Termoelektrilise jahutustööstuse uus arengusuund

Termoelektrilise jahutustööstuse uus arengusuund

Termoelektrilised jahutid, tuntud ka kui termoelektrilised jahutusmoodulid, omavad teatud valdkondades asendamatuid eeliseid tänu oma omadustele nagu liikuvate osade puudumine, täpne temperatuuri reguleerimine, väiksus ja kõrge töökindlus. Viimastel aastatel pole selles valdkonnas põhimaterjalide osas toimunud murrangulist läbimurret, kuid materjalide optimeerimisel, süsteemide disainimisel ja rakenduste laiendamisel on tehtud märkimisväärseid edusamme.

Järgnevalt on toodud mitu peamist uut arengusuunda:

I. Põhimaterjalide ja -seadmete edusammud

Termoelektriliste materjalide toimivuse pidev optimeerimine

Traditsiooniliste materjalide (Bi₂Te₃-põhised) optimeerimine: vismuttelluuriühendid on endiselt toatemperatuuril kõige paremini toimivad materjalid. Praegune uurimistöö keskendub nende termoelektrilise väärtuse edasisele suurendamisele selliste protsesside abil nagu nanosuuruse suurendamine, legeerimine ja tekstureerimine. Näiteks nanotraatide ja ülivõrestruktuuride valmistamise abil, mis suurendavad foononite hajumist ja vähendavad soojusjuhtivust, saab efektiivsust parandada ilma elektrijuhtivust oluliselt mõjutamata.

Uute materjalide uurimine: Kuigi need pole veel laialdaselt kaubanduslikult saadaval, on teadlased uurinud uusi materjale, nagu SnSe, Mg₃Sb₂ ja CsBi₄Te₆, millel võib olla teatud temperatuurivööndites suurem potentsiaal kui Bi₂Te₃-l, pakkudes võimalust tulevasteks jõudluse hüpeteks.

Innovatsioon seadme struktuuris ja integreerimisprotsessis

Miniaturiseerimine ja ümbris: Mikroseadmete, näiteks tarbeelektroonika (nt mobiiltelefonide soojuse hajutamise tagaklambrid) ja optiliste sideseadmete soojuse hajutamise nõuete täitmiseks muutub mikro-TEC (mikrotermoelektriliste jahutusmoodulite, miniatuursete termoelektriliste moodulite) tootmisprotsess üha keerukamaks. Peltier-mooduleid, Peltier-jahuteid, Peltier-seadmeid ja termoelektrilisi seadmeid on võimalik toota vaid 1 × 1 mm või isegi väiksemate mõõtmetega ning neid saab paindlikult integreerida massiividesse, et saavutada täpne lokaalne jahutus.

Paindlik TEC-moodul (Peltier-moodul): See on üha populaarsem teema. Kasutades selliseid tehnoloogiaid nagu trükitud elektroonika ja painduvad materjalid, toodetakse mittetasapinnalisi TEC-mooduleid, painutatavaid ja liimitavaid Peltier-seadmeid. Sellel on laialdased väljavaated sellistes valdkondades nagu kantavad elektroonikaseadmed ja lokaalne biomeditsiin (näiteks kaasaskantavad külmakompressid).

Mitmetasandilise struktuuri optimeerimine: suuremat temperatuuride erinevust nõudvate stsenaariumide korral on peamiseks lahenduseks mitmeastmeline TEC-moodul ja mitmeastmelised termoelektrilised jahutusmoodulid. Praegused edusammud kajastuvad konstruktsiooni projekteerimises ja liimimisprotsessides, mille eesmärk on vähendada astmetevahelist soojustakistust, suurendada üldist töökindlust ja maksimeerida temperatuuride erinevust.

II. Süsteemitaseme rakenduste ja lahenduste laiendamine

See on praegu kõige dünaamilisem valdkond, kus uusi arenguid saab otse jälgida.

Kuumade jahutussüsteemide tehnoloogia koosareng

TEC-mooduli, termoelektrilise mooduli ja Peltier-mooduli jõudlust piirav peamine tegur on sageli soojuse hajutamise võime kuumotsas. TEC-mooduli jõudluse paranemine on vastastikku tugevdav koos suure tõhususega jahutusradiaatori tehnoloogia arenguga.

Kombineeritud VC aurukambrite/soojustorudega: Tarbeelektroonika valdkonnas kombineeritakse TEC-moodulit, Peltier-seadet sageli vaakumkambri aurukambritega. TEC-moodul, Peltier-jahuti vastutab madala temperatuuriga tsooni aktiivse loomise eest, samas kui VC hajutab soojuse tõhusalt TEC-mooduli, Peltier-elemendi kuumast otsast suurematesse soojuseraldusribadesse, moodustades süsteemilahenduse „aktiivne jahutus + tõhus soojusjuhtivus ja -eemaldamine“. See on uus trend mängutelefonide ja tipptasemel graafikakaartide soojuseraldusmoodulites.

Kombineeritud vedelikjahutussüsteemidega: Sellistes valdkondades nagu andmekeskused ja suure võimsusega laserid kombineeritakse TEC-mooduleid vedelikjahutussüsteemidega. Vedelike äärmiselt suure erisoojusmahtuvuse ärakasutamise abil eemaldatakse TEC-mooduli termoelektrilise mooduli kuumast otsast soojus, saavutades enneolematult tõhusa jahutusvõimsuse.

Nutikas juhtimine ja energiatõhususe haldamine

Kaasaegsed termoelektrilised jahutussüsteemid integreerivad üha enam ülitäpseid temperatuuriandureid ja PID/PWM-kontrollereid. Termoelektrilise mooduli, TEC-mooduli ja Peltier-mooduli sisendvoolu/pinget reaalajas algoritmide abil reguleerides on võimalik saavutada temperatuuri stabiilsus ±0,1 ℃ või isegi kõrgem, vältides samal ajal ülelaadimist ja võnkumisi ning säästes energiat.

Impulssrežiim: Mõne rakenduse puhul saab pideva toiteallika asemel impulsstoiteallika kasutamisega rahuldada kohese jahutusvajaduse, vähendades samal ajal oluliselt üldist energiatarbimist ja tasakaalustades küttekoormust.

Iii. Tärkavad ja kiiresti kasvavad rakendusvaldkonnad

Soojuse hajumine tarbeelektroonikas

Mängutelefonid ja e-spordi lisatarvikud: see on viimastel aastatel termoelektriliste jahutusmoodulite, TEC-moodulite ja pletier-moodulite turu üks suurimaid kasvupunkte. Aktiivsel jahutusega tagaklambril on sisseehitatud termoelektrilised moodulid (TEC-moodulid), mis suudavad telefoni kiibistiku temperatuuri otse ümbritseva õhu temperatuurist madalamale alandada, tagades mängimise ajal pideva suure jõudlusega väljundi.

Sülearvutid ja lauaarvutid: Mõned tipptasemel sülearvutid ja graafikakaardid (näiteks NVIDIA RTX 30/40 seeria võrdluskaardid) on hakanud proovima integreerida TEC-mooduleid ehk termoelektrilisi mooduleid, mis aitavad jahutada põhikiipe.

Optiline side ja andmekeskused

5G/6G optilised moodulid: Kiirete optiliste moodulite laserid (DFB/EML) on äärmiselt tundlikud temperatuuri suhtes ja vajavad täpse konstantse temperatuuri (tavaliselt ±0,5 ℃ piires) säilitamiseks TEC-i, et tagada lainepikkuse stabiilsus ja edastuskvaliteet. Andmeedastuskiiruste arenedes 800 G ja 1,6 T suunas, suureneb nii TEC-moodulite, termoelektriliste moodulite, Peltier-jahutite kui ka Peltier-elementide nõudlus ja nõuded.

Kohalik jahutus andmekeskustes: Keskendudes levialadele, nagu protsessorid ja graafikakaardid, on TEC-mooduli kasutamine sihipäraseks täiustatud jahutuseks üks uurimissuundi energiatõhususe ja arvutustiheduse parandamiseks andmekeskustes.

Autoelektroonika

Sõidukile paigaldatud lidar: Lidari põhilaserkiirgur vajab stabiilset töötemperatuuri. TEC on võtmekomponent, mis tagab selle normaalse töö karmides sõidukile paigaldatud keskkondades (-40 ℃ kuni +105 ℃).

Intelligentsed kokpitid ja tipptasemel teabe- ja meelelahutussüsteemid: sõidukitesiseste kiipide arvutusvõimsuse hüppeliselt kasvava kasvuga ühtlustuvad nende soojuse hajutamise vajadused järk-järgult tarbeelektroonika omadega. TEC-moodulit ja TE-jahutit hakatakse eeldatavasti kasutama tulevastes tipptasemel sõidukimudelites.

Meditsiini- ja bioteadused

Kaasaskantavad meditsiiniseadmed, näiteks PCR-instrumendid ja DNA-sekvenaatorid, vajavad kiiret ja täpset temperatuuri tsükleid ning TEC-Peltieri moodul on selle peamine temperatuuri reguleerimise komponent. Seadmete miniaturiseerimise ja kaasaskantavuse trend on ajendanud mikro- ja tõhusate TEC-Peltieri jahutite väljatöötamist.

Iluseadmed: Mõned tipptasemel iluseadmed kasutavad TEC Peltier' efekti ehk Peltier' seadme Peltier' efekti, et saavutada täpsed külma ja kuuma kompressi funktsioonid.

Lennundus ja erikeskkonnad

Infrapuna-detektori jahutamine: Sõjaväe-, lennundus- ja teadusvaldkonnas tuleb infrapuna-detektoreid müra vähendamiseks jahutada äärmiselt madala temperatuurini (näiteks alla -80 ℃). Mitmeastmeline TEC-moodul, mitmeastmeline Peltier-moodul ja mitmeastmeline termoelektriline moodul on miniatuurne ja väga usaldusväärne lahendus selle eesmärgi saavutamiseks.

Satelliidi kasuliku koormuse temperatuuri reguleerimine: stabiilse termilise keskkonna tagamine satelliitidel olevatele täppisinstrumentidele.

IV. Esinevad väljakutsed ja tulevikuväljavaated

Põhiprobleem: TEC-mooduli Peltier-mooduli (termoelektrilise mooduli) suurim puudus võrreldes traditsioonilise kompressorjahutusega on endiselt suhteliselt madal energiatõhusus. Selle termoelektrilise jahutuse efektiivsus on Carnot' tsükli omast palju madalam.

Tulevikuväljavaated

Materjalide läbimurre on lõppeesmärk: kui suudetakse avastada või sünteesida uusi materjale, mille termoelektriline paremus on toatemperatuuril 3,0 või kõrgem (praegu on kaubandusliku Bi₂Te₃ väärtus umbes 1,0), käivitab see revolutsiooni kogu tööstuses.

Süsteemide integreerimine ja intelligentsus: Tulevane konkurents nihkub rohkem „individuaalse TEC-i jõudluse” asemel üldise süsteemilahenduse „TEC + soojuse hajumine + juhtimine” võimekusele. Üks suund on ka tehisintellektiga kombineerimine ennustava temperatuuri juhtimiseks.

Kulude vähendamine ja turule sisenemine: Tootmisprotsesside küpsemise ja suurtootmise tulemusel eeldatakse, et TEC kulud langevad veelgi, tungides seeläbi keskmise hinnaklassi ja isegi massiturule.

Kokkuvõttes on ülemaailmne termoelektriliste jahutite tööstus praegu rakenduspõhise ja koostööl põhineva innovatsiooni arendamise etapis. Kuigi põhimaterjalides pole toimunud revolutsioonilisi muutusi, on inseneritehnoloogia arengu ja sügava integratsiooni kaudu üles- ja allavoolu tehnoloogiatega leidnud Peltier-jahuti oma asendamatu positsiooni üha rohkemates tekkivates ja kõrge väärtusega valdkondades, näidates üles tugevat elujõudu.