Новое направление развития отрасли термоэлектрического охлаждения
Термоэлектрические охладители, также известные как термоэлектрические охлаждающие модули, обладают незаменимыми преимуществами в определенных областях благодаря таким характеристикам, как отсутствие движущихся частей, точный контроль температуры, малые размеры и высокая надежность. В последние годы в этой области не произошло прорывных изменений в основных материалах, но достигнут значительный прогресс в оптимизации материалов, проектировании систем и расширении областей применения.
Ниже представлены несколько основных новых направлений развития:
I. Достижения в области основных материалов и устройств
Непрерывная оптимизация характеристик термоэлектрических материалов
Оптимизация традиционных материалов (на основе Bi₂Te₃): Соединения теллура висмута остаются наиболее эффективными материалами вблизи комнатной температуры. В настоящее время основное внимание уделяется дальнейшему повышению их термоэлектрической эффективности за счет таких процессов, как наноразмерность, легирование и текстурирование. Например, путем создания нанопроводов и сверхрешеточных структур для усиления рассеяния фононов и снижения теплопроводности можно повысить эффективность без существенного влияния на электропроводность.
Исследование новых материалов: Хотя они еще не доступны в больших коммерческих масштабах, исследователи изучают новые материалы, такие как SnSe, Mg₃Sb₂ и CsBi₄Te₆, которые могут обладать большим потенциалом, чем Bi₂Te₃, в определенных температурных диапазонах, что открывает возможности для будущих скачков в производительности.
Инновации в структуре устройств и процессе интеграции.
Миниатюризация и компоновка: Для удовлетворения требований к теплоотводу микроустройств, таких как бытовая электроника (например, задние панели для отвода тепла мобильных телефонов) и оптические коммуникационные устройства, процесс производства микротермоэлектрических охлаждающих модулей (микро-ТЭМ) становится все более сложным. Стало возможным производство модулей Пельтье, охладителей Пельтье, термоэлектрических устройств Пельтье размером всего 1×1 мм или даже меньше, которые могут быть гибко интегрированы в массивы для достижения точного локального охлаждения.
Гибкие термоэлектрические модули (модули Пельтье): это новая и актуальная тема. С помощью таких технологий, как печатная электроника и гибкие материалы, производятся неплоские термоэлектрические модули и элементы Пельтье, которые можно сгибать и прикреплять. Это открывает широкие перспективы в таких областях, как носимые электронные устройства и локальная биомедицина (например, портативные холодные компрессы).
Оптимизация многоуровневой структуры: для сценариев, требующих большей разницы температур, многоступенчатые термоэлектрические модули охлаждения остаются основным решением. Современный прогресс отражается в проектировании конструкций и процессах склеивания, направленных на снижение теплового сопротивления между ступенями, повышение общей надежности и максимальной разницы температур.
II. Расширение системных приложений и решений.
В настоящее время это наиболее динамично развивающаяся область, где можно непосредственно наблюдать за новыми разработками.
Совместная эволюция технологий отвода тепла из нагревательного элемента
Ключевым фактором, ограничивающим производительность термоэлектрических модулей, модулей Пельтье, часто является способность к рассеиванию тепла на горячем конце. Улучшение характеристик термоэлектрических модулей взаимно усиливается с развитием высокоэффективных технологий теплоотвода.
В сочетании с вакуумными испарительными камерами/тепловыми трубками: В области потребительской электроники термоэлектрический модуль (ТЭМ) и элемент Пельтье часто комбинируются с вакуумными испарительными камерами. ТЭМ и элемент Пельтье отвечают за активное создание зоны низких температур, в то время как вакуумная камера эффективно рассеивает тепло от горячего конца ТЭМ и элемента Пельтье к более крупным теплоотводящим ребрам, образуя системное решение «активное охлаждение + эффективная теплопроводность и отвод». Это новая тенденция в модулях теплоотвода для игровых телефонов и высокопроизводительных видеокарт.
В сочетании с системами жидкостного охлаждения: В таких областях, как центры обработки данных и мощные лазеры, термоэлектрические модули (TEC) используются в сочетании с системами жидкостного охлаждения. Благодаря использованию чрезвычайно высокой удельной теплоемкости жидкостей, тепло на горячем конце термоэлектрического модуля TEC отводится, обеспечивая беспрецедентно эффективную охлаждающую способность.
Интеллектуальное управление и энергосбережение
В современных термоэлектрических системах охлаждения все чаще используются высокоточные датчики температуры и ПИД/ШИМ-контроллеры. Регулируя входной ток/напряжение термоэлектрического модуля, модуля TEC или модуля Пельтье в реальном времени с помощью алгоритмов, можно достичь стабильности температуры ±0,1℃ или даже выше, избегая при этом перезарядки и колебаний, а также экономя энергию.
Импульсный режим работы: В некоторых областях применения использование импульсного источника питания вместо непрерывного позволяет удовлетворить мгновенные потребности в охлаждении, значительно снизив при этом общее энергопотребление и сбалансировав тепловую нагрузку.
III. Новые и быстрорастущие области применения
Теплоотвод для бытовой электроники
Игровые телефоны и аксессуары для киберспорта: это один из самых перспективных сегментов рынка термоэлектрических охлаждающих модулей (TEC-модулей) в последние годы. Задняя панель с активным охлаждением оснащена встроенными термоэлектрическими модулями (TEC-модулями), которые напрямую снижают температуру SoC телефона ниже температуры окружающей среды, обеспечивая непрерывную высокую производительность во время игр.
Ноутбуки и настольные компьютеры: В некоторых высокопроизводительных ноутбуках и видеокартах (например, в эталонных картах NVIDIA RTX 30/40) начали внедрять термоэлектрические модули (TEC) для охлаждения основных чипов.
Оптические центры связи и центры обработки данных
Оптические модули 5G/6G: Лазеры (DFB/EML) в высокоскоростных оптических модулях чрезвычайно чувствительны к температуре и требуют термоэлектрического охладителя (ТЭО) для обеспечения точной постоянной температуры (обычно в пределах ±0,5℃), что гарантирует стабильность длины волны и качество передачи. По мере развития скоростей передачи данных в направлении 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с, спрос и требования к термоэлектрическим модулям (ТЭО), термоэлектрическим охладителям и элементам Пельтье, постоянно растут.
Локальное охлаждение в центрах обработки данных: использование термоэлектрических модулей для целенаправленного охлаждения таких зон, как процессоры и видеокарты, является одним из направлений исследований для повышения энергоэффективности и плотности вычислительных мощностей в центрах обработки данных.
Автомобильная электроника
Транспортное средство с лидаром: основной лазерный излучатель лидара требует стабильной рабочей температуры. Термоэлектрический охладитель (TEC) является ключевым компонентом, обеспечивающим его нормальную работу в суровых условиях эксплуатации на транспортном средстве (от -40℃ до +105℃).
Интеллектуальные приборные панели и высокотехнологичные информационно-развлекательные системы: с ростом вычислительной мощности автомобильных чипов их требования к теплоотводу постепенно приближаются к требованиям потребительской электроники. Ожидается, что термоэлектрические модули и термоэлектрические охладители будут применяться в будущих моделях автомобилей высокого класса.
Медицинские и биологические науки
Портативные медицинские приборы, такие как ПЦР-аппараты и секвенаторы ДНК, требуют быстрого и точного температурного цикла, а термоэлектрический охладитель (ТЭО) и модуль Пельтье являются ключевыми компонентами для контроля температуры. Тенденция к миниатюризации и портативности оборудования стимулировала разработку микро- и эффективных термоэлектрических охладителей (ТЭО и модулей Пельтье).
Косметические приборы: Некоторые высококачественные косметические приборы используют эффект Пельтье (термоэлектрический элемент) для достижения точного эффекта холодного и горячего компресса.
Аэрокосмическая отрасль и специальные среды
Охлаждение инфракрасных детекторов: В военной, аэрокосмической и научной областях инфракрасные детекторы необходимо охлаждать до чрезвычайно низких температур (например, ниже -80℃) для снижения уровня шума. Многоступенчатые термоэлектрические модули, многоступенчатые модули Пельтье, многоступенчатые термоэлектрические модули представляют собой миниатюрное и высоконадежное решение для достижения этой цели.
Контроль температуры полезной нагрузки спутника: обеспечение стабильного теплового режима для прецизионных приборов на спутниках.
IV. Возникшие проблемы и перспективы на будущее
Основная проблема: Относительно низкая энергоэффективность остается самым большим недостатком термоэлектрических модулей (модулей Пельтье) по сравнению с традиционным компрессорным охлаждением. Их эффективность термоэлектрического охлаждения значительно ниже, чем у цикла Карно.
Перспективы на будущее
Главная цель – прорыв в области материаловедения: если удастся открыть или синтезировать новые материалы с термоэлектрическим превосходством 3,0 или выше при комнатной температуре (в настоящее время у коммерческого Bi₂Te₃ этот показатель составляет приблизительно 1,0), это вызовет революцию во всей отрасли.
Системная интеграция и интеллектуальные функции: В будущем конкуренция будет смещаться от «индивидуальной производительности термоэлектрических охладителей» к возможностям комплексного системного решения, включающего «термоэлектрические охладители + теплоотвод + управление». Также перспективным направлением является сочетание с искусственным интеллектом для прогнозирующего регулирования температуры.
Снижение затрат и проникновение на рынок: по мере совершенствования производственных процессов и крупномасштабного производства ожидается дальнейшее снижение затрат TEC, что позволит компании проникнуть на рынки среднего и даже массового сегмента.
В целом, мировая индустрия термоэлектрических охладителей в настоящее время находится на этапе развития инноваций, ориентированных на практическое применение и сотрудничество. Хотя революционных изменений в основных материалах не произошло, благодаря развитию инженерных технологий и глубокой интеграции с технологиями на всех этапах производства, термоэлектрические модули (модули Пельтье) и охладители Пельтье занимают незаменимое место во все большем числе новых и высокодоходных областей, демонстрируя высокую жизнеспособность.
Дата публикации: 30 октября 2025 г.
