Термоэлектрлік салқындату өнеркәсібінің жаңа даму бағыты

Термоэлектрлік салқындату өнеркәсібінің жаңа даму бағыты

Термоэлектрлік салқындатқыштар, сондай-ақ термоэлектрлік салқындату модульдері деп те аталады, қозғалмалы бөлшектердің болмауы, дәл температураны бақылау, шағын өлшем және жоғары сенімділік сияқты ерекшеліктеріне байланысты белгілі бір салаларда алмастырылмайтын артықшылықтарға ие. Соңғы жылдары бұл саладағы негізгі материалдарда ешқандай өзгеріс болған жоқ, бірақ материалдарды оңтайландыруда, жүйені жобалауда және қолдануды кеңейтуде айтарлықтай жетістіктерге қол жеткізілді.

Жаңа дамудың бірнеше негізгі бағыттары бар:

I. Негізгі материалдар мен құрылғылардағы жетістіктер

Термоэлектрлік материалдардың өнімділігін үздіксіз оңтайландыру

Дәстүрлі материалдарды оңтайландыру (Bi₂Te₃ негізіндегі): Висмут теллур қосылыстары бөлме температурасына жақын жерде ең жақсы өнімді материалдар болып қала береді. Қазіргі зерттеудің басты мақсаты наноөлшеу, легирлеу және текстуралау сияқты процестер арқылы оның термоэлектрлік құндылығын одан әрі арттыруға бағытталған. Мысалы, фонон шашырауын жақсарту және жылу өткізгіштігін төмендету үшін наносымдарды және аса торлы құрылымдарды өндіру арқылы электр өткізгіштігіне айтарлықтай әсер етпей тиімділікті арттыруға болады.

Жаңа материалдарды зерттеу: Зерттеушілер әлі кең көлемде коммерциялық тұрғыдан қолжетімді болмаса да, белгілі бір температуралық аймақтарда Bi₂Te₃-қа қарағанда жоғары әлеуетке ие болуы мүмкін SnSe, Mg₃Sb₂ және CsBi₄Te₆ сияқты жаңа материалдарды зерттеп жатыр, бұл болашақта өнімділікте секірулер жасауға мүмкіндік береді.

Құрылғы құрылымы мен интеграция процесіндегі инновация

Миниатюризация және жинау: Тұтынушылық электроника (мысалы, ұялы телефонның жылу тарату артқы қысқыштары) және оптикалық байланыс құрылғылары сияқты микроқұрылғылардың жылу тарату талаптарын қанағаттандыру үшін micro-TEC (микро термоэлектрлік салқындату модульдері, миниатюралық термоэлектрлік модульдер) өндіріс процесі барған сайын жетілдірілуде. Пелтиер модульдерін, пелтиер салқындатқыштарын, пелтиер құрылғыларын, өлшемі 1 × 1 мм немесе одан да кіші термоэлектрлік құрылғыларды өндіруге болады және оларды дәл жергілікті салқындатуға қол жеткізу үшін массивтерге икемді түрде біріктіруге болады.

Икемді TEC модулі (пелтиер модулі): Бұл жаңадан пайда болып жатқан өзекті тақырып. Баспа электроникасы және икемді материалдар сияқты технологияларды пайдалану арқылы жазық емес TEC модульдері, майыстырып, жабыстыруға болатын пелтиер құрылғылары жасалады. Бұл киілетін электронды құрылғылар және жергілікті биомедицина (мысалы, портативті суық компресстер) сияқты салаларда кең мүмкіндіктерге ие.

Көп деңгейлі құрылымды оңтайландыру: Температура айырмашылығын қажет ететін сценарийлер үшін көп сатылы TEC модулі, көп сатылы термоэлектрлік салқындату модульдері негізгі шешім болып қала береді. Қазіргі прогресс құрылымдық жобалау және байланыстыру процестерінде көрініс табады, олар сатылар арасындағы жылу кедергісін азайтуға, жалпы сенімділікті және максималды температура айырмашылығын арттыруға бағытталған.

II. Жүйелік деңгейдегі қолданбалар мен шешімдерді кеңейту

Қазіргі уақытта бұл жаңа әзірлемелерді тікелей бақылауға болатын ең динамикалық сала.

Ыстық ұшты жылу тарату технологиясының бірлескен эволюциясы

TEC модулінің, термоэлектрлік модульдің, пельтье модулінің өнімділігін шектейтін негізгі фактор көбінесе ыстық ұшындағы жылуды тарату сыйымдылығы болып табылады. TEC өнімділігінің жақсаруы жоғары тиімді жылу қабылдағыш технологиясының дамуымен өзара байланысты.

VC бу камераларымен/жылу құбырларымен біріктірілген: Тұтынушылық электроника саласында TEC модулі, пельтье құрылғысы көбінесе вакуумдық камера бу камераларымен біріктіріледі. TEC модулі, пельтье салқындатқышы төмен температура аймағын белсенді түрде жасауға жауапты, ал VC жылуды TEC модулінің ыстық ұшынан, пельтье элементінен үлкен жылу тарату қанаттарына тиімді түрде таратады, «белсенді салқындату + тиімді жылу өткізу және жою» жүйелік шешімін қалыптастырады. Бұл ойын телефондары мен жоғары деңгейлі графикалық карталарға арналған жылу тарату модульдеріндегі жаңа үрдіс.

Сұйық салқындату жүйелерімен біріктірілген: Деректер орталықтары және жоғары қуатты лазерлер сияқты салаларда TEC модулі сұйық салқындату жүйелерімен біріктірілген. Сұйықтықтардың өте жоғары меншікті жылу сыйымдылығын пайдалану арқылы TEC модулінің термоэлектрлік модулінің ыстық ұшындағы жылу алынып тасталады, бұл бұрын-соңды болмаған тиімді салқындату сыйымдылығына қол жеткізуге мүмкіндік береді.

Ақылды басқару және энергия тиімділігін басқару

Қазіргі заманғы термоэлектрлік салқындату жүйелері жоғары дәлдіктегі температура сенсорлары мен PID/PWM контроллерлерін біріктіруде. Термоэлектрлік модульдің, TEC модулінің, Пельтиер модулінің кіріс тогын/кернеуін алгоритмдер арқылы нақты уақыт режимінде реттеу арқылы ±0,1℃ немесе одан да жоғары температура тұрақтылығына қол жеткізуге болады, сонымен қатар шамадан тыс зарядтау мен тербелісті болдырмайды және энергияны үнемдейді.

Импульстік жұмыс режимі: Кейбір қолданбалар үшін үздіксіз қуат көзінің орнына импульстік қуат көзін пайдалану лезде салқындату талаптарын қанағаттандыра алады, сонымен қатар жалпы энергия тұтынуды айтарлықтай азайтып, жылу жүктемесін теңестіреді.

III. Дамып келе жатқан және қарқынды дамып келе жатқан қолдану салалары

Тұтынушылық электроника үшін жылу тарату

Ойын телефондары және киберспорт аксессуарлары: Бұл соңғы жылдары термоэлектрлік салқындату модульдері, TEC модульдері, pletier модульдері нарығындағы ең үлкен өсу нүктелерінің бірі. Белсенді салқындату артқы қысқышы кіріктірілген термоэлектрлік модульдермен (TEC модульдері) жабдықталған, ол телефонның SoC температурасын қоршаған орта температурасынан төмен тікелей басады, бұл ойын кезінде үздіксіз жоғары өнімділікті қамтамасыз етеді.

Ноутбуктер мен үстел үсті компьютерлері: Кейбір жоғары деңгейлі ноутбуктер мен графикалық карталар (мысалы, NVIDIA RTX 30/40 сериялы анықтамалық карталар) негізгі чиптерді салқындатуға көмектесу үшін TEC модульдерін, термоэлектрлік модульдерді біріктіруді бастады.

Оптикалық байланыс және деректер орталықтары

5G/6G оптикалық модульдері: Жоғары жылдамдықты оптикалық модульдердегі лазерлер (DFB/EML) температураға өте сезімтал және толқын ұзындығының тұрақтылығы мен берілу сапасын қамтамасыз ету үшін дәл тұрақты температура үшін TEC (әдетте ±0,5℃ шегінде) қажет. Деректер жылдамдығы 800G және 1,6T-ге қарай өзгерген сайын, TEC модульдерінің термоэлектрлік модульдеріне, Peltier салқындатқыштарына, Peltier элементтеріне деген сұраныс пен талаптар артып келеді.

Деректер орталықтарындағы жергілікті салқындату: CPUS және GPU сияқты ыстық нүктелерге назар аудара отырып, мақсатты түрде жақсартылған салқындату үшін TEC модулін пайдалану деректер орталықтарындағы энергия тиімділігі мен есептеу тығыздығын жақсартудың зерттеу бағыттарының бірі болып табылады.

Автомобиль электроникасы

Көлікке орнатылған лидар: Лидардың негізгі лазерлік эмиттері тұрақты жұмыс температурасын қажет етеді. TEC - көлікке орнатылған қатал ортада (-40℃ - +105℃) оның қалыпты жұмысын қамтамасыз ететін негізгі компонент.

Ақылды кабиналар және жоғары деңгейлі ақпараттық-ойын-сауық жүйелері: Көлік ішіндегі чиптердің есептеу қуатының артуымен олардың жылу тарату талаптары біртіндеп тұтынушылық электрониканың талаптарымен сәйкес келеді. TEC модулі, TE салқындатқышы болашақ жоғары деңгейлі көлік модельдерінде қолданылады деп күтілуде.

Медициналық және өмір туралы ғылымдар

ПТР құралдары және ДНҚ секвенсорлары сияқты портативті медициналық құрылғылар температураны жылдам және дәл циклдеуді қажет етеді, ал TEC, Peltier модулі температураны бақылаудың негізгі компоненті болып табылады. Жабдықты миниатюралау және портативті ету үрдісі микро және тиімді TEC, Peltier салқындатқыштарының дамуына түрткі болды.

Сұлулық құрылғылары: Кейбір жоғары деңгейлі сұлулық құрылғылары дәл суық және ыстық компресс функцияларына қол жеткізу үшін TEC, Peltier құрылғысының Peltier әсерін пайдаланады.

Аэроғарыш және арнайы орталар

Инфрақызыл детекторды салқындату: Әскери, аэроғарыштық және ғылыми зерттеу салаларында шуды азайту үшін инфрақызыл детекторларды өте төмен температураға дейін (мысалы, -80℃-тан төмен) салқындату қажет. Көп сатылы TEC модулі, көп сатылы пельтье модулі, көп сатылы термоэлектрлік модуль - бұл мақсатқа жету үшін миниатюралық және өте сенімді шешім.

Спутниктік пайдалы жүктеме температурасын басқару: Спутниктердегі дәлдік құралдары үшін тұрақты жылу ортасын қамтамасыз ету.

IV. Алда тұрған қиындықтар және болашақтағы мүмкіндіктер

Негізгі қиындық: дәстүрлі компрессорлық салқындатумен салыстырғанда TEC модулі Пельтье модулінің (термоэлектрлік модуль) салыстырмалы түрде төмен энергия тиімділігі ең үлкен кемшілігі болып қала береді. Оның термоэлектрлік салқындату тиімділігі Карно цикліне қарағанда әлдеқайда төмен.

Болашаққа көзқарас

Материалдық серпіліс - түпкі мақсат: егер бөлме температурасына жақын термоэлектрлік артықшылық мәні 3,0 немесе одан жоғары жаңа материалдарды ашуға немесе синтездеуге болатын болса (қазіргі уақытта коммерциялық Bi₂Te₃ шамамен 1,0 құрайды), бұл бүкіл салада төңкеріс тудырады.

Жүйелік интеграция және интеллект: Болашақ бәсекелестік «жеке TEC өнімділігінен» «TEC+ жылу тарату + басқару» жалпы жүйелік шешімінің мүмкіндігіне көбірек ауысады. Болжамды температураны бақылау үшін жасанды интеллектпен біріктіру де бағыт болып табылады.

Шығындарды азайту және нарыққа ену: Өндіріс процестерінің және ірі көлемді өндірістің жетілуімен TEC шығындары одан әрі төмендейді, осылайша орта және тіпті бұқаралық нарықтарға енеді деп күтілуде.

Қорытындылай келе, әлемдік термоэлектрлік салқындатқыш өнеркәсібі қазіргі уақытта қолданбалы және бірлескен инновациялық даму кезеңінде. Негізгі материалдарда революциялық өзгерістер болмаса да, инженерлік технологияның дамуы және жоғары және төменгі ағынды технологиялармен терең интеграциялану арқылы Peltier TEC модулі, Peltier салқындатқышы көптеген жаңа және жоғары құнды салаларда өзінің орнын баса алмай келеді, бұл күшті өміршеңдікті көрсетеді.