Termoelektriske køleenheder, Peltier-kølere (også kendt som termoelektriske kølekomponenter) er solid-state-køleenheder baseret på Peltier-effekten. De har fordelene ved ingen mekanisk bevægelse, intet kølemiddel, lille størrelse, hurtig respons og præcis temperaturkontrol. I de senere år er deres anvendelser inden for forbrugerelektronik, medicinsk behandling, biler og andre områder fortsat med at udvide sig.
I. Kerneprincipper for termoelektrisk kølesystem og komponenter
Kernen i termoelektrisk køling er Peltier-effekten: Når to forskellige halvledermaterialer (P-type og N-type) danner et termoelementpar, og der påføres en jævnstrøm, vil den ene ende af termoelementparret absorbere varme (køleenden), og den anden ende vil afgive varme (varmeafledningsenden). Ved at ændre strømmens retning kan køleenden og varmeafledningsenden byttes om.
Dens køleevne afhænger primært af tre kerneparametre:
Termoelektrisk godhedskoefficient (ZT-værdi): Det er en nøgleindikator til evaluering af termoelektriske materialers ydeevne. Jo højere ZT-værdi, desto højere køleeffektivitet.
Temperaturforskellen mellem den varme og kolde ende: Varmeafledningseffekten ved varmeafledningsenden bestemmer direkte kølekapaciteten ved køleenden. Hvis varmeafledningen ikke er jævn, vil temperaturforskellen mellem den varme og kolde ende blive mindre, og køleeffektiviteten vil falde kraftigt.
Arbejdsstrøm: Inden for det nominelle område forbedrer en stigning i strømmen kølekapaciteten. Men når tærsklen overskrides, vil effektiviteten falde på grund af en stigning i Joule-varme.
II Udviklingshistorien og de teknologiske gennembrud inden for termoelektriske køleenheder (peltier-kølesystem)
I de senere år har udviklingen af termoelektriske kølekomponenter fokuseret på to hovedretninger: materialeinnovation og strukturel optimering.
Forskning og udvikling af højtydende termoelektriske materialer
ZT-værdien af traditionelle Bi₂Te₃-baserede materialer er blevet øget til 1,2-1,5 gennem doping (såsom Sb, Se) og nanoskalabehandling.
Nye materialer som blytellurid (PbTe) og silicium-germaniumlegering (SiGe) klarer sig exceptionelt godt i mellem- og højtemperaturscenarier (200 til 500 ℃).
Nye materialer såsom organisk-uorganiske kompositter af termoelektriske materialer og topologiske isolatorer forventes yderligere at reducere omkostningerne og forbedre effektiviteten.
Optimering af komponentstruktur
Miniaturiseringsdesign: Forbered termopæle i mikronskala ved hjælp af MEMS-teknologi (Micro-Electro-Mechanical Systems) for at opfylde miniaturiseringskravene inden for forbrugerelektronik.
Modulær integration: Tilslut flere termoelektriske enheder i serie eller parallelt for at danne højtydende termoelektriske kølemoduler, Peltier-kølere, Peltier-enheder, der opfylder kravene til termoelektrisk kølening i industriel kvalitet.
Integreret varmeafledningsstruktur: Integrer køleribberne med varmeafledningsribberne og varmerørene for at forbedre varmeafledningseffektiviteten og reducere det samlede volumen.
III Typiske anvendelsesscenarier for termoelektriske køleenheder, termoelektriske kølekomponenter
Den største fordel ved termoelektriske køleenheder ligger i deres solid-state-egenskaber, støjfri drift og præcise temperaturkontrol. Derfor indtager de en uerstattelig plads i scenarier, hvor kompressorer ikke er egnede til køling.
Inden for forbrugerelektronik
Mobiltelefoners varmeafledning: High-end gamingtelefoner er udstyret med mikrotermoelektriske kølemoduler, TEC-moduler, Peltier-enheder, Peltier-moduler, som i kombination med væskekølesystemer hurtigt kan sænke chippens temperatur og forhindre frekvensreduktion på grund af overophedning under spil.
Bilkøleskabe, bilkølere: Små bilkøleskabe bruger for det meste termoelektrisk køleteknologi, som kombinerer køle- og varmefunktioner (opvarmning kan opnås ved at skifte strømretning). De er små i størrelse, har lavt energiforbrug og er kompatible med en bils 12V strømforsyning.
Kølekop/isoleret kop: Den bærbare kølekop er udstyret med en indbygget mikrokøleplade, som hurtigt kan køle drikkevarer ned til 5 til 15 grader Celsius uden at være afhængig af et køleskab.
2. Medicinske og biologiske områder
Præcis temperaturkontroludstyr: såsom PCR-instrumenter (polymerasekædereaktionsinstrumenter) og blodkøleskabe kræver et stabilt lavtemperaturmiljø. Halvlederkølekomponenter kan opnå præcis temperaturkontrol inden for ±0,1 ℃, og der er ingen risiko for kølemiddelkontaminering.
Bærbart medicinsk udstyr: såsom insulinkølebokse, der er små i størrelse og har lang batterilevetid, er velegnede til diabetespatienter at have med, når de skal ud, og sikrer insulinens opbevaringstemperatur.
Temperaturkontrol af laserudstyr: Kernekomponenterne i medicinske laserbehandlingsapparater (såsom lasere) er temperaturfølsomme, og halvlederkølekomponenterne kan afgive varme i realtid for at sikre udstyrets stabile drift.
3. Industri- og rumfartsområder
Industrielt køleudstyr i lille skala: såsom testkamre til ældning af elektroniske komponenter og bade med konstant temperatur til præcisionsinstrumenter, som kræver et lokalt lavtemperaturmiljø, termoelektriske køleenheder, termoelektriske komponenter kan tilpasses med køleeffekt efter behov.
Luftfartsudstyr: Elektroniske enheder i rumfartøjer har svært ved at afgive varme i et vakuummiljø. Termoelektriske kølesystemer, termoelektriske køleenheder, termoelektriske komponenter, som solid-state-enheder, er yderst pålidelige og vibrationsfri og kan bruges til temperaturregulering af elektronisk udstyr i satellitter og rumstationer.
4. Andre nye scenarier
Bærbare enheder: Smarte kølehjelme og køledragter med indbyggede fleksible termoelektriske køleplader kan give lokal afkøling af menneskekroppen i miljøer med høj temperatur og er velegnede til udendørsarbejdere.
Kølekædelogistik: Små kølekædeemballagekasser, drevet af termoelektrisk køling, Peltier-køling og batterier, kan bruges til transport af vacciner og friske produkter over korte afstande uden at være afhængig af store kølelastbiler.
IV. Begrænsninger og udviklingstendenser for termoelektriske køleenheder, Peltier-kølekomponenter
Eksisterende begrænsninger
Køleeffektiviteten er relativt lav: Dens energieffektivitetsforhold (COP) ligger normalt mellem 0,3 og 0,8, hvilket er meget lavere end kompressorkøling (COP kan nå 2 til 5), og er ikke egnet til store kølescenarier med høj kapacitet.
Høje krav til varmeafledning: Hvis varmen ved varmeafledningsenden ikke kan afledes i tide, vil det påvirke køleeffekten alvorligt. Derfor skal den udstyres med et effektivt varmeafledningssystem, hvilket begrænser anvendelsen i visse kompakte scenarier.
Høje omkostninger: Fremstillingsomkostningerne for højtydende termoelektriske materialer (såsom nanodopet Bi₂Te₃) er højere end for traditionelle kølematerialer, hvilket resulterer i en relativt høj pris på avancerede komponenter.
2. Fremtidige udviklingstendenser
Materialegennembrud: Udvikling af billige termoelektriske materialer med høj ZT-værdi med det mål at øge ZT-værdien ved stuetemperatur til over 2,0 og mindske effektivitetsforskellen med kompressorkøling.
Fleksibilitet og integration: Udvikling af fleksible termoelektriske kølemoduler, TEC-moduler, termoelektriske moduler, Peltier-enheder, Peltier-moduler, Peltier-kølere, der kan tilpasses enheder med buede overflader (såsom mobiltelefoner med fleksible skærme og smarte, bærbare enheder); Fremme integrationen af termoelektriske kølekomponenter med chips og sensorer for at opnå "temperaturkontrol på chipniveau".
Energibesparende design: Ved at integrere Internet of Things (IoT)-teknologi opnås intelligent start-stop og strømregulering af kølekomponenterne, hvilket reducerer det samlede energiforbrug.
V. Resumé
Termoelektriske køleenheder, Peltier-køleenheder og termoelektriske kølesystemer, med deres unikke fordele ved at være solid-state, lydløse og præcist temperaturstyrede, indtager en vigtig plads inden for områder som forbrugerelektronik, medicinsk behandling og luftfart. Med den løbende opgradering af termoelektrisk materialeteknologi og strukturelt design vil problemerne med køleeffektivitet og omkostninger gradvist forbedres, og det forventes, at det vil erstatte traditionel køleteknologi i mere specifikke scenarier i fremtiden.
Udsendelsestidspunkt: 12. dec. 2025
