilności sprzętu napędza rozwój mikro i wydajnych chłodnic TEC-Peltiera.

Urządzenia kosmetyczne: Niektóre wysokiej klasy urządzenia kosmetyczne wykorzystują efekt Peltiera (TEC), urządzenie Peltiera, aby uzyskać precyzyjne funkcje zimnego i ciepłego kompresu.

Lotnictwo i środowiska specjalne

Chłodzenie detektorów podczerwieni: W wojsku, lotnictwie i badaniach naukowych, detektory podczerwieni muszą być chłodzone do ekstremalnie niskich temperatur (na przykład poniżej -80°C), aby zredukować hałas. Wielostopniowy moduł TEC, wielostopniowy moduł Peltiera i wielostopniowy moduł termoelektryczny to zminiaturyzowane i wysoce niezawodne rozwiązanie, które pozwala osiągnąć ten cel.

Kontrola temperatury ładunku satelitarnego: zapewnienie stabilnego środowiska termicznego dla precyzyjnych instrumentów na satelitach.

IV. Stojące przed nami wyzwania i perspektywy na przyszłość

Główne wyzwanie: Stosunkowo niska efektywność energetyczna pozostaje największą wadą modułu Peltiera (modułu termoelektrycznego) TEC w porównaniu z tradycyjnym chłodzeniem sprężarkowym. Jego efektywność chłodzenia termoelektrycznego jest znacznie niższa niż w cyklu Carnota.

Perspektywy na przyszłość

Ostatecznym celem jest przełom materiałowy: jeśli uda się odkryć lub zsyntetyzować nowe materiały o wartości wyższości termoelektrycznej wynoszącej 3,0 lub więcej w temperaturze pokojowej (obecnie komercyjny Bi₂Te₃ wynosi około 1,0), zapoczątkuje to rewolucję w całej branży.

Integracja systemów i inteligencja: Przyszła konkurencja będzie bardziej przesuwać się od „indywidualnej wydajności TEC” w stronę możliwości kompleksowego rozwiązania systemowego „TEC + rozpraszanie ciepła + kontrola”. Połączenie ze sztuczną inteligencją w celu predykcyjnej kontroli temperatury jest również jednym z kierunków rozwoju.

Redukcja kosztów i penetracja rynku: Wraz z dojrzewaniem procesów produkcyjnych i produkcją na dużą skalę, można się spodziewać dalszego spadku kosztów TEC, co przełoży się na penetrację rynków średniej i masowej sprzedaży.

Podsumowując, globalny przemysł chłodnic termoelektrycznych znajduje się obecnie w fazie rozwoju innowacji opartego na zastosowaniach i współpracy. Chociaż nie zaszły żadne rewolucyjne zmiany w podstawowych materiałach, dzięki rozwojowi technologii inżynieryjnych i głębokiej integracji z technologiami upstream i downstream, moduły Peltiera (TEC) i chłodnice Peltiera znajdują niezastąpioną pozycję w coraz większej liczbie rozwijających się i wartościowych dziedzin, wykazując dużą witalność.