Den nye udviklingsretning for den termoelektriske køleindustri

Den nye udviklingsretning for den termoelektriske køleindustri

Termoelektriske kølere, også kendt som termoelektriske kølemoduler, har uerstattelige fordele inden for specifikke områder på grund af deres funktioner såsom ingen bevægelige dele, præcis temperaturkontrol, lille størrelse og høj pålidelighed. I de senere år har der ikke været noget banebrydende gennembrud inden for basismaterialer på dette område, men der er gjort betydelige fremskridt inden for materialeoptimering, systemdesign og applikationsudvidelse.

Følgende er en række vigtige nye udviklingsretninger:

I. Fremskridt inden for kernematerialer og -enheder

Kontinuerlig optimering af termoelektriske materialers ydeevne

Optimering af traditionelle materialer (Bi₂Te₃-baseret): Vismuttellurforbindelser er fortsat de bedst ydende materialer nær stuetemperatur. Det nuværende forskningsfokus ligger på yderligere at forbedre deres termoelektriske værdi gennem processer som nanostørrelse, doping og teksturering. For eksempel kan effektiviteten forbedres uden at påvirke den elektriske ledningsevne væsentligt ved at fremstille nanotråde og supergitterstrukturer for at forbedre fononspredning og reducere termisk ledningsevne.

Udforskning af nye materialer: Selvom de endnu ikke er kommercielt tilgængelige i stor skala, har forskere udforsket nye materialer som SnSe, Mg₃Sb₂ og CsBi₄Te₆, som kan have et højere potentiale end Bi₂Te₃ i specifikke temperaturzoner, hvilket giver mulighed for fremtidige præstationsforbedringer.

Innovation i enhedsstruktur og integrationsproces

Miniaturisering og arrapping: For at opfylde kravene til varmeafledning fra mikroenheder såsom forbrugerelektronik (som f.eks. varmeafledningsklemmer til mobiltelefoner) og optiske kommunikationsenheder bliver fremstillingsprocessen for micro-TEC (mikrotermoelektriske kølemoduler, miniature termoelektriske moduler) stadig mere sofistikeret. Det er muligt at fremstille Peltier-moduler, Peltier-kølere, Peltier-enheder og termoelektriske enheder med en størrelse på kun 1 × 1 mm eller endnu mindre, og de kan integreres fleksibelt i arrays for at opnå præcis lokal køling.

Fleksibelt TEC-modul (peltier-modul): Dette er et nyt, varmt emne. Ved at bruge teknologier som trykt elektronik og fleksible materialer fremstilles ikke-plane TEC-moduler, Peltier-enheder, der kan bøjes og klæbes. Dette har brede perspektiver inden for områder som bærbare elektroniske enheder og lokal biomedicin (såsom bærbare kolde kompresser).

Optimering af flerniveaustrukturer: I scenarier, der kræver en større temperaturforskel, er flertrins TEC-moduler og flertrins termoelektriske kølemoduler fortsat den primære løsning. De nuværende fremskridt afspejles i strukturdesign og bindingsprocesser med det formål at reducere termisk modstand mellem trinnene, forbedre den samlede pålidelighed og maksimere temperaturforskellen.

II. Udvidelse af systemniveauapplikationer og -løsninger

Dette er i øjeblikket det mest dynamiske felt, hvor nye udviklinger kan observeres direkte.

Den samtidige udvikling af hot-end varmeafledningsteknologi

Den vigtigste faktor, der begrænser ydeevnen af ​​TEC-moduler, termoelektriske moduler og Peltier-moduler, er ofte varmeafledningsevnen i den varme ende. Forbedringen af ​​TEC-ydeevnen forstærker gensidigt udviklingen af ​​højeffektiv kølepladeteknologi.

Kombineret med VC-dampkamre/varmerør: Inden for forbrugerelektronik kombineres TEC-moduler, Peltier-enheder, ofte med vakuumdampkamre. TEC-moduler, Peltier-kølere, er ansvarlige for aktivt at skabe lavtemperaturzonen, mens VC effektivt diffunderer varme fra den varme ende af TEC-modulet, Peltier-elementet, til de større varmeafledningsfinner og danner en systemløsning med "aktiv køling + effektiv varmeledning og -fjerning". Dette er en ny trend inden for varmeafledningsmoduler til gamingtelefoner og avancerede grafikkort.

Kombineret med væskekølesystemer: Inden for områder som datacentre og højtydende lasere kombineres TEC-modulet med væskekølesystemer. Ved at udnytte væskernes ekstremt høje specifikke varmekapacitet fjernes varmen i den varme ende af TEC-modulets termoelektriske modul, hvilket opnår en hidtil uset effektiv kølekapacitet.

Intelligent styring og energieffektivitetsstyring

Moderne termoelektriske kølesystemer integrerer i stigende grad højpræcisionstemperatursensorer og PID/PWM-controllere. Ved at justere indgangsstrømmen/spændingen for det termoelektriske modul, TEC-modulet og Peltier-modulet i realtid via algoritmer kan en temperaturstabilitet på ±0,1 ℃ eller endnu højere opnås, samtidig med at overopladning og oscillation undgås, og energi spares.

Pulsdriftstilstand: Til nogle anvendelser kan brug af pulsstrømforsyning i stedet for kontinuerlig strømforsyning opfylde de øjeblikkelige kølebehov, samtidig med at det samlede energiforbrug reduceres betydeligt og varmebelastningen afbalanceres.

III. Nye og hurtigtvoksende anvendelsesområder

Varmeafledning til forbrugerelektronik

Gamingtelefoner og e-sportstilbehør: Dette er et af de største vækstpunkter på markedet for termoelektriske kølemoduler, TEC-moduler og pletier-moduler i de senere år. Den aktive køleklips er udstyret med indbyggede termoelektriske modul (TEC-moduler), som direkte kan undertrykke temperaturen på telefonens SoC til under omgivelsestemperaturen, hvilket sikrer kontinuerlig høj ydeevne under spil.

Bærbare og stationære computere: Nogle avancerede bærbare computere og grafikkort (såsom NVIDIA RTX 30/40-seriens referencekort) er begyndt at forsøge at integrere TEC-moduler, termoelektriske moduler, der hjælper med at køle kernechipsene.

Optisk kommunikation og datacentre

5G/6G optiske moduler: Laserne (DFB/EML) i højhastighedsoptiske moduler er ekstremt temperaturfølsomme og kræver TEC for præcis konstant temperatur (normalt inden for ±0,5 ℃) for at sikre bølgelængdestabilitet og transmissionskvalitet. Efterhånden som datahastighederne udvikler sig mod 800G og 1,6T, stiger efterspørgslen og kravene til TEC-moduler, termoelektriske modeller, Peltier-kølere og Peltier-elementer.

Lokal køling i datacentre: Med fokus på hotspots såsom CPU'er og GPU'er er brugen af ​​TEC-moduler til målrettet forbedret køling en af ​​forskningsretningerne for at forbedre energieffektivitet og computerdensitet i datacentre.

Bilelektronik

Køretøjsmonteret lidar: Lidarens kernelaserudsender kræver en stabil driftstemperatur. TEC er en nøglekomponent, der sikrer dens normale drift i det barske køretøjsmonterede miljø (-40 ℃ til +105 ℃).

Intelligente cockpits og avancerede infotainmentsystemer: Med den stigende computerkraft i bilchips bliver deres krav til varmeafledning gradvist tilpasset forbrugerelektronik. TEC-modulet og TE-køleren forventes at blive anvendt i fremtidige avancerede køretøjsmodeller.

Medicinske og biovidenskabelige

Bærbart medicinsk udstyr såsom PCR-instrumenter og DNA-sekventører kræver hurtig og præcis temperaturcykling, og TEC, Peltier-modulet er den centrale temperaturkontrolkomponent. Tendensen med miniaturisering og bærbarhed af udstyr har drevet udviklingen af ​​mikro- og effektive TEC, Peltier-kølere.

Skønhedsapparater: Nogle avancerede skønhedsapparater bruger Peltier-effekten af ​​TEC, en Peltier-enhed, til at opnå præcise kolde og varme kompressfunktioner.

Luftfart og særlige miljøer

Køling af infrarøde detektorer: Inden for militæret, luftfart og videnskabelige forskningsområder skal infrarøde detektorer køles ned til ekstremt lave temperaturer (f.eks. under -80 ℃) for at reducere støj. Flertrins TEC-modul, flertrins Peltier-modul, flertrins termoelektrisk modul er en miniaturiseret og yderst pålidelig løsning til at nå dette mål.

Temperaturkontrol af satellitnyttelast: Sikrer et stabilt termisk miljø til præcisionsinstrumenter på satellitter.

Iv. Udfordringer og fremtidsudsigter

Den kerneudfordring: Relativt lav energieffektivitet er fortsat den største mangel ved TEC-modulets Peltier-modul (termoelektrisk modul) sammenlignet med traditionel kompressorkøling. Dens termoelektriske køleeffektivitet er langt lavere end Carnot-cyklussens.

Fremtidsudsigter

Materialegennembrud er det ultimative mål: hvis nye materialer med en termoelektrisk overlegenhedsværdi på 3,0 eller højere nær stuetemperatur kan opdages eller syntetiseres (i øjeblikket er kommercielt Bi₂Te₃ cirka 1,0), vil det udløse en revolution i hele industrien.

Systemintegration og intelligens: Fremtidig konkurrence vil skifte mere fra "individuel TEC-ydeevne" til kapaciteten af ​​en samlet systemløsning med "TEC + varmeafledning + kontrol". Kombination med AI til prædiktiv temperaturstyring er også en retning.

Omkostningsreduktion og markedsindtrængning: Med modningen af ​​fremstillingsprocesser og storskalaproduktion forventes TEC's omkostninger at falde yderligere og derved trænge ind på mere mellemstore og endda massemarkeder.

Kort sagt er den globale industri for termoelektriske kølere i øjeblikket i en fase med applikationsdrevet og samarbejdsorienteret innovationsudvikling. Selvom der ikke har været revolutionerende ændringer i de grundlæggende materialer, finder TEC-modulets Peltier-modul, Peltier-køler, sin uerstattelige position i et stigende antal nye og værdifulde områder og demonstrerer stærk vitalitet gennem fremskridt inden for ingeniørteknologi og dyb integration med upstream- og downstream-teknologier.