Термоелектричний охолоджувальний блок, охолоджувач Пельтьє (також відомий як термоелектричні охолоджувальні компоненти) – це твердотільні охолоджувальні пристрої, що працюють на ефекті Пельтьє. Вони мають такі переваги, як відсутність механічного руху, відсутність холодоагенту, малий розмір, швидка реакція та точний контроль температури. В останні роки їх застосування в побутовій електроніці, медицині, автомобілях та інших галузях продовжує розширюватися.
I. Основні принципи термоелектричної системи охолодження та її компонентів
Основою термоелектричного охолодження є ефект Пельтьє: коли два різних напівпровідникових матеріали (P-типу та N-типу) утворюють пару термопар і подається постійний струм, один кінець пари термопар поглинає тепло (кінець охолодження), а інший кінець виділяє тепло (кінець тепловіддачі). Змінюючи напрямок струму, можна поміняти місцями кінець охолодження та кінець тепловіддачі.
Його охолоджувальна продуктивність залежить головним чином від трьох основних параметрів:
Термоелектричний коефіцієнт добротності (значення ZT): це ключовий показник для оцінки характеристик термоелектричних матеріалів. Чим вище значення ZT, тим вища ефективність охолодження.
Різниця температур між гарячим і холодним кінцями: Ефект розсіювання тепла на кінці розсіювання тепла безпосередньо визначає охолоджувальну здатність на кінці охолодження. Якщо розсіювання тепла не є плавним, різниця температур між гарячим і холодним кінцями зменшиться, а ефективність охолодження різко знизиться.
Робочий струм: У межах номінального діапазону збільшення струму підвищує охолоджувальну здатність. Однак, як тільки перевищено поріг, ефективність знизиться через збільшення джоулевої теплоти.
II Історія розвитку та технологічні прориви термоелектричних охолоджувальних установок (система охолодження Пельтьє)
В останні роки розробка термоелектричних охолоджувальних компонентів зосередилася на двох основних напрямках: інновації матеріалів та структурна оптимізація.
Дослідження та розробка високоефективних термоелектричних матеріалів
Значення ZT традиційних матеріалів на основі Bi₂Te₃ було збільшено до 1,2-1,5 завдяки легуванню (таким як Sb, Se) та нанорозмірній обробці.
Нові матеріали, такі як телурид свинцю (PbTe) та кремній-германієвий сплав (SiGe), винятково добре працюють за середніх та високих температур (від 200 до 500 ℃).
Очікується, що нові матеріали, такі як органічно-неорганічні композитні термоелектричні матеріали та топологічні ізолятори, ще більше знизять витрати та підвищать ефективність.
Оптимізація структури компонентів
Мініатюризація конструкції: Підготовка термобатарей мікронного масштабу за допомогою технології MEMS (мікроелектромеханічні системи) для задоволення вимог мініатюризації побутової електроніки.
Модульна інтеграція: з'єднуйте кілька термоелектричних блоків послідовно або паралельно для формування потужних термоелектричних модулів охолодження, охолоджувачів Пельтьє, пристроїв Пельтьє, що відповідають вимогам промислового термоелектричного охолодження.
Інтегрована структура тепловідведення: інтеграція ребер охолодження з ребрами тепловідведення та тепловими трубками для підвищення ефективності тепловідведення та зменшення загального об'єму.
III Типові сценарії застосування термоелектричних охолоджувальних установок, термоелектричних охолоджувальних компонентів
Найбільша перевага термоелектричних охолоджувальних установок полягає в їх твердотільній природі, безшумній роботі та точному контролі температури. Тому вони займають незамінне місце в ситуаціях, коли компресори не підходять для охолодження.
У сфері побутової електроніки
Розсіювання тепла мобільних телефонів: Високоякісні ігрові телефони оснащені мікротермоелектричними модулями охолодження, модулями TEC, пристроями Пельтьє, модулями Пельтьє, які в поєднанні з системами рідинного охолодження можуть швидко знизити температуру чіпа, запобігаючи зниженню частоти через перегрів під час гри.
Автомобільні холодильники, Автомобільні холодильники: Невеликі автомобільні холодильники здебільшого використовують термоелектричну технологію охолодження, яка поєднує функції охолодження та нагрівання (нагрівання можна досягти шляхом перемикання напрямку струму). Вони мають невеликі розміри, низьке енергоспоживання та сумісні з 12-вольтовою мережею живлення автомобіля.
Стаканчик для охолодження напоїв/ізольований стаканчик: Портативний стаканчик для охолодження оснащений вбудованою мікроохолоджувальною пластиною, яка може швидко охолодити напої до 5-15 градусів Цельсія без використання холодильника.
2. Медична та біологічна галузі
Обладнання для точного контролю температури: таке як прилади для ПЛР (прилади для полімеразної ланцюгової реакції) та холодильники для крові, потребує стабільного низькотемпературного середовища. Напівпровідникові холодильні компоненти можуть досягати точного контролю температури в межах ±0,1 ℃, і немає ризику забруднення холодоагентом.
Портативні медичні пристрої: такі як холодильники для інсуліну, які мають невеликі розміри та тривалий термін служби батареї, підходять для пацієнтів з діабетом, щоб брати їх із собою під час виходу на вулицю, забезпечуючи температуру зберігання інсуліну.
Контроль температури лазерного обладнання: Основні компоненти медичних лазерних лікувальних пристроїв (таких як лазери) чутливі до температури, а компоненти охолодження напівпровідників можуть розсіювати тепло в режимі реального часу, забезпечуючи стабільну роботу обладнання.
3. Промислова та аерокосмічна галузі
Промислове дрібномасштабне холодильне обладнання: таке як камери для випробування старіння електронних компонентів та прецизійні прилади з постійною температурою, які потребують локального низькотемпературного середовища, термоелектричні охолоджувальні установки, термоелектричні компоненти можна налаштувати з холодильною потужністю за потреби.
Аерокосмічне обладнання: Електронні пристрої в космічних апаратах мають труднощі з розсіюванням тепла у вакуумному середовищі. Термоелектричні системи охолодження, термоелектричні охолоджувальні блоки, термоелектричні компоненти, як твердотільні пристрої, є високонадійними та без вібрацій, і можуть використовуватися для контролю температури електронного обладнання в супутниках та космічних станціях.
4. Інші нові сценарії
Носимі пристрої: розумні охолоджувальні шоломи та охолоджувальні костюми з вбудованими гнучкими термоелектричними охолоджувальними пластинами можуть забезпечити локальне охолодження людського тіла в умовах високої температури та підходять для працівників, які працюють на відкритому повітрі.
Логістика холодового ланцюга: Невеликі пакувальні коробки для холодового ланцюга, що працюють від термоелектричного охолодження, охолодження Пельтьє та батарей, можуть використовуватися для транспортування вакцин та свіжих продуктів на короткі відстані без використання великих рефрижераторів.
IV. Обмеження та тенденції розвитку термоелектричних охолоджувальних установок, компонентів охолодження на основі елементів Пельтьє
Існуючі обмеження
Ефективність охолодження відносно низька: його коефіцієнт енергоефективності (COP) зазвичай становить від 0,3 до 0,8, що значно нижче, ніж у компресорного охолодження (COP може сягати від 2 до 5), і не підходить для масштабних та високопродуктивних сценаріїв охолодження.
Високі вимоги до тепловіддачі: Якщо тепло на кінці тепловіддачі не може бути відведене вчасно, це серйозно вплине на ефект охолодження. Тому він повинен бути оснащений ефективною системою тепловіддачі, що обмежує застосування в деяких компактних сценаріях.
Висока вартість: вартість виготовлення високопродуктивних термоелектричних матеріалів (таких як нанолегований Bi₂Te₃) вища, ніж у традиційних холодильних матеріалів, що призводить до відносно високої ціни на високоякісні компоненти.
2. Тенденції майбутнього розвитку
Прорив у матеріалах: розробка недорогих термоелектричних матеріалів з високим значенням ZT з метою підвищення значення ZT при кімнатній температурі до понад 2,0 та зменшення розриву в ефективності з компресорним охолодженням.
Гнучкість та інтеграція: розробка гнучких термоелектричних модулів охолодження, модулів TEC, термоелектричних модулів, пристроїв Пельтьє, модулів Пельтьє, охолоджувачів Пельтьє для адаптації до пристроїв з вигнутою поверхнею (таких як мобільні телефони з гнучким екраном та розумні портативні пристрої); сприяння інтеграції компонентів термоелектричного охолодження з мікросхемами та датчиками для досягнення «контролю температури на рівні мікросхем».
Енергозберігаюча конструкція: завдяки інтеграції технології Інтернету речей (IoT) досягається інтелектуальне регулювання запуску/зупинки та потужності компонентів охолодження, що знижує загальне споживання енергії.
V. Короткий зміст
Термоелектричні охолоджувальні установки, охолоджувальні установки на основі елементів Пельтьє, термоелектричні системи охолодження, завдяки своїм унікальним перевагам твердотільних, безшумних та точно регульованих температур, займають важливе місце в таких галузях, як побутова електроніка, медицина та аерокосмічна галузь. З постійним удосконаленням технології термоелектричних матеріалів та конструкцій, питання ефективності та вартості охолодження поступово покращуватимуться, і очікується, що в майбутньому вони замінять традиційні технології охолодження в більш специфічних сценаріях.
Час публікації: 12 грудня 2025 р.
