Termoelektriline jahutusseade, Peltier' jahuti (tuntud ka kui termoelektrilised jahutuskomponendid) on Peltier' efektil põhinevad tahkisjahutusseadmed. Nende eelised on mehaanilise liikumise ja külmutusagensi puudumine, väike suurus, kiire reageerimine ja täpne temperatuuri reguleerimine. Viimastel aastatel on nende rakendused tarbeelektroonikas, meditsiinis, autotööstuses ja muudes valdkondades pidevalt laienenud.
I. Termoelektrilise jahutussüsteemi ja komponentide põhiprintsiibid
Termoelektrilise jahutuse tuumaks on Peltieri efekt: kui kaks erinevat pooljuhtmaterjali (P-tüüpi ja N-tüüpi) moodustavad termopaari paari ja neile rakendatakse alalisvoolu, neelab termopaari üks ots soojust (jahutusots) ja teine ots vabastab soojust (soojuse hajumise ots). Voolu suuna muutmisega saab jahutusotsa ja soojuse hajumise otsa omavahel vahetada.
Selle jahutusvõime sõltub peamiselt kolmest põhiparameetrist:
Termoelektriline väärtuskoefitsient (ZT väärtus): see on termoelektriliste materjalide toimivuse hindamise põhinäitaja. Mida suurem on ZT väärtus, seda suurem on jahutuse efektiivsus.
Kuuma ja külma otsa temperatuuride erinevus: Soojuse hajumise efekt soojuse hajumise otsas määrab otseselt jahutuse otsa jahutusvõimsuse. Kui soojuse hajumine ei ole sujuv, väheneb kuuma ja külma otsa temperatuuride erinevus ning jahutuse efektiivsus langeb järsult.
Töövool: Nimivooluvahemikus suurendab voolu suurenemine jahutusvõimsust. Kui aga läviväärtus ületatakse, väheneb efektiivsus džauli soojuse suurenemise tõttu.
II Termoelektriliste jahutusseadmete (Peltieri jahutussüsteem) arengulugu ja tehnoloogilised läbimurded
Viimastel aastatel on termoelektriliste jahutuskomponentide arendamisel keskendutud kahele põhisuunale: materjalide innovatsioon ja konstruktsiooni optimeerimine.
Kõrgjõudlusega termoelektriliste materjalide uurimine ja arendamine
Traditsiooniliste Bi₂Te₃-põhiste materjalide ZT-väärtust on legeerimise (näiteks Sb, Se) ja nanoskaala töötlemise abil suurendatud 1,2–1,5-ni.
Uued materjalid, nagu pliitelluriid (PbTe) ja räni-germaaniumisulam (SiGe), toimivad erakordselt hästi keskmise ja kõrge temperatuuriga stsenaariumides (200–500 ℃).
Uute materjalide, näiteks orgaanilis-anorgaaniliste komposiitmaterjalide ja topoloogiliste isolaatorite, abil loodetakse kulusid veelgi vähendada ja tõhusust parandada.
Komponentide struktuuri optimeerimine
Miniaturiseerimise disain: Valmistage MEMS-tehnoloogia (mikroelektromehaanilised süsteemid) abil mikronisuuruses termopilud, et täita tarbeelektroonika miniaturiseerimisnõudeid.
Modulaarne integratsioon: ühendage mitu termoelektrilist seadet järjestikku või paralleelselt, et moodustada suure võimsusega termoelektrilisi jahutusmooduleid, Peltier-jahuteid või Peltier-seadmeid, mis vastavad tööstusliku kvaliteediga termoelektriliste jahutusnõuetele.
Integreeritud soojuseraldusstruktuur: integreerige jahutusribid soojuseraldusribide ja soojustorudega, et parandada soojuseralduse efektiivsust ja vähendada kogumahtu.
III Termoelektriliste jahutusseadmete ja termoelektriliste jahutuskomponentide tüüpilised rakendusstsenaariumid
Termoelektriliste jahutusseadmete suurim eelis seisneb nende tahkisolekus, müravabas töös ja täpses temperatuuri reguleerimises. Seetõttu on neil asendamatu positsioon olukordades, kus kompressorid jahutamiseks ei sobi.
Tarbeelektroonika valdkonnas
Mobiiltelefonide soojuse hajumine: Tipptasemel mängutelefonid on varustatud mikrotermoelektriliste jahutusmoodulitega, TEC-moodulitega, Peltier-seadmetega, Peltier-moodulitega, mis koos vedelikjahutussüsteemidega suudavad kiibi temperatuuri kiiresti alandada, vältides mängimise ajal ülekuumenemise tõttu sageduse vähenemist.
Autokülmikud, autojahutid: Väikesed autokülmikud kasutavad enamasti termoelektrilist jahutustehnoloogiat, mis ühendab jahutus- ja küttefunktsioonid (kütmine saavutatakse voolu suuna muutmisega). Need on väikese suurusega, väikese energiatarbega ja ühilduvad auto 12 V toiteallikaga.
Jookide jahutuskruus/isoleeritud kruus: kaasaskantav jahutuskruus on varustatud sisseehitatud mikrojahutusplaadiga, mis suudab jooke kiiresti jahutada 5–15 kraadini Celsiuse järgi ilma külmkappi lootmata.
2. Meditsiini- ja bioloogiavaldkonnad
Täpsed temperatuuri reguleerimise seadmed: näiteks PCR-instrumendid (polümeraasi ahelreaktsiooni instrumendid) ja verejahutid vajavad stabiilset madalatemperatuurilist keskkonda. Pooljuhtivatel jahutuskomponentidel on võimalik saavutada täpne temperatuuri reguleerimine ±0,1 ℃ täpsusega ning külmutusagensi saastumise ohtu pole.
Kaasaskantavad meditsiiniseadmed: näiteks insuliini jahutuskarbid, mis on väikese suurusega ja millel on pikk aku tööiga, sobivad diabeetikutele kaasaskandmiseks väljas käies, tagades insuliini säilitustemperatuuri.
Laserseadmete temperatuuri reguleerimine: Meditsiiniliste laserraviseadmete (näiteks laserite) põhikomponendid on temperatuurile tundlikud ja pooljuhtide jahutuskomponendid suudavad reaalajas soojust hajutada, et tagada seadme stabiilne töö.
3. Tööstus- ja lennundusvaldkonnad
Tööstuslikud väikesemahulised külmutusseadmed: näiteks elektroonikakomponentide vananemiskatsekambrid ja täppisinstrumentide konstantse temperatuuriga vannid, mis vajavad kohalikku madalatemperatuurilist keskkonda, termoelektrilised jahutusseadmed, termoelektrilisi komponente saab vastavalt vajadusele jahutusvõimsusega kohandada.
Lennundusseadmed: Kosmoseaparaatide elektroonikaseadmetel on vaakumkeskkonnas raskusi soojuse hajutamisega. Termoelektrilised jahutussüsteemid, termoelektrilised jahutusseadmed ja termoelektrilised komponendid on tahkisseadmetena väga töökindlad ja vibratsioonivabad ning neid saab kasutada satelliitide ja kosmosejaamade elektroonikaseadmete temperatuuri reguleerimiseks.
4. Muud tekkivad stsenaariumid
Kantavad seadmed: Nutikad jahutuskiivrid ja jahutusülikonnad sisseehitatud painduvate termoelektriliste jahutusplaatidega pakuvad inimkehale lokaalset jahutust kõrge temperatuuriga keskkonnas ja sobivad välitöötajatele.
Külmahela logistika: Väikesed külmahela pakkekastid, mis töötavad termoelektrilise jahutuse, Peltier-jahutuse ja akudega, sobivad vaktsiinide ja värskete toodete lühikesteks vedudeks ilma suurte külmutusautodeta.
IV. Termoelektriliste jahutusseadmete ja Peltier' jahutuskomponentide piirangud ja arengusuunad
Olemasolevad piirangud
Jahutustõhusus on suhteliselt madal: selle energiatõhususe suhe (COP) on tavaliselt vahemikus 0,3–0,8, mis on palju madalam kui kompressorjahutusel (COP võib ulatuda 2–5-ni) ja ei sobi suuremahuliste ja suure võimsusega jahutussüsteemide jaoks.
Kõrged soojuseralduse nõuded: kui soojuseralduse otsas tekkivat soojust ei suudeta õigeaegselt ära juhtida, mõjutab see oluliselt jahutusefekti. Seetõttu peab see olema varustatud tõhusa soojuseraldussüsteemiga, mis piirab selle kasutamist mõnes kompaktses olukorras.
Kõrge hind: Kõrgjõudlusega termoelektriliste materjalide (näiteks nano-dopeeritud Bi₂Te₃) ettevalmistuskulud on kõrgemad kui traditsioonilistel külmutusmaterjalidel, mille tulemuseks on tipptasemel komponentide suhteliselt kõrge hind.
2. Tulevased arengusuunad
Materjalide läbimurre: töötada välja odavad ja kõrge ZT-väärtusega termoelektrilised materjalid, eesmärgiga suurendada toatemperatuuril ZT-väärtust üle 2,0 ja vähendada efektiivsuse erinevust kompressorjahutusega võrreldes.
Paindlikkus ja integreerimine: arendada paindlikke termoelektrilisi jahutusmooduleid, TEC-mooduleid, termoelektrilisi mooduleid, Peltier-seadmeid, Peltier-mooduleid ja jahuteid, et need sobiksid kõverate pindadega seadmetega (näiteks painduva ekraaniga mobiiltelefonid ja nutikad kantavad seadmed); edendada termoelektriliste jahutuskomponentide integreerimist kiipide ja anduritega, et saavutada „kiibi tasemel temperatuuri reguleerimine“.
Energiasäästlik disain: Asjade interneti (IoT) tehnoloogia integreerimise abil saavutatakse jahutuskomponentide intelligentne käivitamine-peatamine ja võimsuse reguleerimine, vähendades üldist energiatarbimist.
V. Kokkuvõte
Termoelektrilised jahutusseadmed, Peltier' jahutusseadmed ja termoelektrilised jahutussüsteemid omavad oma ainulaadsete eelistega tahkefaasilisust, vaiksust ja täpset temperatuuri reguleerimist ning on seetõttu olulisel kohal sellistes valdkondades nagu tarbeelektroonika, meditsiin ja lennundus. Termoelektriliste materjalide tehnoloogia ja konstruktsioonilise disaini pideva täiustamisega paranevad järk-järgult jahutuse efektiivsuse ja maksumuse küsimused ning eeldatavasti asendavad need tulevikus konkreetsemates stsenaariumides traditsioonilist jahutustehnoloogiat.
Postituse aeg: 12. detsember 2025
