Термоэлектрические охлаждающие устройства, охладители Пельтье (также известные как термоэлектрические охлаждающие компоненты) — это твердотельные охлаждающие устройства, основанные на эффекте Пельтье. Они обладают такими преимуществами, как отсутствие механических движений, отсутствие хладагента, малые размеры, быстрое реагирование и точный контроль температуры. В последние годы их применение в бытовой электронике, медицине, автомобилестроении и других областях продолжает расширяться.
I. Основные принципы работы термоэлектрической системы охлаждения и ее компонентов.
В основе термоэлектрического охлаждения лежит эффект Пельтье: когда два разных полупроводниковых материала (P-типа и N-типа) образуют пару термопар и подается постоянный ток, один конец пары термопар поглощает тепло (охлаждающий конец), а другой конец выделяет тепло (конец теплоотвода). Изменяя направление тока, можно поменять местами охлаждающий и теплоотводящий концы.
Эффективность охлаждения в основном зависит от трех ключевых параметров:
Термоэлектрический коэффициент полезного действия (значение ZT): это ключевой показатель для оценки характеристик термоэлектрических материалов. Чем выше значение ZT, тем выше эффективность охлаждения.
Разница температур между горячим и холодным концами: эффективность теплоотвода на конце, отвечающем за теплоотвод, напрямую определяет холодопроизводительность на холодном конце. Если теплоотвод неравномерный, разница температур между горячим и холодным концами уменьшится, и эффективность охлаждения резко снизится.
Рабочий ток: В пределах номинального диапазона увеличение тока повышает эффективность охлаждения. Однако после превышения порогового значения эффективность снизится из-за увеличения тепловыделения Джоуля.
II. История развития и технологические прорывы термоэлектрических охлаждающих устройств (систем Пельтье).
В последние годы разработка термоэлектрических охлаждающих компонентов сосредоточена на двух основных направлениях: инновации в материалах и оптимизация конструкции.
Исследования и разработки высокоэффективных термоэлектрических материалов.
Значение ZT традиционных материалов на основе Bi₂Te₃ было увеличено до 1,2–1,5 за счет легирования (например, Sb, Se) и наноразмерной обработки.
Новые материалы, такие как теллурид свинца (PbTe) и сплав кремния и германия (SiGe), демонстрируют исключительно хорошие характеристики в условиях средних и высоких температур (от 200 до 500℃).
Ожидается, что новые материалы, такие как органические-неорганические композитные термоэлектрические материалы и топологические изоляторы, позволят еще больше снизить затраты и повысить эффективность.
Оптимизация структуры компонентов
Миниатюризация конструкции: разработка термоэлементов микронного масштаба с использованием технологии MEMS (микроэлектромеханические системы) для удовлетворения требований миниатюризации потребительской электроники.
Модульная интеграция: соединяйте несколько термоэлектрических блоков последовательно или параллельно для формирования мощных термоэлектрических охлаждающих модулей, элементов Пельтье и устройств Пельтье, отвечающих требованиям промышленного термоэлектрического охлаждения.
Интегрированная система теплоотвода: интеграция охлаждающих ребер с теплоотводящими ребрами и тепловыми трубками повышает эффективность теплоотвода и уменьшает общий объем.
III. Типичные сценарии применения термоэлектрических охлаждающих устройств, термоэлектрических охлаждающих компонентов.
Главное преимущество термоэлектрических охлаждающих устройств заключается в их твердотельной конструкции, бесшумной работе и точном контроле температуры. Поэтому они занимают незаменимое место в ситуациях, когда компрессоры не подходят для охлаждения.
В сфере бытовой электроники
Теплоотвод мобильных телефонов: Высококлассные игровые телефоны оснащены микротермоэлектрическими модулями охлаждения, модулями TEC, элементами Пельтье, которые в сочетании с системами жидкостного охлаждения позволяют быстро снизить температуру чипа, предотвращая снижение частоты из-за перегрева во время игр.
Автомобильные холодильники, автомобильные охладители: В небольших автомобильных холодильниках в основном используется термоэлектрическая технология охлаждения, которая сочетает в себе функции охлаждения и нагрева (нагрев достигается изменением направления тока). Они имеют небольшие размеры, низкое энергопотребление и совместимы с 12-вольтовой сетью питания автомобиля.
Термокружка для охлаждения напитков: портативная термокружка оснащена встроенной микроохлаждающей пластиной, которая позволяет быстро охладить напитки до 5-15 градусов Цельсия без использования холодильника.
2. Медицинская и биологическая области
Для точного контроля температуры оборудования, такого как приборы для ПЦР (полимеразной цепной реакции) и холодильники для крови, необходима стабильная низкотемпературная среда. Полупроводниковые холодильные компоненты позволяют обеспечить точный контроль температуры в пределах ±0,1℃, при этом отсутствует риск загрязнения хладагентом.
Портативные медицинские устройства, такие как термоконтейнеры для инсулина, которые имеют небольшие размеры и длительный срок службы батареи, подходят для диабетиков, позволяя им брать их с собой, когда они выходят из дома, обеспечивая поддержание оптимальной температуры хранения инсулина.
Контроль температуры лазерного оборудования: основные компоненты медицинских лазерных устройств (таких как лазеры) чувствительны к температуре, и полупроводниковые охлаждающие компоненты могут рассеивать тепло в режиме реального времени, обеспечивая стабильную работу оборудования.
3. Промышленная и аэрокосмическая отрасли
Промышленное малогабаритное холодильное оборудование: например, камеры для испытаний на старение электронных компонентов и термостаты для прецизионных приборов, требующие локальной низкотемпературной среды, термоэлектрические охлаждающие установки; термоэлектрические компоненты могут быть оснащены холодильными установками необходимой мощности.
Аэрокосмическое оборудование: Электронные устройства в космических аппаратах испытывают трудности с рассеиванием тепла в вакуумной среде. Термоэлектрические системы охлаждения, термоэлектрические охлаждающие блоки, термоэлектрические компоненты, как твердотельные устройства, отличаются высокой надежностью и отсутствием вибраций и могут использоваться для регулирования температуры электронного оборудования в спутниках и космических станциях.
4. Другие возникающие сценарии
Носимые устройства: «Умные» охлаждающие шлемы и костюмы со встроенными гибкими термоэлектрическими охлаждающими пластинами могут обеспечивать локальное охлаждение тела человека в условиях высоких температур и подходят для работников, занятых на открытом воздухе.
Логистика холодовой цепи: Небольшие упаковочные коробки для холодовой цепи, работающие на основе термоэлектрического охлаждения, охлаждения Пельтье и батарей, могут использоваться для транспортировки вакцин и свежих продуктов на короткие расстояния без необходимости использования больших рефрижераторных грузовиков.
IV. Ограничения и тенденции развития термоэлектрических охлаждающих устройств и элементов Пельтье.
Существующие ограничения
Эффективность охлаждения относительно низкая: коэффициент энергоэффективности (КЭ) обычно составляет от 0,3 до 0,8, что значительно ниже, чем у компрессорного охлаждения (КЭ может достигать от 2 до 5), и не подходит для крупномасштабных и высокопроизводительных сценариев охлаждения.
Высокие требования к теплоотводу: если тепло на выходе не может быть своевременно отведено, это серьезно повлияет на эффективность охлаждения. Поэтому устройство должно быть оснащено эффективной системой теплоотвода, что ограничивает его применение в некоторых компактных условиях.
Высокая стоимость: затраты на изготовление высокоэффективных термоэлектрических материалов (таких как нанолегированный Bi₂Te₃) выше, чем у традиционных материалов для холодильных установок, что приводит к относительно высокой цене высококачественных компонентов.
2. Будущие тенденции развития
Материальный прорыв: разработка недорогих термоэлектрических материалов с высоким значением ZT с целью повышения значения ZT при комнатной температуре до более чем 2,0 и сокращения разрыва в эффективности с компрессорными холодильными установками.
Гибкость и интеграция: Разработка гибких термоэлектрических охлаждающих модулей, термоэлектрических модулей, элементов Пельтье, модулей Пельтье, охладителей Пельтье для адаптации к устройствам с изогнутыми поверхностями (таким как мобильные телефоны с гибкими экранами и интеллектуальные носимые устройства); Содействие интеграции термоэлектрических охлаждающих компонентов с микросхемами и датчиками для достижения «контроля температуры на уровне микросхемы».
Энергосберегающая конструкция: благодаря интеграции технологии Интернета вещей (IoT) достигается интеллектуальный запуск-остановка и регулирование мощности охлаждающих компонентов, что снижает общее энергопотребление.
V. Резюме
Термоэлектрические охлаждающие устройства, элементы Пельтье, термоэлектрические системы охлаждения, благодаря своим уникальным преимуществам — твердотельному характеру, бесшумной работе и точному контролю температуры, — занимают важное место в таких областях, как бытовая электроника, медицина и аэрокосмическая промышленность. С непрерывным совершенствованием технологий термоэлектрических материалов и конструкций, вопросы эффективности охлаждения и стоимости будут постепенно улучшаться, и ожидается, что в будущем они заменят традиционные технологии охлаждения в более специфических сценариях.
Дата публикации: 12 декабря 2025 г.
