Termoelektrična rashladna jedinica, Peltier hladnjak (također poznat kao termoelektrične komponente za hlađenje) su uređaji za hlađenje u čvrstom stanju zasnovani na Peltierovom efektu. Imaju prednosti kao što su nedostatak mehaničkog kretanja, nedostatak rashladnog sredstva, mala veličina, brz odziv i precizna kontrola temperature. Posljednjih godina, njihova primjena u potrošačkoj elektronici, medicinskoj njezi, automobilima i drugim oblastima se nastavila širiti.
I. Osnovni principi termoelektričnog sistema hlađenja i komponenti
Suština termoelektričnog hlađenja je Peltierov efekat: kada dva različita poluprovodnička materijala (P-tip i N-tip) formiraju termoelementni par i primijeni se jednosmjerna struja, jedan kraj termoelementnog para će apsorbirati toplinu (kraj za hlađenje), a drugi kraj će oslobađati toplinu (kraj za odvođenje topline). Promjenom smjera struje, kraj za hlađenje i kraj za odvođenje topline mogu se zamijeniti.
Njegove performanse hlađenja uglavnom zavise od tri osnovna parametra:
Termoelektrični koeficijent korisnosti (ZT vrijednost): To je ključni pokazatelj za procjenu performansi termoelektričnih materijala. Što je veća ZT vrijednost, veća je efikasnost hlađenja.
Temperaturna razlika između vrućeg i hladnog kraja: Efekat odvođenja toplote na kraju odvođenja toplote direktno određuje kapacitet hlađenja na kraju hlađenja. Ako odvođenje toplote nije ravnomjerno, temperaturna razlika između vrućeg i hladnog kraja će se smanjiti, a efikasnost hlađenja će naglo pasti.
Radna struja: Unutar nazivnog raspona, povećanje struje povećava kapacitet hlađenja. Međutim, kada se prekorači prag, efikasnost će se smanjiti zbog povećanja Džulove toplote.
II Historija razvoja i tehnološki prodori termoelektričnih rashladnih jedinica (Peltierov sistem hlađenja)
Posljednjih godina, razvoj termoelektričnih komponenti za hlađenje fokusirao se na dva glavna smjera: inovacije materijala i strukturnu optimizaciju.
Istraživanje i razvoj visokoperformansnih termoelektričnih materijala
ZT vrijednost tradicionalnih materijala na bazi Bi₂Te₃ povećana je na 1,2-1,5 dopiranjem (kao što su Sb, Se) i nanoskalnim tretmanom.
Novi materijali poput olovnog telurida (PbTe) i legure silicija i germanija (SiGe) izuzetno dobro se pokazuju u scenarijima srednjih i visokih temperatura (200 do 500 ℃).
Očekuje se da će novi materijali poput organsko-neorganskih kompozitnih termoelektričnih materijala i topoloških izolatora dodatno smanjiti troškove i poboljšati efikasnost.
Optimizacija strukture komponenti
Dizajn minijaturizacije: Pripremiti termoelemente mikronske veličine pomoću MEMS (mikro-elektromehanički sistemi) tehnologije kako bi se ispunili zahtjevi minijaturizacije potrošačke elektronike.
Modularna integracija: Povežite više termoelektričnih jedinica serijski ili paralelno kako biste formirali visokoenergetske termoelektrične module za hlađenje, Peltier hladnjake, Peltier uređaje, ispunjavajući industrijske zahtjeve termoelektričnog hlađenja.
Integrisana struktura za odvođenje toplote: Integrišite rebra za hlađenje sa rebrima za odvođenje toplote i toplotnim cevima kako biste poboljšali efikasnost odvođenja toplote i smanjili ukupnu zapreminu.
III Tipični scenariji primjene termoelektričnih rashladnih jedinica, termoelektričnih rashladnih komponenti
Najveća prednost termoelektričnih rashladnih jedinica leži u njihovoj čvrstoj prirodi, bešumnom radu i preciznoj kontroli temperature. Stoga zauzimaju nezamjenjivo mjesto u scenarijima gdje kompresori nisu prikladni za hlađenje.
U oblasti potrošačke elektronike
Odvođenje toplote mobilnih telefona: Vrhunski gejming telefoni opremljeni su mikro termoelektričnim modulima za hlađenje, TEC modulima, Peltier uređajima, Peltier modulima, koji u kombinaciji sa sistemima tečnog hlađenja mogu brzo sniziti temperaturu čipa, sprečavajući smanjenje frekvencije usled pregrevanja tokom igranja.
Auto frižideri, Auto hladnjaci: Mali automobilski frižideri uglavnom koriste termoelektričnu tehnologiju hlađenja, koja kombinuje funkcije hlađenja i grijanja (grijanje se može postići promjenom smjera struje). Male su veličine, imaju nisku potrošnju energije i kompatibilni su sa 12V napajanjem automobila.
Čaša za hlađenje pića/izolirana čaša: Prenosna čaša za hlađenje opremljena je ugrađenom mikro pločom za hlađenje koja može brzo ohladiti pića na 5 do 15 stepeni Celzijusa bez oslanjanja na frižider.
2. Medicinska i biološka područja
Oprema za preciznu kontrolu temperature: kao što su PCR instrumenti (instrumenti za lančanu reakciju polimeraze) i hladnjaci za krv, zahtijevaju stabilno okruženje na niskoj temperaturi. Poluprovodničke komponente za hlađenje mogu postići preciznu kontrolu temperature unutar ±0,1℃, i ne postoji rizik od kontaminacije rashladnog sredstva.
Prijenosni medicinski uređaji: poput rashladnih kutija za inzulin, koje su male veličine i imaju dug vijek trajanja baterije, pogodne su za dijabetičare da ih nose sa sobom kada izlaze, osiguravajući temperaturu skladištenja inzulina.
Kontrola temperature laserske opreme: Osnovne komponente medicinskih uređaja za laserski tretman (kao što su laseri) osjetljive su na temperaturu, a komponente za hlađenje poluprovodnika mogu raspršivati toplinu u stvarnom vremenu kako bi se osigurao stabilan rad opreme.
3. Industrijska i vazduhoplovna područja
Industrijska rashladna oprema malog obima: kao što su komore za ispitivanje starenja elektronskih komponenti i kupke s konstantnom temperaturom preciznih instrumenata, koje zahtijevaju lokalno okruženje niske temperature, termoelektrične rashladne jedinice, termoelektrične komponente se mogu prilagoditi rashladnom snagom po potrebi.
Svemirska oprema: Elektronski uređaji u svemirskim letjelicama imaju poteškoća s odvođenjem topline u vakuumskom okruženju. Termoelektrični sistemi za hlađenje, termoelektrične jedinice za hlađenje, termoelektrične komponente, kao uređaji u čvrstom stanju, vrlo su pouzdani i bez vibracija, te se mogu koristiti za kontrolu temperature elektroničke opreme u satelitima i svemirskim stanicama.
4. Drugi novonastali scenariji
Nosivi uređaji: Pametne kacige za hlađenje i rashladna odijela, s ugrađenim fleksibilnim termoelektričnim pločama za hlađenje, mogu osigurati lokalno hlađenje ljudskog tijela u okruženjima s visokim temperaturama i pogodni su za radnike na otvorenom.
Logistika hladnog lanca: Male kutije za pakovanje u hladnom lancu, koje se napajaju termoelektričnim hlađenjem, Peltierovim hlađenjem i baterijama, mogu se koristiti za transport vakcina i svježih proizvoda na kratke udaljenosti bez oslanjanja na velike kamione hladnjače.
IV. Ograničenja i trendovi razvoja termoelektričnih rashladnih jedinica, Peltierovih komponenti za hlađenje
Postojeća ograničenja
Efikasnost hlađenja je relativno niska: njegov koeficijent energetske efikasnosti (COP) je obično između 0,3 i 0,8, što je mnogo niže od kompresorskog hlađenja (COP može doseći 2 do 5), i nije pogodno za scenarije hlađenja velikih razmjera i velikog kapaciteta.
Visoki zahtjevi za odvođenje toplote: Ako se toplota na kraju odvođenja toplote ne može na vrijeme odvesti, to će ozbiljno uticati na efekat hlađenja. Stoga mora biti opremljen efikasnim sistemom za odvođenje toplote, što ograničava primjenu u nekim kompaktnim scenarijima.
Visoka cijena: Troškovi pripreme visokoučinkovitih termoelektričnih materijala (kao što je nano-dopirani Bi₂Te₃) su veći od troškova tradicionalnih rashladnih materijala, što rezultira relativno visokom cijenom vrhunskih komponenti.
2. Budući razvojni trendovi
Proboj u oblasti materijala: Razvoj jeftinih termoelektričnih materijala visoke ZT vrijednosti, s ciljem povećanja ZT vrijednosti na sobnoj temperaturi na preko 2,0 i smanjenja jaza u efikasnosti u odnosu na kompresorsko hlađenje.
Fleksibilnost i integracija: Razvoj fleksibilnih termoelektričnih modula za hlađenje, TEC modula, termoelektričnih modula, Peltier uređaja, Peltier modula, Peltier hladnjaka, kako bi se prilagodili uređajima sa zakrivljenim površinama (kao što su mobilni telefoni sa fleksibilnim ekranima i pametni nosivi uređaji); Promocija integracije termoelektričnih komponenti za hlađenje sa čipovima i senzorima kako bi se postigla „kontrola temperature na nivou čipa“.
Dizajn koji štedi energiju: Integracijom tehnologije Interneta stvari (IoT) postiže se inteligentno pokretanje i zaustavljanje i regulacija snage komponenti za hlađenje, smanjujući ukupnu potrošnju energije.
V. Sažetak
Termoelektrične rashladne jedinice, Peltierove rashladne jedinice, termoelektrični rashladni sistemi, sa svojim jedinstvenim prednostima čvrstog stanja, tihog rada i precizne kontrole temperature, zauzimaju važno mjesto u oblastima kao što su potrošačka elektronika, medicinska njega i vazduhoplovstvo. Kontinuiranim unapređenjem tehnologije termoelektričnih materijala i strukturnog dizajna, pitanja njihove efikasnosti hlađenja i troškova će se postepeno poboljšavati, a očekuje se da će u budućnosti zamijeniti tradicionalnu tehnologiju hlađenja u specifičnijim scenarijima.
Vrijeme objave: 12. decembar 2025.
