Den nye utviklingsretningen for termoelektrisk kjøleindustri

Den nye utviklingsretningen for termoelektrisk kjøleindustri

Termoelektriske kjølere, også kjent som termoelektriske kjølemoduler, har uerstattelige fordeler innen spesifikke felt på grunn av funksjoner som ingen bevegelige deler, presis temperaturkontroll, liten størrelse og høy pålitelighet. I de senere årene har det ikke vært noe banebrytende gjennombrudd innen basismaterialer på dette feltet, men det har blitt gjort betydelige fremskritt innen materialoptimalisering, systemdesign og utvidelse av applikasjoner.

Følgende er flere viktige nye utviklingsretninger:

I. Fremskritt innen kjernematerialer og -enheter

Kontinuerlig optimalisering av ytelsen til termoelektriske materialer

Optimalisering av tradisjonelle materialer (Bi₂Te₃-basert): Vismuttellurforbindelser er fortsatt de materialene med best ytelse nær romtemperatur. Det nåværende forskningsfokuset ligger på å ytterligere forbedre dens termoelektriske verdi gjennom prosesser som nanostørrelse, doping og teksturering. For eksempel, ved å produsere nanotråder og supergitterstrukturer for å forbedre fononspredning og redusere termisk ledningsevne, kan effektiviteten forbedres uten å påvirke den elektriske ledningsevnen betydelig.

Utforskning av nye materialer: Selv om de ennå ikke er kommersielt tilgjengelige i stor skala, har forskere utforsket nye materialer som SnSe, Mg₃Sb₂ og CsBi₄Te₆, som kan ha høyere potensial enn Bi₂Te₃ i spesifikke temperatursoner, noe som gir mulighet for fremtidige ytelsesforbedringer.

Innovasjon i enhetsstruktur og integrasjonsprosess

Miniatyrisering og arrapping: For å møte kravene til varmespredning i mikroenheter som forbrukerelektronikk (som bakklemmer for varmespredning på mobiltelefoner) og optiske kommunikasjonsenheter, blir produksjonsprosessen for micro-TEC (mikrotermoelektriske kjølemoduler, miniatyrtermoelektriske moduler) stadig mer sofistikert. Det er mulig å produsere Peltier-moduler, Peltier-kjølere, Peltier-enheter, termoelektriske enheter med en størrelse på bare 1 × 1 mm eller enda mindre, og de kan integreres fleksibelt i arrayer for å oppnå presis lokal kjøling.

Fleksibel TEC-modul (peltier-modul): Dette er et fremvoksende hett tema. Ved å bruke teknologier som trykt elektronikk og fleksible materialer, produseres ikke-plane TEC-moduler, Peltier-enheter som kan bøyes og limes. Dette har brede muligheter innen felt som bærbare elektroniske enheter og lokal biomedisin (som bærbare kalde kompresser).

Optimalisering av flernivåstruktur: For scenarier som krever større temperaturforskjell, er flertrinns TEC-moduler og flertrinns termoelektriske kjølemoduler fortsatt den primære løsningen. Nåværende fremskritt gjenspeiles i strukturdesign og limingsprosesser, med sikte på å redusere termisk motstand mellom trinn, forbedre den generelle påliteligheten og maksimere temperaturforskjellen.

Ii. Utvidelse av systemnivåapplikasjoner og løsninger

Dette er for tiden det mest dynamiske feltet hvor ny utvikling kan observeres direkte.

Samutviklingen av varmeavledningsteknologi i varmeenden

Nøkkelfaktoren som begrenser ytelsen til TEC-moduler, termoelektriske moduler og Peltier-moduler er ofte varmespredningskapasiteten i den varme enden. Forbedringen av TEC-ytelsen forsterkes gjensidig av utviklingen av høyeffektiv kjøleribbeteknologi.

Kombinert med VC-dampkamre/varmerør: Innen forbrukerelektronikk kombineres ofte TEC-moduler og Peltier-enheter med vakuumdampkamre. TEC-moduler og Peltier-kjølere er ansvarlige for aktivt å skape lavtemperatursonen, mens VC effektivt diffunderer varme fra den varme enden av TEC-modulen og Peltier-elementet til de større varmeavledningsfinnene, og danner en systemløsning med «aktiv kjøling + effektiv varmeledning og -fjerning». Dette er en ny trend innen varmeavledningsmoduler for spilltelefoner og avanserte grafikkort.

Kombinert med væskekjølesystemer: Innen felt som datasentre og høyeffektslasere kombineres TEC-modulen med væskekjølesystemer. Ved å utnytte den ekstremt høye spesifikke varmekapasiteten til væsker, fjernes varmen i den varme enden av TEC-modulens termoelektriske modul, noe som oppnår en enestående effektiv kjølekapasitet.

Intelligent kontroll og energieffektivitetsstyring

Moderne termoelektriske kjølesystemer integrerer i økende grad høypresisjonstemperatursensorer og PID/PWM-kontrollere. Ved å justere inngangsstrømmen/spenningen til den termoelektriske modulen, TEC-modulen og Peltier-modulen i sanntid gjennom algoritmer, kan man oppnå en temperaturstabilitet på ±0,1 ℃ eller enda høyere, samtidig som man unngår overlading og oscillasjon og sparer energi.

Pulsdriftsmodus: For noen applikasjoner kan bruk av pulsstrømforsyning i stedet for kontinuerlig strømforsyning oppfylle de umiddelbare kjølebehovene, samtidig som det reduserer det totale energiforbruket betydelig og balanserer varmebelastningen.

III. Fremvoksende og høyvekstapplikasjonsfelt

Varmeavledning for forbrukerelektronikk

Spilltelefoner og e-sporttilbehør: Dette er et av de største vekstpunktene i markedet for termoelektriske kjølemoduler, TEC-moduler og pletier-moduler de siste årene. Den aktive kjøleklipsen er utstyrt med innebygde termoelektriske moduler (TEC-moduler), som direkte kan undertrykke temperaturen på telefonens SoC under omgivelsestemperaturen, noe som sikrer kontinuerlig høy ytelse under spilling.

Bærbare og stasjonære datamaskiner: Noen avanserte bærbare datamaskiner og grafikkort (som NVIDIA RTX 30/40-seriens referansekort) har begynt å prøve å integrere TEC-moduler, termoelektriske moduler for å hjelpe til med å kjøle ned kjernebrikkene.

Optisk kommunikasjon og datasentre

5G/6G optiske moduler: Laserne (DFB/EML) i høyhastighetsoptiske moduler er ekstremt temperaturfølsomme og krever TEC for presis konstant temperatur (vanligvis innenfor ±0,5 ℃) for å sikre bølgelengdestabilitet og overføringskvalitet. Etter hvert som datahastighetene utvikler seg mot 800G og 1,6T, øker etterspørselen og kravene til TEC-moduler, termoelektriske modeller, Peltier-kjølere og Peltier-elementer.

Lokal kjøling i datasentre: Med fokus på hotspots som CPUer og GPUer, er bruk av TEC-modul for målrettet forbedret kjøling en av forskningsretningene for å forbedre energieffektivitet og databehandlingstetthet i datasentre.

Bilelektronikk

Kjøretøymontert lidar: Kjernelaseremitteren til lidar krever en stabil driftstemperatur. TEC er en nøkkelkomponent som sikrer normal drift i det tøffe kjøretøymonterte miljøet (-40 ℃ til +105 ℃).

Intelligente førerhus og avanserte infotainmentsystemer: Med den økende datakraften til brikker i kjøretøy, justeres kravene til varmespredning gradvis med kravene til forbrukerelektronikk. TEC-modulen og TE-kjøleren forventes å bli brukt i fremtidige avanserte kjøretøymodeller.

Medisinsk og biovitenskap

Bærbart medisinsk utstyr som PCR-instrumenter og DNA-sekvensere krever rask og presis temperatursyklus, og TEC, Peltier-modulen er kjernekomponenten i temperaturkontrollen. Trenden med miniatyrisering og bærbarhet av utstyr har drevet utviklingen av mikro- og effektive TEC, Peltier-kjølere.

Skjønnhetsapparater: Noen avanserte skjønnhetsapparater bruker Peltier-effekten til TEC, en Peltier-enhet for å oppnå presise kalde og varme kompressfunksjoner.

Luftfart og spesielle miljøer

Kjøling av infrarøde detektorer: Innen militære, luftfarts- og vitenskapelige forskningsfelt må infrarøde detektorer kjøles ned til ekstremt lave temperaturer (for eksempel under -80 ℃) for å redusere støy. Flertrinns TEC-modul, flertrinns Peltier-modul, flertrinns termoelektrisk modul er en miniatyrisert og svært pålitelig løsning for å oppnå dette målet.

Temperaturkontroll for satellittnyttelast: Gir et stabilt termisk miljø for presisjonsinstrumenter på satellitter.

Iv. Utfordringer og fremtidsutsikter

Kjerneutfordringen: Relativt lav energieffektivitet er fortsatt den største mangelen ved TEC-modulens peltiermodul (termoelektrisk modul) sammenlignet med tradisjonell kompressorkjøling. Den termoelektriske kjøleeffektiviteten er langt lavere enn Carnot-syklusens.

Fremtidsutsikter

Materialgjennombrudd er det endelige målet: hvis nye materialer med en termoelektrisk overlegenhetsverdi på 3,0 eller høyere nær romtemperatur kan oppdages eller syntetiseres (for tiden er kommersiell Bi₂Te₃ omtrent 1,0), vil det utløse en revolusjon i hele industrien.

Systemintegrasjon og intelligens: Fremtidig konkurranse vil skifte mer fra «individuell TEC-ytelse» til kapasiteten til en helhetlig systemløsning med «TEC + varmespredning + kontroll». Kombinasjon med AI for prediktiv temperaturkontroll er også en retning.

Kostnadsreduksjon og markedspenetrering: Med modningen av produksjonsprosesser og storskalaproduksjon forventes TECs kostnader å synke ytterligere, og dermed trenge inn i mer mellomstore og til og med massemarkeder.

Oppsummert er den globale industrien for termoelektriske kjølere for tiden i en fase med applikasjonsdrevet og samarbeidende innovasjonsutvikling. Selv om det ikke har vært noen revolusjonerende endringer i basismaterialene, finner TEC-modulens Peltier-modul, Peltier-kjøleren, sin uerstattelige posisjon i et økende antall nye og verdifulle felt, og demonstrerer sterk vitalitet gjennom fremskritt innen ingeniørteknologi og dyp integrering med oppstrøms- og nedstrømsteknologier.