La nova direcció de desenvolupament de la indústria de la refrigeració termoelèctrica

La nova direcció de desenvolupament de la indústria de la refrigeració termoelèctrica

Els refrigeradors termoelèctrics, també coneguts com a mòduls de refrigeració termoelèctrics, tenen avantatges irreemplaçables en camps específics a causa de les seves característiques com ara l'absència de peces mòbils, un control precís de la temperatura, la mida petita i l'alta fiabilitat. En els darrers anys, no hi ha hagut cap avenç disruptiu en els materials bàsics en aquest camp, però s'han fet progressos significatius en l'optimització de materials, el disseny de sistemes i l'expansió d'aplicacions.

Aquestes són algunes de les noves direccions de desenvolupament més importants:

I. Avenços en materials i dispositius bàsics

Optimització contínua del rendiment dels materials termoelèctrics

Optimització de materials tradicionals (basats en Bi₂Te₃): els compostos de tel·luri de bismut continuen sent els materials amb millor rendiment a temperatura ambient. L'objectiu actual de la recerca és millorar encara més el seu valor termoelèctric mitjançant processos com la nanodimensionament, el dopatge i la texturització. Per exemple, fabricant nanofils i estructures de superxarxa per millorar la dispersió de fonons i reduir la conductivitat tèrmica, es pot millorar l'eficiència sense afectar significativament la conductivitat elèctrica.

Exploració de nous materials: Tot i que encara no estan disponibles comercialment a gran escala, els investigadors han estat explorant nous materials com ara SnSe, Mg₃Sb₂ i CsBi₄Te₆, que poden tenir un potencial més alt que el Bi₂Te₃ en zones de temperatura específiques, oferint la possibilitat de futurs salts de rendiment.

Innovació en l'estructura del dispositiu i el procés d'integració

Miniaturització i agrupament: Per satisfer els requisits de dissipació de calor de microdispositius com ara electrònica de consum (com ara els clips posteriors de dissipació de calor dels telèfons mòbils) i dispositius de comunicació òptica, el procés de fabricació de micro-TEC (micromòduls de refrigeració termoelèctrica, mòduls termoelèctrics miniatura) és cada cop més sofisticat. És possible fabricar mòduls Peltier, refrigeradors Peltier, dispositius Peltier, dispositius termoelèctrics amb una mida de només 1 × 1 mm o fins i tot més petits, i es poden integrar de manera flexible en matrius per aconseguir un refredament local precís.

Mòdul TEC flexible (mòdul Peltier): Aquest és un tema emergent i candent. Mitjançant tecnologies com l'electrònica impresa i materials flexibles, es fabriquen mòduls TEC no planars, dispositius Peltier que es poden doblegar i adherir. Això té àmplies perspectives en camps com els dispositius electrònics portàtils i la biomedicina local (com ara compreses fredes portàtils).

Optimització d'estructures multinivell: per a escenaris que requereixen una diferència de temperatura més gran, el mòdul TEC multietapa i els mòduls de refrigeració termoelèctric multietapa continuen sent la solució principal. El progrés actual es reflecteix en el disseny estructural i els processos d'unió, amb l'objectiu de reduir la resistència tèrmica entre etapes, millorar la fiabilitat general i la diferència de temperatura màxima.

Ii. Expansió d'aplicacions i solucions a nivell de sistema

Aquest és actualment el camp més dinàmic on es poden observar directament els nous desenvolupaments.

La coevolució de la tecnologia de dissipació de calor del hot-end

El factor clau que restringeix el rendiment del mòdul TEC, mòdul termoelèctric i mòdul Peltier sovint és la capacitat de dissipació de calor a l'extrem calent. La millora del rendiment TEC es reforça mútuament amb el desenvolupament de la tecnologia de dissipadors de calor d'alta eficiència.

Combinat amb cambres de vapor/tubs de calor VC: En el camp de l'electrònica de consum, el mòdul TEC, dispositiu Peltier, sovint es combina amb cambres de vapor de cambra de buit. El mòdul TEC, refrigerador Peltier, és responsable de crear activament la zona de baixa temperatura, mentre que el VC difon eficientment la calor des de l'extrem calent del mòdul TEC, element Peltier, fins a les aletes de dissipació de calor més grans, formant una solució de sistema de "refredament actiu + conducció i eliminació de calor eficient". Aquesta és una nova tendència en mòduls de dissipació de calor per a telèfons de jocs i targetes gràfiques d'alta gamma.

Combinat amb sistemes de refrigeració líquida: En camps com els centres de dades i els làsers d'alta potència, el mòdul TEC es combina amb sistemes de refrigeració líquida. Aprofitant la capacitat calorífica específica extremadament alta dels líquids, s'elimina la calor a l'extrem calent del mòdul termoelèctric del mòdul TEC, aconseguint una capacitat de refrigeració sense precedents.

Control intel·ligent i gestió de l'eficiència energètica

Els sistemes de refrigeració termoelèctrics moderns integren cada cop més sensors de temperatura d'alta precisió i controladors PID/PWM. Ajustant el corrent/tensió d'entrada del mòdul termoelèctric, el mòdul TEC i el mòdul Peltier en temps real mitjançant algoritmes, es pot aconseguir una estabilitat de temperatura de ±0,1 ℃ o fins i tot superior, evitant alhora la sobrecàrrega i l'oscil·lació i estalviant energia.

Mode de funcionament per polsos: per a algunes aplicacions, l'ús d'una font d'alimentació per polsos en lloc d'una font d'alimentació contínua pot satisfer els requisits de refrigeració instantània alhora que redueix significativament el consum d'energia global i equilibra la càrrega tèrmica.

Iii. Camps d'aplicació emergents i d'alt creixement

Dissipació de calor per a electrònica de consum

Telèfons per a jocs i accessoris per a esports electrònics: aquest és un dels punts de creixement més grans en el mercat dels mòduls de refrigeració termoelèctrica, mòduls TEC i mòduls Pletier en els darrers anys. El clip posterior de refrigeració actiu està equipat amb mòduls termoelèctrics integrats (mòduls TEC), que poden suprimir directament la temperatura del SoC del telèfon per sota de la temperatura ambient, garantint un rendiment continu d'alt rendiment durant els jocs.

Portàtils i ordinadors de sobretaula: alguns portàtils i targetes gràfiques d'alta gamma (com ara les targetes de referència de la sèrie NVIDIA RTX 30/40) han començat a intentar integrar mòduls TEC, mòduls termoelèctrics per ajudar a refredar els xips principals.

Comunicacions òptiques i centres de dades

Mòduls òptics 5G/6G: Els làsers (DFB/EML) dels mòduls òptics d'alta velocitat són extremadament sensibles a la temperatura i requereixen un TEC per a una temperatura constant precisa (normalment dins de ±0,5 ℃) per garantir l'estabilitat de la longitud d'ona i la qualitat de la transmissió. A mesura que les velocitats de dades evolucionen cap a 800G i 1,6T, la demanda i els requisits de mòduls TEC, mòduls termoelèctrics, refrigeradors Peltier i elements Peltier estan augmentant.

Refrigeració local en centres de dades: Centrant-se en punts d'accés com ara CPU i GPU, l'ús del mòdul TEC per a una refrigeració millorada específica és una de les direccions de recerca per millorar l'eficiència energètica i la densitat de computació en centres de dades.

Electrònica d'automoció

Lidar muntat en vehicle: L'emissor làser central del lidar requereix una temperatura de funcionament estable. El TEC és un component clau que garanteix el seu funcionament normal en l'entorn dur de muntatge en vehicle (de -40 ℃ a +105 ℃).

Cabines intel·ligents i sistemes d'infoentreteniment d'alta gamma: Amb l'augment de la potència de càlcul dels xips integrats als vehicles, les seves demandes de dissipació de calor s'estan alineant gradualment amb les de l'electrònica de consum. Es preveu que el mòdul TEC, el refrigerador TE, s'apliqui en futurs models de vehicles d'alta gamma.

Ciències mèdiques i de la vida

Els dispositius mèdics portàtils com ara els instruments de PCR i els seqüenciadors d'ADN requereixen cicles de temperatura ràpids i precisos, i el mòdul Peltier TEC és el component central de control de temperatura. La tendència a la miniaturització i la portabilitat dels equips ha impulsat el desenvolupament de microrefrigeradors Peltier TEC eficients.

Dispositius de bellesa: alguns dispositius de bellesa d'alta gamma utilitzen l'efecte Peltier del dispositiu TEC, Peltier, per aconseguir funcions precises de compressió en fred i calent.

Aeroespacial i entorns especials

Refrigeració del detector d'infrarojos: En els camps de la investigació militar, aeroespacial i científica, els detectors d'infrarojos s'han de refredar a temperatures extremadament baixes (com ara per sota de -80 ℃) per reduir el soroll. El mòdul TEC multietapa, el mòdul Peltier multietapa i el mòdul termoelèctric multietapa són una solució miniaturitzada i altament fiable per aconseguir aquest objectiu.

Control de la temperatura de la càrrega útil dels satèl·lits: proporcionar un entorn tèrmic estable per a instruments de precisió als satèl·lits.

Iv. Reptes afrontats i perspectives de futur

El principal repte: l'eficiència energètica relativament baixa continua sent el principal defecte del mòdul Peltier (mòdul termoelèctric) del mòdul TEC en comparació amb la refrigeració tradicional per compressor. La seva eficiència de refrigeració termoelèctrica és molt inferior a la del cicle de Carnot.

Perspectives de futur

L'objectiu final és un gran avenç en el desenvolupament de materials: si es poden descobrir o sintetitzar nous materials amb un valor de superioritat termoelèctrica de 3,0 o superior a temperatura ambient (actualment, el Bi₂Te₃ comercial és aproximadament d'1,0), es desencadenarà una revolució en tota la indústria.

Integració de sistemes i intel·ligència: la competència futura es desplaçarà més del "rendiment TEC individual" a la capacitat d'una solució de sistema global de "TEC + dissipació de calor + control". La combinació amb la IA per al control predictiu de la temperatura també és una direcció.

Reducció de costos i penetració al mercat: Amb la maduració dels processos de fabricació i la producció a gran escala, s'espera que els costos de TEC continuïn disminuint, penetrant així en mercats de gamma mitjana i fins i tot massiva.

En resum, la indústria mundial dels refrigeradors termoelèctrics es troba actualment en una etapa de desenvolupament d'innovació impulsada per aplicacions i col·laborativa. Tot i que no hi ha hagut canvis revolucionaris en els materials bàsics, a través de l'avanç de la tecnologia d'enginyeria i la profunda integració amb tecnologies aigües amunt i avall, el mòdul Peltier TEC, el refrigerador Peltier, està trobant la seva posició irreemplaçable en un nombre creixent de camps emergents i d'alt valor, demostrant una forta vitalitat.