Новий напрямок розвитку термоелектричної холодильної галузі
Термоелектричні охолоджувачі, також відомі як термоелектричні охолоджувальні модулі, мають незамінні переваги в певних галузях завдяки своїм характеристикам, таким як відсутність рухомих частин, точний контроль температури, малий розмір і висока надійність. За останні роки не відбулося жодного революційного прориву в базових матеріалах у цій галузі, але значного прогресу досягнуто в оптимізації матеріалів, проектуванні систем і розширенні застосування.
Нижче наведено кілька основних нових напрямків розвитку:
I. Досягнення в основних матеріалах та пристроях
Безперервна оптимізація характеристик термоелектричних матеріалів
Оптимізація традиційних матеріалів (на основі Bi₂Te₃): Сполуки вісмуту та телуру залишаються найкращими матеріалами за температури поблизу кімнатної. Поточна увага досліджень зосереджена на подальшому підвищенні їх термоелектричної цінності за допомогою таких процесів, як нанорозмірювання, легування та текстурування. Наприклад, шляхом виробництва нанодротів та надґратчастих структур для посилення розсіювання фононів та зменшення теплопровідності, можна підвищити ефективність без суттєвого впливу на електропровідність.
Дослідження нових матеріалів: Хоча вони ще не є комерційно доступними у великих масштабах, дослідники досліджують нові матеріали, такі як SnSe, Mg₃Sb₂ та CsBi₄Te₆, які можуть мати вищий потенціал, ніж Bi₂Te₃, у певних температурних зонах, що пропонує можливість для майбутнього підвищення продуктивності.
Інновації в структурі пристрою та процесі інтеграції
Мініатюризація та апроксимація: Щоб задовольнити вимоги до тепловіддачі мікропристроїв, таких як побутова електроніка (наприклад, затискачі для тепловіддачі мобільних телефонів) та пристрої оптичного зв'язку, процес виробництва мікро-TEC (мікротермоелектричних модулів охолодження, мініатюрних термоелектричних модулів) стає все більш складним. Можливе виробництво модулів Пельтьє, охолоджувачів Пельтьє, пристроїв Пельтьє, термоелектричних пристроїв розміром лише 1×1 мм або навіть менше, і їх можна гнучко інтегрувати в масиви для досягнення точного локального охолодження.
Гнучкий модуль TEC (модуль Пельтьє): це нова гаряча тема. Використовуючи такі технології, як друкована електроніка та гнучкі матеріали, виготовляються неплоскі модулі TEC, пристрої Пельтьє, які можна згинати та склеювати. Це має широкі перспективи в таких галузях, як носимі електронні пристрої та локальна біомедицина (наприклад, портативні холодні компреси).
Оптимізація багаторівневої структури: для сценаріїв, що вимагають більшої різниці температур, багатоступеневий модуль TEC та багатоступеневі термоелектричні модулі охолодження залишаються основним рішенням. Сучасний прогрес відображається в структурному проектуванні та процесах з'єднання, спрямованих на зменшення міжступеневого теплового опору, підвищення загальної надійності та максимальної різниці температур.
II. Розширення системних програм та рішень
Наразі це найдинамічніша галузь, де можна безпосередньо спостерігати нові розробки.
Спільна еволюція технології розсіювання тепла гарячих кінців
Ключовим фактором, що обмежує продуктивність модуля TEC, термоелектричного модуля, модуля Пельтьє, часто є здатність розсіювати тепло на гарячому кінці. Покращення продуктивності TEC взаємно підсилює себе розвитком високоефективної технології радіатора.
У поєднанні з випарними камерами/тепловими трубками VC: У галузі побутової електроніки модуль TEC, елемент Пельтьє, часто поєднується з випарними камерами з вакуумною камерою. Модуль TEC, охолоджувач Пельтьє, відповідає за активне створення низькотемпературної зони, тоді як VC ефективно розсіює тепло від гарячого кінця модуля TEC, елемента Пельтьє, до більших ребер теплорозсіювання, утворюючи системне рішення «активне охолодження + ефективна теплопровідність та відведення». Це нова тенденція в модулях теплорозсіювання для ігрових телефонів та високоякісних відеокарт.
У поєднанні з системами рідинного охолодження: У таких галузях, як центри обробки даних та потужні лазери, модуль TEC поєднується з системами рідинного охолодження. Використовуючи надзвичайно високу питому теплоємність рідин, тепло на гарячому кінці термоелектричного модуля TEC відводиться, досягаючи безпрецедентно ефективної охолоджувальної здатності.
Інтелектуальне керування та управління енергоефективністю
Сучасні термоелектричні системи охолодження все частіше інтегрують високоточні датчики температури та PID/PWM-контролери. Регулюючи вхідний струм/напругу термоелектричного модуля, модуля TEC, модуля Пельтьє в режимі реального часу за допомогою алгоритмів, можна досягти стабільності температури ±0,1℃ або навіть вище, уникаючи перезаряду та коливань, а також заощаджуючи енергію.
Імпульсний режим роботи: Для деяких застосувань використання імпульсного живлення замість безперервного може задовольнити потреби в миттєвому охолодженні, водночас значно зменшуючи загальне споживання енергії та балансуючи теплове навантаження.
Iii. Нові та швидкозростаючі галузі застосування
Розсіювання тепла для побутової електроніки
Ігрові телефони та аксесуари для кіберспорту: це одна з найбільших точок зростання на ринку термоелектричних модулів охолодження, модулів TEC та модулів Pletier за останні роки. Задня кришка активного охолодження оснащена вбудованими термоелектричними модулями (модулями TEC), які можуть безпосередньо знижувати температуру SoC телефону нижче температури навколишнього середовища, забезпечуючи безперервну високу продуктивність під час гри.
Ноутбуки та настільні комп'ютери: Деякі високоякісні ноутбуки та відеокарти (такі як референсні карти NVIDIA серії RTX 30/40) почали пробувати інтегрувати модулі TEC, термоелектричні модулі, для сприяння охолодженню основних чіпів.
Оптичний зв'язок та центри обробки даних
Оптичні модулі 5G/6G: Лазери (DFB/EML) у високошвидкісних оптичних модулях надзвичайно чутливі до температури та потребують TEC для точного постійного регулювання температури (зазвичай у межах ±0,5 ℃), щоб забезпечити стабільність довжини хвилі та якість передачі. Зі зростанням швидкості передачі даних до 800 Гбіт/с та 1,6 Тл, попит і вимоги до TEC-модулів, термоелектричних охолоджувачів Пельтьє та елементів Пельтьє зростають.
Локальне охолодження в центрах обробки даних: зосередження уваги на гарячих точках, таких як центральні та графічні процесори, використання модуля TEC для цілеспрямованого покращеного охолодження є одним із напрямків досліджень щодо підвищення енергоефективності та щільності обчислень у центрах обробки даних.
Автомобільна електроніка
Лідар, встановлений на транспортному засобі: основний лазерний випромінювач лідара потребує стабільної робочої температури. TEC є ключовим компонентом, що забезпечує його нормальну роботу в суворих умовах, встановлених на транспортному засобі (від -40℃ до +105℃).
Інтелектуальні кабіни водія та високоякісні інформаційно-розважальні системи: Зі зростанням обчислювальної потужності бортових мікросхем, їхні вимоги до тепловіддачі поступово збігаються з вимогами споживчої електроніки. Очікується, що модуль TEC, охолоджувач TE, буде застосовано в майбутніх моделях автомобілів високого класу.
Медичні та біологічні науки
Портативні медичні пристрої, такі як ПЛР-прилади та секвенатори ДНК, потребують швидкого та точного циклічного регулювання температури, а модуль Пельтьє TEC є основним компонентом контролю температури. Тенденція мініатюризації та портативності обладнання стимулювала розробку мікро- та ефективного охолоджувача Пельтьє TEC.
Косметологічні прилади: Деякі високоякісні косметичні прилади використовують ефект Пельтьє від TEC, пристрій Пельтьє, для досягнення точних функцій холодного та гарячого компресу.
Аерокосмічна промисловість та спеціальні середовища
Охолодження інфрачервоних детекторів: У військовій, аерокосмічній та науковій галузях інфрачервоні детектори необхідно охолоджувати до надзвичайно низьких температур (наприклад, нижче -80℃) для зменшення шуму. Багатоступеневий модуль TEC, багатоступеневий модуль Пельтьє, багатоступеневий термоелектричний модуль – це мініатюрне та дуже надійне рішення для досягнення цієї мети.
Контроль температури корисного навантаження супутника: забезпечення стабільного теплового середовища для точних приладів на супутниках.
Iv. Проблеми, що постали перед нами, та майбутні перспективи
Основна проблема: відносно низька енергоефективність залишається найбільшим недоліком модуля Пельтьє (термоелектричного модуля) TEC порівняно з традиційним компресорним охолодженням. Його термоелектрична ефективність охолодження набагато нижча, ніж у циклу Карно.
Перспективи на майбутнє
Кінцевою метою є прорив у розробці матеріалів: якщо вдасться відкрити або синтезувати нові матеріали зі значенням термоелектричної переваги 3,0 або вище за кімнатної температури (наразі комерційний Bi₂Te₃ має приблизно 1,0), це спровокує революцію в усій галузі.
Системна інтеграція та інтелект: Майбутня конкуренція більше зміститься від «продуктивності індивідуального TEC» до можливостей комплексного системного рішення «TEC + тепловіддача + керування». Поєднання зі штучним інтелектом для прогнозного керування температурою також є одним із напрямків.
Зниження витрат та проникнення на ринок: З розвитком виробничих процесів та великомасштабним виробництвом очікується подальше зниження витрат TEC, що дозволить компанії проникнути на ринки середнього та навіть масового класу.
Підсумовуючи, світова індустрія термоелектричних охолоджувачів наразі перебуває на стадії розвитку, орієнтованого на застосування, та спільних інновацій. Хоча революційних змін у основних матеріалах не відбулося, завдяки розвитку інженерних технологій та глибокій інтеграції з технологіями початкового та нижчого рівня, модуль Пельтьє TEC, модуль Пельтьє, охолоджувач Пельтьє знаходить своє незамінне місце у все більшій кількості нових та високоцінних галузей, демонструючи високу життєздатність.
Час публікації: 30 жовтня 2025 р.
