As unidades de refrixeración termoeléctricas, os arrefriadores Peltier (tamén coñecidos como compoñentes de refrixeración termoeléctrica) son dispositivos de refrixeración de estado sólido baseados no efecto Peltier. Teñen as vantaxes de non ter movemento mecánico, non ter refrixerante, ser pequenos, ter unha resposta rápida e un control preciso da temperatura. Nos últimos anos, as súas aplicacións en electrónica de consumo, atención médica, automóbiles e outros campos seguiron expandíndose.
I. Principios básicos do sistema e os seus compoñentes de refrixeración termoeléctrica
O núcleo da refrixeración termoeléctrica é o efecto Peltier: cando dous materiais semicondutores diferentes (tipo P e tipo N) forman un par de termopares e se aplica unha corrente continua, un extremo do par de termopares absorberá calor (extremo de refrixeración) e o outro extremo liberará calor (extremo de disipación da calor). Ao cambiar a dirección da corrente, o extremo de refrixeración e o extremo de disipación da calor pódense intercambiar.
O seu rendemento de refrixeración depende principalmente de tres parámetros principais:
Coeficiente de mérito termoeléctrico (valor ZT): é un indicador clave para avaliar o rendemento dos materiais termoeléctricos. Canto maior sexa o valor ZT, maior será a eficiencia de refrixeración.
A diferenza de temperatura entre os extremos quente e frío: o efecto de disipación da calor no extremo de disipación da calor determina directamente a capacidade de refrixeración no extremo de refrixeración. Se a disipación da calor non é suave, a diferenza de temperatura entre os extremos quente e frío reducirase e a eficiencia de refrixeración diminuirá drasticamente.
Corrente de traballo: Dentro do rango nominal, un aumento da corrente mellora a capacidade de refrixeración. Non obstante, unha vez superado o limiar, a eficiencia diminuirá debido a un aumento da calor en Joules.
II Historia do desenvolvemento e avances tecnolóxicos das unidades de refrixeración termoeléctrica (sistema de refrixeración Peltier)
Nos últimos anos, o desenvolvemento de compoñentes de refrixeración termoeléctrica centrouse en dúas direccións principais: a innovación de materiais e a optimización estrutural.
Investigación e desenvolvemento de materiais termoeléctricos de alto rendemento
O valor ZT dos materiais tradicionais baseados en Bi₂Te₃ aumentou a 1,2-1,5 mediante dopaxe (como Sb, Se) e tratamento a nanoescala.
Novos materiais como o telururo de chumbo (PbTe) e a aliaxe de silicio-xermanio (SiGe) teñen un rendemento excepcionalmente bo en escenarios de temperaturas medias e altas (de 200 a 500 ℃).
Espérase que novos materiais como os materiais termoeléctricos compostos orgánicos-inorgánicos e os illantes topolóxicos reduzan aínda máis os custos e melloren a eficiencia.
Optimización da estrutura de compoñentes
Deseño de miniaturización: preparar termopilas a escala micrométrica mediante a tecnoloxía MEMS (sistemas microelectromecánicos) para cumprir cos requisitos de miniaturización da electrónica de consumo.
Integración modular: Conecte varias unidades termoeléctricas en serie ou paralelo para formar módulos de refrixeración termoeléctrica de alta potencia, refrixeradores Peltier, dispositivos Peltier que cumpran os requisitos de refrixeración termoeléctrica de grao industrial.
Estrutura de disipación de calor integrada: integra as aletas de refrixeración coas aletas de disipación de calor e os tubos de calor para mellorar a eficiencia de disipación de calor e reducir o volume total.
III Escenarios de aplicación típicos de unidades de refrixeración termoeléctrica, compoñentes de refrixeración termoeléctrica
A maior vantaxe das unidades de refrixeración termoeléctricas reside na súa natureza de estado sólido, o funcionamento silencioso e o control preciso da temperatura. Polo tanto, ocupan unha posición irremplazable en escenarios nos que os compresores non son axeitados para a refrixeración.
No campo da electrónica de consumo
Disipación da calor dos teléfonos móbiles: os teléfonos para xogos de gama alta están equipados con módulos de refrixeración microtermoeléctrica, módulos TEC, dispositivos Peltier, módulos Peltier que, en combinación con sistemas de refrixeración líquida, poden baixar rapidamente a temperatura do chip, evitando a redución da frecuencia debido ao sobrequecemento durante os xogos.
Frigoríficos para coches, refrixeradores para coches: os pequenos frigoríficos para coches adoptan principalmente tecnoloxía de refrixeración termoeléctrica, que combina funcións de refrixeración e calefacción (a calefacción pódese conseguir cambiando a dirección da corrente). Son de tamaño pequeno, de baixo consumo de enerxía e compatibles coa fonte de alimentación de 12 V dun coche.
Cunca refrixerante para bebidas/cunca illada: a cunca refrixerante portátil está equipada cunha microplaca de refrixeración incorporada, que pode arrefriar rapidamente as bebidas de 5 a 15 graos Celsius sen depender dun frigorífico.
2. Campos médicos e biolóxicos
Equipos de control preciso da temperatura: como os instrumentos de PCR (instrumentos de reacción en cadea da polimerase) e os refrixeradores de sangue, requiren un ambiente estable a baixa temperatura. Os compoñentes de refrixeración semicondutores poden lograr un control preciso da temperatura dentro de ±0,1 ℃ e non hai risco de contaminación por refrixerante.
Dispositivos médicos portátiles: como as caixas de refrixeración de insulina, que son de pequeno tamaño e teñen unha batería de longa duración, son axeitadas para que os pacientes diabéticos as leven cando saian, garantindo a temperatura de almacenamento da insulina.
Control da temperatura do equipo láser: os compoñentes principais dos dispositivos de tratamento láser médico (como os láseres) son sensibles á temperatura e os compoñentes de refrixeración dos semicondutores poden disipar a calor en tempo real para garantir o funcionamento estable do equipo.
3. Campos industriais e aeroespaciais
Equipos de refrixeración industrial a pequena escala: como cámaras de probas de envellecemento de compoñentes electrónicos e baños de temperatura constante para instrumentos de precisión, que requiren un ambiente local de baixa temperatura, unidades de refrixeración termoeléctricas, os compoñentes termoeléctricos pódense personalizar con potencia de refrixeración segundo sexa necesario.
Equipamento aeroespacial: Os dispositivos electrónicos das naves espaciais teñen dificultades para disipar a calor nun ambiente de baleiro. Os sistemas de refrixeración termoeléctrica, as unidades de refrixeración termoeléctrica e os compoñentes termoeléctricos, como dispositivos de estado sólido, son moi fiables e libres de vibracións, e pódense usar para o control da temperatura de equipos electrónicos en satélites e estacións espaciais.
4. Outros escenarios emerxentes
Dispositivos portátiles: os cascos e traxes de refrixeración intelixentes, con placas de refrixeración termoeléctricas flexibles incorporadas, poden proporcionar refrixeración local para o corpo humano en ambientes de alta temperatura e son axeitados para traballadores ao aire libre.
Loxística da cadea de frío: as pequenas caixas de envasado da cadea de frío, alimentadas por refrixeración termoeléctrica, refrixeración Peltier e baterías, pódense usar para o transporte a curta distancia de vacinas e produtos frescos sen depender de grandes camións refrixerados.
IV. Limitacións e tendencias de desenvolvemento das unidades de refrixeración termoeléctricas, compoñentes de refrixeración Peltier
Limitacións existentes
A eficiencia de refrixeración é relativamente baixa: a súa relación de eficiencia enerxética (COP) adoita estar entre 0,3 e 0,8, o que é moito menor que a da refrixeración por compresor (o COP pode chegar a 2 a 5) e non é axeitada para escenarios de refrixeración a grande escala e de alta capacidade.
Altos requisitos de disipación de calor: se a calor no extremo de disipación de calor non se pode descargar a tempo, afectará seriamente o efecto de refrixeración. Polo tanto, debe estar equipado cun sistema de disipación de calor eficiente, o que limita a aplicación nalgúns escenarios compactos.
Custo elevado: o custo de preparación dos materiais termoeléctricos de alto rendemento (como o Bi₂Te₃ nanodopado) é maior que o dos materiais de refrixeración tradicionais, o que resulta nun prezo relativamente elevado dos compoñentes de alta gama.
2. Tendencias de desenvolvemento futuro
Avance nos materiais: Desenvolver materiais termoeléctricos de baixo custo e alto valor ZT, co obxectivo de aumentar o valor ZT a temperatura ambiente a máis de 2,0 e reducir a brecha de eficiencia coa refrixeración por compresor.
Flexibilidade e integración: Desenvolver módulos de refrixeración termoeléctrica flexibles, módulos TEC, módulos termoeléctricos, dispositivos Peltier, módulos Peltier, refrixeradores Peltier, para adaptarse a dispositivos de superficie curva (como teléfonos móbiles de pantalla flexible e dispositivos intelixentes vestibles); Promover a integración de compoñentes de refrixeración termoeléctrica con chips e sensores para lograr un "control de temperatura a nivel de chip".
Deseño de aforro de enerxía: ao integrar a tecnoloxía da Internet das Cousas (IoT), conséguese un arranque e parada intelixentes e unha regulación de potencia dos compoñentes de refrixeración, o que reduce o consumo total de enerxía.
V. Resumo
As unidades de refrixeración termoeléctricas, as unidades de refrixeración Peltier e os sistemas de refrixeración termoeléctrica, coas súas vantaxes únicas de seren de estado sólido, silenciosas e con control preciso da temperatura, ocupan unha posición importante en campos como a electrónica de consumo, a atención médica e a industria aeroespacial. Coa mellora continua da tecnoloxía de materiais termoeléctricos e o deseño estrutural, as cuestións da súa eficiencia e custo de refrixeración mellorarán gradualmente, e espérase que substitúan a tecnoloxía de refrixeración tradicional en escenarios máis específicos no futuro.
Data de publicación: 12 de decembro de 2025
