A nova dirección de desenvolvemento da industria da refrixeración termoeléctrica

A nova dirección de desenvolvemento da industria da refrixeración termoeléctrica

Os refrixeradores termoeléctricos, tamén coñecidos como módulos de refrixeración termoeléctrica, teñen vantaxes irremplazables en campos específicos debido ás súas características, como a ausencia de pezas móbiles, o control preciso da temperatura, o tamaño pequeno e a alta fiabilidade. Nos últimos anos, non houbo ningún avance disruptivo nos materiais básicos neste campo, pero si se fixeron progresos significativos na optimización de materiais, no deseño de sistemas e na expansión de aplicacións.

As seguintes son varias novas direccións de desenvolvemento importantes:

I. Avances nos materiais e dispositivos básicos

Optimización continua do rendemento dos materiais termoeléctricos

Optimización de materiais tradicionais (baseados en Bi₂Te₃): os compostos de teluro e bismuto seguen sendo os materiais de mellor rendemento preto da temperatura ambiente. O foco da investigación actual reside en mellorar aínda máis o seu valor termoeléctrico mediante procesos como a nanodispersión, o dopado e a texturización. Por exemplo, mediante a fabricación de nanofíos e estruturas de superredes para mellorar a dispersión de fonóns e reducir a condutividade térmica, pódese mellorar a eficiencia sen afectar significativamente a condutividade eléctrica.

Exploración de novos materiais: Aínda que aínda non están dispoñibles comercialmente a grande escala, os investigadores estiveron a explorar novos materiais como SnSe, Mg₃Sb₂ e CsBi₄Te₆, que poden ter un maior potencial que o Bi₂Te₃ en zonas de temperatura específicas, ofrecendo a posibilidade de futuros saltos de rendemento.

Innovación na estrutura do dispositivo e no proceso de integración

Miniaturización e agrupamento: para cumprir cos requisitos de disipación de calor de microdispositivos como a electrónica de consumo (como os clips traseiros de disipación de calor dos teléfonos móbiles) e os dispositivos de comunicación óptica, o proceso de fabricación de micro-TEC (micromódulos de refrixeración termoeléctrica, módulos termoeléctricos miniatura) é cada vez máis sofisticado. É posible fabricar módulos Peltier, refrixeradores Peltier, dispositivos Peltier e dispositivos termoeléctricos cun tamaño de só 1 × 1 mm ou incluso menor, e pódense integrar de forma flexible en matrices para lograr unha refrixeración local precisa.

Módulo TEC flexible (módulo Peltier): este é un tema emerxente de actualidade. Mediante o uso de tecnoloxías como a electrónica impresa e os materiais flexibles, fabrícanse módulos TEC non planos, dispositivos Peltier que se poden dobrar e adherir. Isto ten amplas perspectivas en campos como os dispositivos electrónicos portátiles e a biomedicina local (como as compresas frías portátiles).

Optimización de estruturas multinivel: para escenarios que requiren unha maior diferenza de temperatura, os módulos TEC multietapa e os módulos de refrixeración termoeléctrica multietapa seguen sendo a principal solución. O progreso actual reflíctese no deseño estrutural e nos procesos de unión, co obxectivo de reducir a resistencia térmica entre etapas, mellorar a fiabilidade xeral e a diferenza máxima de temperatura.

Ii. Expansión de aplicacións e solucións a nivel de sistema

Este é actualmente o campo máis dinámico onde se poden observar directamente os novos desenvolvementos.

A coevolución da tecnoloxía de disipación de calor do extremo quente

O factor clave que restrinxe o rendemento do módulo TEC, módulo termoeléctrico e módulo Peltier adoita ser a capacidade de disipación de calor no extremo quente. A mellora do rendemento TEC refórzase mutuamente co desenvolvemento da tecnoloxía de disipadores de calor de alta eficiencia.

Combinado con cámaras de vapor/tubos de calor VC: No campo da electrónica de consumo, o módulo TEC, dispositivo Peltier, adoita combinarse con cámaras de vapor de baleiro. O módulo TEC, o refrixerador Peltier, é responsable de crear activamente a zona de baixa temperatura, mentres que o VC difunde eficientemente a calor desde o extremo quente do módulo TEC, elemento Peltier, ata as aletas de disipación de calor máis grandes, formando unha solución de sistema de "refrixeración activa + condución e eliminación eficientes da calor". Esta é unha nova tendencia nos módulos de disipación de calor para teléfonos de xogos e tarxetas gráficas de gama alta.

Combinado con sistemas de refrixeración líquida: en campos como os centros de datos e os láseres de alta potencia, o módulo TEC combínase con sistemas de refrixeración líquida. Ao aproveitar a capacidade calorífica específica extremadamente alta dos líquidos, elimínase a calor no extremo quente do módulo termoeléctrico do módulo TEC, conseguindo unha capacidade de refrixeración sen precedentes.

Control intelixente e xestión da eficiencia enerxética

Os sistemas de refrixeración termoeléctrica modernos integran cada vez máis sensores de temperatura de alta precisión e controladores PID/PWM. Ao axustar a corrente/tensión de entrada do módulo termoeléctrico, o módulo TEC e o módulo Peltier en tempo real mediante algoritmos, pódese conseguir unha estabilidade de temperatura de ±0,1 ℃ ou incluso superior, evitando ao mesmo tempo a sobrecarga e a oscilación e aforrando enerxía.

Modo de funcionamento por pulsos: para algunhas aplicacións, o uso da fonte de alimentación por pulsos en lugar da fonte de alimentación continua pode cumprir os requisitos de refrixeración instantánea, á vez que reduce significativamente o consumo total de enerxía e equilibra a carga térmica.

Iii. Campos de aplicación emerxentes e de alto crecemento

Disipación de calor para electrónica de consumo

Teléfonos para xogos e accesorios para deportes electrónicos: este é un dos maiores puntos de crecemento no mercado de módulos de refrixeración termoeléctrica, módulos TEC e módulos Pletier nos últimos anos. O clip traseiro de refrixeración activa está equipado con módulos termoeléctricos integrados (módulos TEC), que poden suprimir directamente a temperatura do SoC do teléfono por debaixo da temperatura ambiente, garantindo un rendemento continuo de alto rendemento durante os xogos.

Portátiles e ordenadores de sobremesa: algúns portátiles e tarxetas gráficas de gama alta (como as tarxetas de referencia da serie NVIDIA RTX 30/40) comezaron a intentar integrar módulos TEC, módulos termoeléctricos para axudar a arrefriar os chips principais.

Centros de datos e comunicacións ópticas

Módulos ópticos 5G/6G: Os láseres (DFB/EML) nos módulos ópticos de alta velocidade son extremadamente sensibles á temperatura e requiren TEC para unha temperatura constante precisa (xeralmente dentro de ±0,5 ℃) para garantir a estabilidade da lonxitude de onda e a calidade da transmisión. A medida que as velocidades de datos evolucionan cara a 800G e 1,6T, a demanda e os requisitos de módulos TEC, módulos termoeléctricos, arrefriadores Peltier e elementos Peltier están a aumentar.

Refrixeración local en centros de datos: Centrándose en puntos de acceso como CPU e GPU, o uso do módulo TEC para unha refrixeración mellorada específica é unha das liñas de investigación para mellorar a eficiencia enerxética e a densidade de computación nos centros de datos.

Electrónica automotriz

Lidar montado en vehículos: o emisor láser central do lidar require unha temperatura de funcionamento estable. O TEC é un compoñente clave que garante o seu funcionamento normal no ambiente hostil montado en vehículos (de -40 ℃ a +105 ℃).

Cabinas intelixentes e sistemas de información e entretemento de alta gama: Coa crecente potencia informática dos chips dos vehículos, as súas demandas de disipación de calor están a aliñarse gradualmente coas da electrónica de consumo. Espérase que o módulo TEC, o refrigerador TE, se aplique nos futuros modelos de vehículos de alta gama.

Ciencias médicas e da vida

Os dispositivos médicos portátiles, como os instrumentos de PCR e os secuenciadores de ADN, requiren ciclos de temperatura rápidos e precisos, e o módulo Peltier TEC é o compoñente central de control de temperatura. A tendencia á miniaturización e á portabilidade dos equipos impulsou o desenvolvemento de microarrefrixeradores Peltier TEC eficientes.

Dispositivos de beleza: algúns dispositivos de beleza de gama alta utilizan o efecto Peltier de TEC, o dispositivo Peltier para lograr funcións precisas de compresión en frío e en quente.

Aeroespacial e entornos especiais

Refrixeración do detector infravermello: Nos campos da investigación militar, aeroespacial e científica, os detectores infravermellos deben arrefriarse a temperaturas extremadamente baixas (como por debaixo de -80 ℃) para reducir o ruído. O módulo TEC multietapa, o módulo Peltier multietapa e o módulo termoeléctrico multietapa son unha solución miniaturizada e altamente fiable para acadar este obxectivo.

Control da temperatura da carga útil dos satélites: Proporcionar un ambiente térmico estable para instrumentos de precisión nos satélites.

Iv. Desafíos afrontados e perspectivas de futuro

O principal desafío: a eficiencia enerxética relativamente baixa segue a ser a maior deficiencia do módulo Peltier (módulo termoeléctrico) do módulo TEC en comparación coa refrixeración por compresor tradicional. A súa eficiencia de refrixeración termoeléctrica é moito menor que a do ciclo de Carnot.

Perspectivas de futuro

O obxectivo final é o avance dos materiais: se se poden descubrir ou sintetizar novos materiais cun valor de superioridade termoeléctrica de 3,0 ou superior preto da temperatura ambiente (actualmente, o Bi₂Te₃ comercial é de aproximadamente 1,0), isto desencadeará unha revolución en toda a industria.

Integración e intelixencia de sistemas: a competencia futura pasará máis do "rendemento TEC individual" á capacidade dunha solución de sistema global de "TEC + disipación de calor + control". A combinación coa IA para o control preditivo da temperatura tamén é unha dirección.

Redución de custos e penetración no mercado: Coa maduración dos procesos de fabricación e a produción a grande escala, espérase que os custos de TEC sigan diminuíndo, penetrando así en mercados de gama media e mesmo masiva.

En resumo, a industria mundial de refrixeradores termoeléctricos atópase actualmente nunha fase de desenvolvemento de innovación colaborativa e impulsada polas aplicacións. Aínda que non houbo cambios revolucionarios nos materiais básicos, grazas ao avance da tecnoloxía de enxeñaría e á profunda integración coas tecnoloxías augas arriba e augas abaixo, o módulo Peltier TEC, o refrixerador Peltier, está a atopar a súa posición irremplazable nun número crecente de campos emerxentes e de alto valor, o que demostra unha forte vitalidade.