Термоелектрическите охладители, охладителите на Пелтие (известни също като термоелектрични охладителни компоненти) са твърдотелни охладителни устройства, базирани на ефекта на Пелтие. Те имат предимствата на липсата на механично движение, липсата на хладилен агент, малкия размер, бързата реакция и прецизния контрол на температурата. През последните години приложенията им в потребителската електроника, медицината, автомобилите и други области продължават да се разширяват.
I. Основни принципи на термоелектрическа охладителна система и компоненти
В основата на термоелектрическото охлаждане е ефектът на Пелтие: когато два различни полупроводникови материала (P-тип и N-тип) образуват термодвойка и се приложи постоянен ток, единият край на термодвойката ще абсорбира топлина (охлаждащ край), а другият край ще отдели топлина (топлоразсейващ край). Чрез промяна на посоката на тока, охлаждащият край и краят за топлоразсейване могат да бъдат разменени.
Охлаждащата му ефективност зависи главно от три основни параметъра:
Термоелектричен коефициент на добротност (ZT стойност): Това е ключов показател за оценка на характеристиките на термоелектрическите материали. Колкото по-висока е ZT стойността, толкова по-висока е ефективността на охлаждане.
Температурна разлика между горещия и студения край: Ефектът на разсейване на топлината в края на разсейване на топлината определя директно охлаждащия капацитет в охлаждащия край. Ако разсейването на топлината не е плавно, температурната разлика между горещия и студения край ще се стесни и ефективността на охлаждане ще спадне рязко.
Работен ток: В рамките на номиналния диапазон, увеличаването на тока подобрява охлаждащата способност. След като обаче прагът бъде превишен, ефективността ще намалее поради увеличаване на джаулевото затопляне.
II История на развитието и технологични пробиви на термоелектрическите охладителни агрегати (охладителна система на Пелтие)
През последните години развитието на термоелектрическите охладителни компоненти се фокусира върху две основни направления: материални иновации и структурна оптимизация.
Изследване и разработване на високоефективни термоелектрически материали
ZT стойността на традиционните материали на базата на Bi₂Te₃ е увеличена до 1,2-1,5 чрез легиране (като Sb, Se) и наномащабна обработка.
Нови материали като оловен телурид (PbTe) и силициево-германиева сплав (SiGe) се представят изключително добре при средни и високи температури (от 200 до 500℃).
Очаква се нови материали, като органично-неорганични композитни термоелектрически материали и топологични изолатори, допълнително да намалят разходите и да подобрят ефективността.
Оптимизация на структурата на компонентите
Миниатюризационен дизайн: Подгответе термопалети с микронен мащаб чрез MEMS (микроелектромеханични системи) технология, за да отговорите на изискванията за миниатюризация на потребителската електроника.
Модулна интеграция: Свържете множество термоелектрически модули последователно или паралелно, за да образувате високомощни термоелектрически охлаждащи модули, охладители на Пелтие, устройства на Пелтие, отговарящи на изискванията за термоелектрическо охлаждане от индустриален клас.
Интегрирана структура за разсейване на топлината: Интегрирайте охлаждащите ребра с ребрата за разсейване на топлината и топлинните тръби, за да подобрите ефективността на разсейване на топлината и да намалите общия обем.
III Типични сценарии на приложение на термоелектрически охладителни агрегати, термоелектрически охладителни компоненти
Най-голямото предимство на термоелектрическите охладителни агрегати се крие в тяхната твърдотелна природа, безшумна работа и прецизен контрол на температурата. Следователно, те заемат незаменимо място в ситуации, когато компресорите не са подходящи за охлаждане.
В областта на потребителската електроника
Разсейване на топлината от мобилни телефони: Висококачествените геймърски телефони са оборудвани с микро термоелектрически охлаждащи модули, TEC модули, устройства на Пелтие, модули на Пелтие, които в комбинация със системи за течно охлаждане могат бързо да понижат температурата на чипа, предотвратявайки намаляване на честотата поради прегряване по време на игра.
Автомобилни хладилници, Автомобилни охладители: Малките автомобилни хладилници използват предимно термоелектрическа технология за охлаждане, която комбинира функции за охлаждане и отопление (отоплението може да се постигне чрез превключване на посоката на тока). Те са малки по размер, с ниска консумация на енергия и са съвместими с 12V захранване на автомобил.
Чаша за охлаждане на напитки/изолирана чаша: Преносимата охлаждаща чаша е оборудвана с вградена микроохладителна плоча, която може бързо да охлади напитките до 5 до 15 градуса по Целзий, без да разчита на хладилник.
2. Медицински и биологични области
Прецизно оборудване за контрол на температурата: като PCR инструменти (инструменти за полимеразна верижна реакция) и хладилници за кръв, изискват стабилна нискотемпературна среда. Полупроводниковите хладилни компоненти могат да постигнат прецизен контрол на температурата в рамките на ±0,1℃ и няма риск от замърсяване с хладилен агент.
Преносими медицински устройства: като хладилни кутии за инсулин, които са малки по размер и имат дълъг живот на батерията, са подходящи за пациенти с диабет, които да носят, когато излизат, осигурявайки температурата на съхранение на инсулина.
Контрол на температурата на лазерното оборудване: Основните компоненти на медицинските лазерни устройства за лечение (като лазери) са чувствителни към температурата, а полупроводниковите охлаждащи компоненти могат да разсейват топлината в реално време, за да осигурят стабилна работа на оборудването.
3. Индустриални и аерокосмически области
Малкомащабно промишлено хладилно оборудване: като например камери за изпитване на стареене на електронни компоненти и вани с постоянна температура за прецизни инструменти, които изискват локална нискотемпературна среда, термоелектрически охладителни агрегати, термоелектрически компоненти могат да бъдат персонализирани с хладилна мощност според нуждите.
Аерокосмическо оборудване: Електронните устройства в космическите кораби срещат затруднения при разсейването на топлината във вакуумна среда. Термоелектрическите охладителни системи, термоелектрическите охладителни агрегати, термоелектрическите компоненти, като твърдотелни устройства, са високонадеждни и без вибрации и могат да се използват за контрол на температурата на електронно оборудване в спътници и космически станции.
4. Други нововъзникващи сценарии
Носими устройства: Интелигентните охлаждащи каски и охлаждащи костюми с вградени гъвкави термоелектрически охлаждащи плочи могат да осигурят локално охлаждане на човешкото тяло във високотемпературна среда и са подходящи за работници на открито.
Логистика на студената верига: Малки кутии за опаковане в студената верига, захранвани от термоелектрическо охлаждане, охлаждане с Пелтие и батерии, могат да се използват за транспортиране на ваксини и пресни продукти на къси разстояния, без да се разчита на големи хладилни камиони.
IV. Ограничения и тенденции в развитието на термоелектрическите охладителни агрегати и компонентите за охлаждане с Пелтие
Съществуващи ограничения
Ефективността на охлаждане е сравнително ниска: Коефициентът на енергийна ефективност (COP) обикновено е между 0,3 и 0,8, което е много по-ниско от това на компресорното охлаждане (COP може да достигне от 2 до 5) и не е подходящо за сценарии за мащабно охлаждане с голям капацитет.
Високи изисквания за разсейване на топлината: Ако топлината от края на разсейването на топлината не може да се отведе навреме, това сериозно ще повлияе на охлаждащия ефект. Следователно, устройството трябва да бъде оборудвано с ефективна система за разсейване на топлината, което ограничава приложението му в някои компактни сценарии.
Висока цена: Цената на производството на високоефективни термоелектрически материали (като нано-легиран Bi₂Te₃) е по-висока от тази на традиционните хладилни материали, което води до относително висока цена на висококачествените компоненти.
2. Тенденции за бъдещо развитие
Пробив в материалите: Разработване на нискобюджетни термоелектрически материали с висока ZT стойност, с цел увеличаване на ZT стойността при стайна температура до над 2.0 и намаляване на разликата в ефективността при компресорното охлаждане.
Гъвкавост и интеграция: Разработване на гъвкави термоелектрически охлаждащи модули, TEC модули, термоелектрически модули, устройства на Пелтие, модули на Пелтие, охладители на Пелтие, за да се адаптират към устройства с извита повърхност (като мобилни телефони с гъвкав екран и интелигентни носими устройства); Насърчаване на интеграцията на термоелектрически охлаждащи компоненти с чипове и сензори за постигане на „контрол на температурата на ниво чип“.
Енергоспестяващ дизайн: Чрез интегриране на технологията „Интернет на нещата“ (IoT) се постига интелигентно стартиране/спиране и регулиране на мощността на охлаждащите компоненти, което намалява общото потребление на енергия.
V. Резюме
Термоелектричните охладителни агрегати, охладителните агрегати с Пелтие и термоелектричните охладителни системи, с техните уникални предимства да бъдат твърдотелни, безшумни и с прецизен температурен контрол, заемат важно място в области като потребителската електроника, медицинските грижи и аерокосмическата индустрия. С непрекъснатото усъвършенстване на технологията на термоелектрическите материали и структурния дизайн, въпросите, свързани с тяхната ефективност на охлаждане и цена, постепенно ще се подобрят и се очаква в бъдеще те да заменят традиционните охладителни технологии в по-специфични сценарии.
Време на публикуване: 12 декември 2025 г.
