В истории развития холодильной техникиполупроводниковые охладители, с их уникальными преимуществами, незаметно меняют представление людей об «охлаждении». Он не шумит традиционными компрессорами и не требует сложной системы циркуляции хладагента. Просто воспользовавшись характеристиками полупроводниковых материалов, он может достичь волшебного эффекта «охлаждения и нагрева одновременно», и он появляется во все большем количестве сценариев, становясь нишевым, но весьма потенциальным решением для охлаждения.
I. Тайна «бесшумного охлаждения»: принцип работы полупроводниковых охладителей
Сердцевина полупроводникового охладителя возникла из-за «эффекта Пельтье», открытого французским физиком Жаном Пельтье в 1834 году. Когда два разных полупроводниковых материала (обычно N-типа и P-типа) образуют пару термопар и подается постоянный ток, один конец пары термопар поглощает тепло, а другой конец выделяет тепло, создавая разницу температур. Этот метод непосредственной «передачи тепла» посредством электрической энергии, который не основан на фазовом изменении хладагента и не имеет механических движущихся частей, является ключевым отличием от традиционного компрессорного охлаждения.
С конструктивной точки зрения полупроводниковые охладители обычно состоят из нескольких наборов полупроводниковых пар, керамических подложек и электродов. Керамические подложки обладают превосходной теплопроводностью и изоляционными свойствами. Они способны не только быстро передавать тепло, но и предотвращать короткие замыкания в цепях. Несколько пар термопар могут быть расположены последовательно или параллельно. Регулируя количество пар и величину проходящего тока, можно точно контролировать охлаждающую способность и разницу температур. При изменении направления тока охлаждающая и нагревательная стороны также переключаются соответствующим образом. Эта функция позволяет ему как охлаждать, так и нагревать, обеспечивая «двойное использование в одной машине».
По сравнению с традиционным компрессорным охлаждением принцип работы полупроводниковых холодильников кажется простым, но он дает революционные преимущества: при работе компрессоров отсутствует шум, а уровень шума во время работы может составлять менее 30 децибел, приближаясь к окружающему звуку. Компактный по размеру, самый маленький полупроводниковый модуль охлаждения имеет размер всего несколько кубических сантиметров, что позволяет легко встраивать его в небольшие устройства. Он легкий, обычно составляет от 1/5 до 1/3 веса традиционных компонентов холодильного оборудования, что делает его очень подходящим для портативных систем. И в нем не используются такие хладагенты, как фреон, который является экологически чистым и соответствует тенденции защиты окружающей среды.
II. Проникновение на основе сценариев: «стадия применения» полупроводниковых охладителей
Благодаря характеристикам «маленьких, тихих и экологичных», полупроводниковые охладители играют важную роль в сценариях, где традиционные технологии охлаждения трудно охватить. Область их применения постоянно расширяется: от бытовой электроники до промышленного производства и даже медицины и здравоохранения.
В области бытовой электроники полупроводниковые охладители стали мощным инструментом «точного контроля температуры». Современные игровые телефоны и высокопроизводительные планшеты имеют тенденцию нагреваться при запуске больших программ, что влияет на их производительность и срок службы. Встроенный полупроводниковый модуль охлаждения может быстро передавать тепло от основных компонентов наружу корпуса, обеспечивая «локальное охлаждение» и обеспечивая постоянную эффективную работу устройства. Кроме того, типичными применениями полупроводниковых охладителей также являются мини-холодильники и автомобильные охлаждающие стаканы. Эти продукты компактны по размеру, не требуют сложных внешних трубопроводов и могут быстро охлаждаться при подключении к сети, удовлетворяя потребности людей в охлаждении в небольших помещениях, таких как офисы и автомобили. При этом они работают практически бесшумно и не мешают работе или отдыху.
В области промышленных и научных исследований полупроводниковые охладители, благодаря своему преимуществу «сильной управляемости», стали «стабильными помощниками» в экспериментах и производстве. При производстве прецизионных инструментов некоторые оптические компоненты и датчики чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры. Даже небольшая разница температур может повлиять на точность измерений. Полупроводниковые охладители могут контролировать колебания температуры в пределах ±0,1℃ с помощью системы контроля температуры с замкнутым контуром, обеспечивая стабильную рабочую среду для оборудования. В научно-исследовательских экспериментах, таких как кратковременное сохранение биологических образцов и постоянный контроль температуры химических реакций, полупроводниковые охладители не занимают много места и могут быстро достигать целевой температуры, значительно повышая эффективность экспериментов.
В сфере медицины и здравоохранения «безопасные и экологически чистые» характеристики полупроводниковых охладителей сделали их очень популярными. В портативных медицинских устройствах, таких как холодильные боксы для инсулина и коробки для раздачи вакцин, полупроводниковые охладители не требуют хладагентов, что позволяет избежать потенциальных рисков утечек, присущих традиционному холодильному оборудованию. При этом они могут поддерживать низкие температуры через изоляционные слои после отключения электроэнергии, обеспечивая сохранность препаратов при транспортировке и хранении. Кроме того, в некоторых сценариях местного лечения охлаждением, таких как физические охлаждающие пластыри и послеоперационные местные холодные компрессионные устройства, полупроводниковые охладители могут точно контролировать зону охлаждения и температуру, избегая любого воздействия на окружающие нормальные ткани и повышая комфорт и безопасность лечения.
III. Возможности и вызовы сосуществуют: путь развития полупроводниковых охладителей
Хотя полупроводниковые охладители обладают значительными преимуществами, благодаря своим техническим характеристикам, все же существуют некоторые узкие места, которые необходимо срочно устранять в настоящее время. Во-первых, коэффициент энергоэффективности относительно низок — по сравнению с традиционным компрессорным охлаждением, когда полупроводниковые холодильники потребляют такое же количество электрической энергии, они передают меньше тепла. Разрыв в показателях энергоэффективности становится более очевидным, особенно в сценариях с большими перепадами температур (например, разница температур между холодильной частью и окружающей средой, превышающая 50 ℃). Это временно затрудняет применение к сценариям, требующим крупномасштабного охлаждения, например бытовых кондиционеров и крупных холодильных хранилищ. Во-вторых, существует проблема рассеивания тепла — пока полупроводниковый охладитель охлаждается, на нагревательном конце выделяется большое количество тепла. Если это тепло не удастся рассеять вовремя, это не только снизит эффективность охлаждения, но также может повредить модуль из-за чрезмерной температуры. Следовательно, необходима эффективная система отвода тепла (например, охлаждающие вентиляторы и радиаторы), что в некоторой степени увеличивает объем и стоимость продукта.
Однако с развитием технологии материалов и процессов охлаждения разработка полупроводниковых охладителей открывает новые возможности. Что касается материалов, исследователи разрабатывают новые полупроводниковые материалы (такие как композиты на основе теллурида висмута, оксидные полупроводники и т. д.) для постоянного повышения эффективности термоэлектрического преобразования материалов, что, как ожидается, значительно увеличит коэффициент энергоэффективности полупроводниковых охладителей в будущем. С точки зрения мастерства, развитие технологий миниатюризации и интеграции позволило более тесно интегрировать полупроводниковые охлаждающие модули с чипами, датчиками и другими компонентами, что еще больше уменьшило их размер и расширило их применение в микроустройствах. Кроме того, «интегрированные инновации» с другими технологиями охлаждения также стали новой тенденцией - например, объединение полупроводникового охлаждения с технологией хранения энергии с фазовым переходом, использование материалов с фазовым переходом для поглощения тепла от нагревательного конца и снижение нагрузки на систему рассеивания тепла; Или его можно комбинировать с традиционным компрессорным охлаждением для достижения «точного дополнительного охлаждения» на отдельных участках, тем самым повышая эффективность всей холодильной системы.
Ив. Вывод: Маленькие модули стимулируют большой рынок: сила «дифференциации» холодильных технологий
Полупроводниковые охладители, возможно, не являются универсальными холодильными решениями, но благодаря своим уникальным техническим характеристикам они открывают новые горизонты в нишевых областях, которые традиционным холодильным технологиям трудно достичь. От «бесшумного охлаждения» бытовой электроники до «безопасного контроля температуры» медицинского оборудования, а затем и до «точной постоянной температуры» в промышленных исследованиях, он удовлетворил разнообразные потребности людей в охлаждении своими «маленькими, но прекрасными» преимуществами.
По мере непрерывных технологических прорывов такие вопросы, как энергоэффективность и теплоотвод полупроводниковых охладителей, будут постепенно решаться, а сценарии их применения также сместятся из «нишевых» в «массовые». В будущем мы можем увидеть больше продуктов, оснащенных полупроводниковой технологией охлаждения — умные носимые устройства, которые могут охлаждаться быстро и бесшумно, небольшие бытовые холодильники, не требующие хладагентов, и системы «умного дома», которые могут точно контролировать температуру... Эта «магия холода и тепла» в небольшом пространстве ведет холодильную технологию к более эффективному, экологически чистому и интеллектуальному будущему с силой «дифференциации».
