Les unitats de refrigeració termoelèctrica, els refrigeradors Peltier (també coneguts com a components de refrigeració termoelèctrica) són dispositius de refrigeració d'estat sòlid basats en l'efecte Peltier. Tenen els avantatges de no tenir moviment mecànic, no utilitzar refrigerant, ser petits, tenir una resposta ràpida i un control precís de la temperatura. En els darrers anys, les seves aplicacions en electrònica de consum, atenció mèdica, automòbils i altres camps han continuat expandint-se.
I. Principis bàsics del sistema i components de refrigeració termoelèctrica
El nucli del refredament termoelèctric és l'efecte Peltier: quan dos materials semiconductors diferents (tipus P i tipus N) formen un parell de termoparells i s'aplica un corrent continu, un extrem del parell de termoparells absorbirà calor (extrem de refredament) i l'altre extrem alliberarà calor (extrem de dissipació de calor). Canviant la direcció del corrent, es poden intercanviar l'extrem de refredament i l'extrem de dissipació de calor.
El seu rendiment de refrigeració depèn principalment de tres paràmetres bàsics:
Coeficient de mèrit termoelèctric (valor ZT): És un indicador clau per avaluar el rendiment dels materials termoelèctrics. Com més alt sigui el valor ZT, més alta serà l'eficiència de refrigeració.
La diferència de temperatura entre els extrems calent i fred: l'efecte de dissipació de calor a l'extrem de dissipació de calor determina directament la capacitat de refrigeració a l'extrem de refrigeració. Si la dissipació de calor no és suau, la diferència de temperatura entre els extrems calent i fred es reduirà i l'eficiència de refrigeració disminuirà bruscament.
Corrent de treball: Dins del rang nominal, un augment del corrent millora la capacitat de refrigeració. Tanmateix, un cop superat el llindar, l'eficiència disminuirà a causa d'un augment de la calor en Joule.
II La història del desenvolupament i els avenços tecnològics de les unitats de refrigeració termoelèctriques (sistema de refrigeració Peltier)
En els darrers anys, el desenvolupament de components de refrigeració termoelèctrica s'ha centrat en dues direccions principals: la innovació de materials i l'optimització estructural.
Recerca i desenvolupament de materials termoelèctrics d'alt rendiment
El valor ZT dels materials tradicionals basats en Bi₂Te₃ s'ha augmentat a 1,2-1,5 mitjançant dopatge (com ara Sb, Se) i tractament a nanoescala.
Nous materials com el tel·lurur de plom (PbTe) i l'aliatge de silici-germani (SiGe) tenen un rendiment excepcional en escenaris de temperatura mitjana i alta (de 200 a 500 ℃).
Es preveu que nous materials com ara els materials termoelèctrics compostos orgànics-inorgànics i els aïllants topològics redueixin encara més els costos i millorin l'eficiència.
Optimització de l'estructura dels components
Disseny de miniaturització: Preparar termopiles a escala micromètrica mitjançant la tecnologia MEMS (sistemes microelectromecànics) per complir els requisits de miniaturització de l'electrònica de consum.
Integració modular: connecteu diverses unitats termoelèctriques en sèrie o paral·lel per formar mòduls de refrigeració termoelèctrica d'alta potència, refrigeradors Peltier, dispositius Peltier, que compleixin els requisits de refrigeració termoelèctrica de grau industrial.
Estructura de dissipació de calor integrada: integra les aletes de refrigeració amb les aletes de dissipació de calor i els tubs de calor per millorar l'eficiència de dissipació de calor i reduir el volum total.
III Escenaris d'aplicació típics d'unitats de refrigeració termoelèctriques, components de refrigeració termoelèctrica
El major avantatge de les unitats de refrigeració termoelèctriques rau en la seva naturalesa d'estat sòlid, el funcionament silenciós i el control precís de la temperatura. Per tant, ocupen una posició irreemplaçable en escenaris on els compressors no són adequats per a la refrigeració.
En el camp de l'electrònica de consum
Dissipació de calor dels telèfons mòbils: els telèfons per a jocs d'alta gamma estan equipats amb mòduls de refrigeració microtermoelèctrics, mòduls TEC, dispositius Peltier, mòduls Peltier que, en combinació amb sistemes de refrigeració líquida, poden reduir ràpidament la temperatura del xip, evitant la reducció de freqüència a causa del sobreescalfament durant el joc.
Refrigeradors de cotxe, refrigeradors de cotxe: els refrigeradors de cotxe petits adopten majoritàriament tecnologia de refrigeració termoelèctrica, que combina funcions de refrigeració i calefacció (la calefacció es pot aconseguir canviant la direcció del corrent). Són de mida petita, de baix consum d'energia i compatibles amb la font d'alimentació de 12 V d'un cotxe.
Tassa refrigerant per a begudes/tassa aïllada: la tassa refrigerant portàtil està equipada amb una microplaca de refrigeració integrada, que pot refredar ràpidament les begudes de 5 a 15 graus Celsius sense dependre d'una nevera.
2. Camps mèdics i biològics
Equips de control precís de la temperatura: com ara els instruments PCR (instruments de reacció en cadena de la polimerasa) i els refrigeradors de sang, requereixen un entorn estable de baixa temperatura. Els components de refrigeració semiconductors poden aconseguir un control precís de la temperatura dins de ±0,1 ℃ i no hi ha risc de contaminació del refrigerant.
Dispositius mèdics portàtils: com ara les caixes de refrigeració d'insulina, que són de mida petita i tenen una bateria de llarga durada, són adequades per a pacients diabètics per portar-les quan surten, garantint la temperatura d'emmagatzematge de la insulina.
Control de temperatura dels equips làser: els components principals dels dispositius de tractament amb làser mèdic (com ara els làsers) són sensibles a la temperatura i els components de refrigeració dels semiconductors poden dissipar la calor en temps real per garantir el funcionament estable de l'equip.
3. Camps industrials i aeroespacials
Equips de refrigeració industrial a petita escala: com ara cambres de prova d'envelliment de components electrònics i banys de temperatura constant d'instruments de precisió, que requereixen un entorn local de baixa temperatura, unitats de refrigeració termoelèctriques, components termoelèctrics es poden personalitzar amb potència de refrigeració segons calgui.
Equipament aeroespacial: Els dispositius electrònics de les naus espacials tenen dificultats per dissipar la calor en un entorn de buit. Els sistemes de refrigeració termoelèctrica, les unitats de refrigeració termoelèctriques i els components termoelèctrics, com a dispositius d'estat sòlid, són altament fiables i lliures de vibracions, i es poden utilitzar per al control de la temperatura d'equips electrònics en satèl·lits i estacions espacials.
4. Altres escenaris emergents
Dispositius portables: els cascos i vestits de refrigeració intel·ligents, amb plaques de refrigeració termoelèctriques flexibles integrades, poden proporcionar refrigeració local per al cos humà en ambients d'alta temperatura i són adequats per a treballadors a l'aire lliure.
Logística de la cadena de fred: Les petites caixes d'embalatge de cadena de fred, alimentades per refrigeració termoelèctrica, refrigeració Peltier i bateries, es poden utilitzar per al transport de curta distància de vacunes i productes frescos sense dependre de grans camions refrigerats.
IV. Limitacions i tendències de desenvolupament de les unitats de refrigeració termoelèctriques, components de refrigeració Peltier
Limitacions existents
L'eficiència de refrigeració és relativament baixa: el seu índex d'eficiència energètica (COP) sol estar entre 0,3 i 0,8, molt inferior al de la refrigeració per compressor (el COP pot arribar a 2 a 5), i no és adequat per a escenaris de refrigeració a gran escala i d'alta capacitat.
Requisits elevats de dissipació de calor: si la calor a l'extrem de dissipació de calor no es pot descarregar a temps, afectarà seriosament l'efecte de refrigeració. Per tant, ha d'estar equipat amb un sistema de dissipació de calor eficient, cosa que limita l'aplicació en alguns escenaris compactes.
Cost elevat: El cost de preparació dels materials termoelèctrics d'alt rendiment (com ara el Bi₂Te₃ nanodopat) és superior al dels materials de refrigeració tradicionals, la qual cosa resulta en un preu relativament alt dels components d'alta gamma.
2. Tendències de desenvolupament futur
Avenç en materials: Desenvolupar materials termoelèctrics de baix cost i amb un valor ZT elevat, amb l'objectiu d'augmentar el valor ZT a temperatura ambient a més de 2,0 i reduir la bretxa d'eficiència amb la refrigeració per compressor.
Flexibilitat i integració: Desenvolupar mòduls de refrigeració termoelèctrics flexibles, mòduls TEC, mòduls termoelèctrics, dispositius Peltier, mòduls Peltier, refrigeradors Peltier, per adaptar-se a dispositius de superfície corba (com ara telèfons mòbils de pantalla flexible i dispositius intel·ligents portàtils); Promoure la integració de components de refrigeració termoelèctrics amb xips i sensors per aconseguir un "control de temperatura a nivell de xip".
Disseny d'estalvi d'energia: Integrant la tecnologia de la Internet de les Coses (IoT), s'aconsegueix una arrencada i aturada intel·ligents i una regulació de potència dels components de refrigeració, cosa que redueix el consum energètic general.
V. Resum
Les unitats de refrigeració termoelèctriques, les unitats de refrigeració Peltier i els sistemes de refrigeració termoelèctrics, amb els seus avantatges únics de ser d'estat sòlid, silenciosos i amb un control precís de la temperatura, ocupen una posició important en camps com l'electrònica de consum, l'atenció mèdica i l'aeroespacial. Amb la millora contínua de la tecnologia dels materials termoelèctrics i el disseny estructural, els problemes de la seva eficiència i cost de refrigeració milloraran gradualment, i s'espera que substitueixin la tecnologia de refrigeració tradicional en escenaris més específics en el futur.
Data de publicació: 12 de desembre de 2025
