В історії розвитку холодильної техніки,напівпровідникові кулери, зі своїми унікальними перевагами, тихо змінюють уявлення людей про «охолодження». Він не має реву традиційних компресорів і не вимагає складної системи циркуляції холодоагенту. Просто використовуючи переваги характеристик напівпровідникових матеріалів, він може досягти чарівного ефекту «одночасного охолодження та обігріву», і з’являється у все більшій кількості сценаріїв, стаючи нішевим, але дуже потенційним рішенням для охолодження.
I. Таємниця «безшумного охолодження»: принцип роботи напівпровідникових охолоджувачів
Ядро напівпровідникового охолоджувача походить від «ефекту Пельтьє», відкритого французьким фізиком Жаном Пельтьє в 1834 році. Коли два різні напівпровідникові матеріали (зазвичай N-типу та P-типу) утворюють пару термопар і прикладається постійний струм, один кінець пари термопар поглинає тепло, а інший кінець виділяє тепло, створюючи різницю температур. Цей метод безпосереднього досягнення «теплопередачі» за допомогою електричної енергії, який не залежить від зміни фази холодоагенту та не має механічних рухомих частин, якраз і є ключовою відмінністю від традиційного компресорного холодильного обладнання.
Конструктивно кажучи, напівпровідникові охолоджувачі зазвичай складаються з кількох наборів напівпровідникових пар, керамічних підкладок і електродів. Керамічні основи мають відмінну теплопровідність і теплоізоляційні властивості. Вони можуть не тільки швидко передавати тепло, але і запобігати короткі замикання в ланцюгах. Кілька пар термопар можуть бути розташовані послідовно або паралельно. Шляхом регулювання кількості пар і величини струму, що проходить, можна точно контролювати потужність охолодження та різницю температур. Коли напрямок струму змінюється, сторони охолодження та сторони нагрівання також перемикаються відповідно. Ця функція дозволяє охолоджувати та нагрівати, досягаючи «подвійного використання в одній машині».
Порівняно з традиційним компресорним охолодженням принцип напівпровідникових холодильників здається простим, але він приносить революційні переваги: відсутність шуму, створюваного роботою компресорів, а шум під час роботи може бути нижче 30 децибел, наближаючись до навколишнього звуку. Компактний за розміром найменший напівпровідниковий модуль охолодження має лише кілька кубічних сантиметрів, що дозволяє легко вбудовувати його в невеликі пристрої. Він легкий, зазвичай лише від 1/5 до 1/3 традиційних холодильних компонентів, що робить його дуже придатним для портативних сценаріїв. І він не використовує такі холодоагенти, як фреон, що є екологічно чистим і відповідає тенденції екологічного захисту навколишнього середовища.
II. Проникнення на основі сценарію: «Стадія застосування» напівпровідникових охолоджувачів
Завдяки характеристикам «маленькі, тихі та екологічні» напівпровідникові охолоджувачі відіграють значну роль у сценаріях, коли традиційні технології охолодження важко охопити. Сфера їх застосування постійно розширюється, від побутової електроніки до промислового виробництва і навіть до медицини та охорони здоров'я.
У сфері побутової електроніки напівпровідникові кулери стали потужними інструментами для «точного контролю температури». Сучасні ігрові телефони та високопродуктивні планшети, як правило, нагріваються під час виконання великих програм, що впливає на їх продуктивність і термін служби. Вбудований напівпровідниковий модуль охолодження може швидко передавати тепло від основних компонентів назовні корпусу, досягаючи «локального охолодження» та підтримуючи безперервну ефективну роботу пристрою. Крім того, міні-холодильники та чашки для охолодження автомобіля також є типовим застосуванням напівпровідникових охолоджувачів. Ці вироби мають компактні розміри, не потребують складних зовнішніх трубопроводів і можуть швидко охолоджуватися, якщо їх підключити до мережі, задовольняючи потреби людей в охолодженні в невеликих приміщеннях, таких як офіси та автомобілі. Крім того, вони працюють майже безшумно і не заважатимуть ні працювати, ні відпочивати.
У галузях промисловості та наукових досліджень напівпровідникові кулери з їхньою перевагою «сильної керованості» стали «стабільними помічниками» в експериментах і виробництві. У виробництві точних інструментів деякі оптичні компоненти та датчики надзвичайно чутливі до змін температури. Навіть незначна різниця температур може вплинути на точність вимірювання. Напівпровідникові охолоджувачі можуть контролювати коливання температури в межах ±0,1 ℃ за допомогою замкнутої системи контролю температури, забезпечуючи стабільне робоче середовище для обладнання. У науково-дослідницьких експериментах, таких як короткочасне збереження біологічних зразків і постійний контроль температури хімічних реакцій, напівпровідникові охолоджувачі не займають багато місця та можуть швидко досягти цільової температури, що значно підвищує ефективність експериментів.
У сфері медицини та охорони здоров’я «безпечні та екологічно чисті» характеристики напівпровідникових охолоджувачів зробили їх дуже популярними. У портативних медичних пристроях, таких як коробки-холодильники для інсуліну та коробки для транспортування вакцин, напівпровідникові охолоджувачі не потребують холодоагентів, що дозволяє уникнути потенційних ризиків витоку традиційного холодильного обладнання. У той же час вони можуть підтримувати низькі температури через ізоляційні шари після відключення електроенергії, забезпечуючи безпеку препаратів під час транспортування та зберігання. Крім того, у деяких сценаріях локального охолодження, таких як фізичні охолоджуючі пластирі та післяопераційні локальні холодові компреси, напівпровідникові охолоджувачі можуть точно контролювати зону охолодження та температуру, уникаючи будь-якого впливу на навколишні нормальні тканини та підвищуючи комфорт і безпеку лікування.
III. Можливості та виклики співіснують: Шлях розвитку напівпровідникових охолоджувачів
Незважаючи на те, що напівпровідникові кулери мають значні переваги, зважаючи на їх технічні характеристики, все ж є деякі вузькі місця, які наразі потребують термінового усунення. По-перше, коефіцієнт енергоефективності відносно низький - порівняно з традиційним компресорним холодильним обладнанням, коли напівпровідникові холодильники споживають таку ж кількість електроенергії, вони передають менше тепла. Особливо в сценаріях із великою різницею температур (наприклад, різниця температур між охолодженням і навколишнім середовищем перевищує 50 ℃), розрив у продуктивності енергоефективності більш очевидний. Це тимчасово ускладнює застосування до сценаріїв, які вимагають великомасштабного охолодження, наприклад побутових кондиціонерів і великих холодильних камер. По-друге, є проблема розсіювання тепла - поки напівпровідниковий кулер охолоджується, велика кількість тепла генерується на нагрівальному кінці. Якщо це тепло не вдасться вчасно розсіяти, це не тільки знизить ефективність охолодження, але й може пошкодити модуль через надмірну температуру. Тому необхідна ефективна система розсіювання тепла (така як вентилятори охолодження та радіатори), що певною мірою збільшує обсяг і вартість продукту.
Проте з розвитком технології матеріалів і процесів охолодження розробка напівпровідникових охолоджувачів відкриває нові можливості. Що стосується матеріалів, дослідники розробляють нові напівпровідникові матеріали (такі як композити на основі телуриду вісмуту, оксидні напівпровідники тощо), щоб постійно підвищувати ефективність термоелектричного перетворення матеріалів, що, як очікується, значно підвищить коефіцієнт енергоефективності напівпровідникових охолоджувачів у майбутньому. З точки зору майстерності, розвиток технологій мініатюризації та інтеграції дозволив більш тісно інтегрувати напівпровідникові модулі охолодження з чіпами, датчиками та іншими компонентами, ще більше зменшивши їхні розміри та розширивши їх застосування в мікропристроях. Крім того, новою тенденцією стали «інтегровані інновації» з іншими холодильними технологіями — наприклад, поєднання напівпровідникового охолодження з технологією накопичення енергії з фазовою зміною, використання матеріалів із фазовою зміною для поглинання тепла з боку нагрівання та зменшення навантаження на систему розсіювання тепла; Або його можна поєднати з традиційним компресорним охолодженням для досягнення «точного додаткового охолодження» в локальних областях, тим самим підвищуючи ефективність загальної системи охолодження.
Ів. Висновок: малі модулі створюють великий ринок: «диференціація» холодильної технології
Можливо, напівпровідникові охолоджувачі не є комплексними холодильними рішеннями, але завдяки своїм унікальним технічним характеристикам вони відкрили нові горизонти в нішевих областях, які традиційним технологіям охолодження важко охопити. Від «безшумного охолодження» споживчої електроніки до «безпечного контролю температури» медичного обладнання, а потім до «точної постійної температури» промислових досліджень, він задовольнив різноманітні потреби людей щодо охолодження завдяки своїм «маленьким, але красивим» перевагам.
З безперервним технологічним проривом такі питання, як енергоефективність і тепловіддача напівпровідникових кулерів будуть поступово вирішуватися, а сценарії їх застосування також змістяться від «нішевих» до «масових». У майбутньому ми можемо побачити більше продуктів, оснащених технологією напівпровідникового охолодження – розумні переносні пристрої, які можуть швидко й безшумно охолоджуватися, невеликі побутові холодильники, які не потребують холодоагентів, і розумні домашні системи, які можуть точно контролювати температуру... Ця «холодна та гаряча магія» в невеликому просторі спрямовує холодильну технологію до більш ефективного, екологічно чистого та розумного майбутнього завдяки силі «диференціації».
