Ջերմաէլեկտրական սառեցման ագրեգատների, ջերմաէլեկտրական սառեցման համակարգերի մշակում և կիրառում

Ջերմաէլեկտրական սառեցման բլոկը, պելտիեի սառեցուցիչը (հայտնի է նաև որպես ջերմաէլեկտրական սառեցման բաղադրիչներ), Պելտիեի էֆեկտի վրա հիմնված պինդ վիճակում գտնվող սառեցման սարքեր են: Դրանք ունեն մեխանիկական շարժման բացակայություն, սառնագենտի բացակայություն, փոքր չափսեր, արագ արձագանք և ջերմաստիճանի ճշգրիտ կառավարում: Վերջին տարիներին դրանց կիրառությունը սպառողական էլեկտրոնիկայի, բժշկական օգնության, ավտոմեքենաների և այլ ոլորտներում շարունակել է ընդլայնվել:

I. Ջերմաէլեկտրական սառեցման համակարգի և բաղադրիչների հիմնական սկզբունքները

Ջերմաէլեկտրական սառեցման միջուկը Պելտիեի էֆեկտն է. երբ երկու տարբեր կիսահաղորդչային նյութեր (P-տիպ և N-տիպ) կազմում են ջերմազույգերի զույգ և կիրառվում է հաստատուն հոսանք, ջերմազույգերի զույգի մեկ ծայրը կկլանի ջերմությունը (սառեցման ծայր), իսկ մյուս ծայրը՝ կազատի ջերմություն (ջերմափոխանակման ծայր): Հոսանքի ուղղությունը փոխելով՝ սառեցման և ջերմափոխանակման ծայրերը կարող են փոխարինվել:

Սառեցման արդյունավետությունը հիմնականում կախված է երեք հիմնական պարամետրերից՝

Ջերմաէլեկտրական արժեքի գործակից (ZT արժեք). Այն ջերմաէլեկտրական նյութերի կատարողականության գնահատման հիմնական ցուցանիշ է։ Որքան բարձր է ZT արժեքը, այնքան բարձր է սառեցման արդյունավետությունը։

Ջերմաստիճանի տարբերությունը տաք և սառը ծայրերի միջև. Ջերմության ցրման էֆեկտը ջերմության ցրման էֆեկտը ուղղակիորեն որոշում է սառեցման ծայրի սառեցման հզորությունը: Եթե ջերմության ցրումը հարթ չէ, տաք և սառը ծայրերի միջև ջերմաստիճանի տարբերությունը կնվազի, և սառեցման արդյունավետությունը կտրուկ կնվազի:

Աշխատանքային հոսանք. անվանական տիրույթում հոսանքի աճը մեծացնում է սառեցման հզորությունը: Սակայն, երբ շեմը գերազանցվում է, արդյունավետությունը կնվազի՝ Ջոուլի ջերմության աճի պատճառով:

II Ջերմաէլեկտրական սառեցման կայանքների (Պելտիեի սառեցման համակարգ) զարգացման պատմությունը և տեխնոլոգիական առաջընթացները

Վերջին տարիներին ջերմաէլեկտրական սառեցման բաղադրիչների մշակումը կենտրոնացել է երկու հիմնական ուղղությունների վրա՝ նյութերի նորարարություն և կառուցվածքային օպտիմալացում։

Բարձր արդյունավետությամբ ջերմաէլեկտրական նյութերի հետազոտություն և մշակում

Ավանդական Bi₂Te₃-ի վրա հիմնված նյութերի ZT արժեքը բարձրացվել է մինչև 1.2-1.5՝ լեգիրման (օրինակ՝ Sb, Se) և նանոմասշտաբի մշակման միջոցով։

Նոր նյութերը, ինչպիսիք են կապարի տելուրիդը (PbTe) և սիլիցիում-գերմանիումի համաձուլվածքը (SiGe), բացառիկ լավ են գործում միջին և բարձր ջերմաստիճաններում (200-ից 500℃):

Ակնկալվում է, որ նոր նյութերը, ինչպիսիք են օրգանական-անօրգանական կոմպոզիտային ջերմաէլեկտրական նյութերը և տոպոլոգիական մեկուսիչները, կնվազեցնեն ծախսերը և կբարելավեն արդյունավետությունը։

Բաղադրիչների կառուցվածքի օպտիմալացում

Մանրանկարչության նախագծում. Պատրաստել միկրոնային մասշտաբի ջերմապտույտներ MEMS (միկրոէլեկտրամեխանիկական համակարգեր) տեխնոլոգիայի միջոցով՝ սպառողական էլեկտրոնիկայի մանրանկարչության պահանջները բավարարելու համար:

Մոդուլային ինտեգրում. Միացրեք մի քանի ջերմաէլեկտրական բլոկներ հաջորդական կամ զուգահեռաբար՝ ստեղծելու համար բարձր հզորության ջերմաէլեկտրական սառեցման մոդուլներ, պելտիե սառեցուցիչներ, պելտիե սարքեր, որոնք համապատասխանում են արդյունաբերական կարգի ջերմաէլեկտրական սառեցման պահանջներին։

Ինտեգրված ջերմափոխանակման կառուցվածք. Սառեցման թևիկները ինտեգրեք ջերմափոխանակման թևիկների և ջերմային խողովակների հետ՝ ջերմափոխանակման արդյունավետությունը բարձրացնելու և ընդհանուր ծավալը նվազեցնելու համար։

III Ջերմաէլեկտրական սառեցման բլոկների, ջերմաէլեկտրական սառեցման բաղադրիչների կիրառման բնորոշ սցենարներ

Ջերմաէլեկտրական սառեցման բլոկների ամենամեծ առավելությունը կայանում է դրանց պինդ վիճակում, աղմուկի անկաշկանդ աշխատանքում և ջերմաստիճանի ճշգրիտ կարգավորման մեջ։ Հետևաբար, դրանք անփոխարինելի դիրք են զբաղեցնում այն ​​դեպքերում, երբ կոմպրեսորները հարմար չեն սառեցման համար։

Սպառողական էլեկտրոնիկայի ոլորտում

Բջջային հեռախոսի ջերմության ցրում. Բարձրակարգ խաղային հեռախոսները հագեցած են միկրոթերմոէլեկտրական սառեցման մոդուլներով, TEC մոդուլներով, պելտիե սարքերով, պելտիե մոդուլներով, որոնք հեղուկ սառեցման համակարգերի հետ համատեղ կարող են արագորեն իջեցնել չիպի ջերմաստիճանը՝ կանխելով խաղերի ընթացքում գերտաքացման պատճառով հաճախականության նվազումը։

Մեքենայի սառնարաններ, մեքենայի սառեցուցիչներ. Փոքր մեքենաների սառնարանները հիմնականում օգտագործում են ջերմաէլեկտրական սառեցման տեխնոլոգիա, որը համատեղում է սառեցման և տաքացման գործառույթները (տաքացումը կարելի է իրականացնել հոսանքի ուղղությունը փոխելով): Դրանք փոքր են, ունեն ցածր էներգիայի սպառում և համատեղելի են մեքենայի 12 Վ էլեկտրամատակարարման հետ:

Սառեցնող բաժակ/մեկուսացված բաժակ. Փոխադրելի սառեցնող բաժակը հագեցած է ներկառուցված միկրոսառեցման թիթեղով, որը կարող է արագ սառեցնել խմիչքները մինչև 5-15 աստիճան Ցելսիուս՝ առանց սառնարան օգտագործելու։

2. Բժշկական և կենսաբանական ոլորտներ

Ջերմաստիճանի ճշգրիտ կառավարման սարքավորումները. ինչպիսիք են ՊՇՌ սարքերը (պոլիմերազային շղթայական ռեակցիայի սարքեր) և արյան սառնարանները, պահանջում են կայուն ցածր ջերմաստիճանի միջավայր: Կիսահաղորդչային սառնարանային բաղադրիչները կարող են ապահովել ջերմաստիճանի ճշգրիտ կարգավորում ±0.1℃ սահմաններում, և սառնագենտի աղտոտման վտանգ չկա:

Դյուրակիր բժշկական սարքեր. ինչպիսիք են ինսուլինի սառնարանային տուփերը, որոնք փոքր չափի են և ունեն երկար մարտկոցի աշխատանքային կյանք, հարմար են շաքարախտով հիվանդների համար դուրս գալիս տանելու համար՝ ապահովելով ինսուլինի պահպանման ջերմաստիճանը։

Լազերային սարքավորումների ջերմաստիճանի կառավարում. Բժշկական լազերային բուժման սարքերի (օրինակ՝ լազերների) հիմնական բաղադրիչները զգայուն են ջերմաստիճանի նկատմամբ, իսկ կիսահաղորդչային սառեցման բաղադրիչները կարող են իրական ժամանակում ցրել ջերմությունը՝ ապահովելով սարքավորումների կայուն աշխատանքը։

3. Արդյունաբերական և ավիատիեզերական ոլորտներ

Արդյունաբերական փոքրածավալ սառնարանային սարքավորումներ. ինչպիսիք են էլեկտրոնային բաղադրիչների ծերացման փորձարկման խցիկները և ճշգրիտ գործիքային հաստատուն ջերմաստիճանի լոգարանները, որոնք պահանջում են տեղական ցածր ջերմաստիճանի միջավայր, ջերմաէլեկտրական սառեցման միավորները, ջերմաէլեկտրական բաղադրիչները կարող են հարմարեցվել սառնարանային հզորությամբ՝ անհրաժեշտության դեպքում:

Ավիատիեզերական սարքավորումներ. Տիեզերանավի էլեկտրոնային սարքերը դժվարանում են ջերմությունը ցրել վակուումային միջավայրում: Ջերմաէլեկտրական սառեցման համակարգերը, ջերմաէլեկտրական սառեցման բլոկները, ջերմաէլեկտրական բաղադրիչները, որպես պինդ վիճակում գտնվող սարքեր, բարձր հուսալիություն ունեն և չեն առաջացնում ցնցումներ, և կարող են օգտագործվել արբանյակների և տիեզերական կայանների էլեկտրոնային սարքավորումների ջերմաստիճանը կարգավորելու համար:

4. Այլ ի հայտ եկող սցենարներ

Կրելի սարքեր. խելացի սառեցնող սաղավարտներն ու սառեցնող կոստյումները, որոնք ունեն ներկառուցված ճկուն ջերմաէլեկտրական սառեցման թիթեղներ, կարող են ապահովել մարդու մարմնի տեղային սառեցում բարձր ջերմաստիճանային միջավայրերում և հարմար են բացօթյա աշխատողների համար։

Սառը շղթայի լոգիստիկա. Ջերմաէլեկտրական սառեցմամբ, Պելտիեի սառեցմամբ և մարտկոցներով աշխատող փոքր սառը շղթայի փաթեթավորման տուփերը կարող են օգտագործվել պատվաստանյութերի և թարմ մթերքների կարճ հեռավորությունների վրա տեղափոխման համար՝ առանց մեծ սառնարանային բեռնատարների վրա հույս դնելու։

IV. Ջերմաէլեկտրական սառեցման ագրեգատների, պելտիեի սառեցման բաղադրիչների սահմանափակումներն ու զարգացման միտումները

Գոյություն ունեցող սահմանափակումներ

Սառեցման արդյունավետությունը համեմատաբար ցածր է. դրա էներգաարդյունավետության հարաբերակցությունը (COP) սովորաբար տատանվում է 0.3-ից 0.8-ի սահմաններում, ինչը շատ ավելի ցածր է, քան կոմպրեսորային սառեցման հարաբերակցությունը (COP-ը կարող է հասնել 2-ից 5-ի) և հարմար չէ մեծածավալ և բարձր հզորության սառեցման սցենարների համար։

Բարձր ջերմության ցրման պահանջներ. Եթե ջերմության ցրման ծայրում ջերմությունը չի կարող ժամանակին դուրս մղվել, դա լրջորեն կազդի սառեցման էֆեկտի վրա: Հետևաբար, այն պետք է հագեցած լինի արդյունավետ ջերմության ցրման համակարգով, ինչը սահմանափակում է կիրառումը որոշ կոմպակտ իրավիճակներում:

Բարձր գին. Բարձր արդյունավետությամբ ջերմաէլեկտրական նյութերի (օրինակ՝ նանոդոգրաֆիկ Bi₂Te₃) պատրաստման արժեքն ավելի բարձր է, քան ավանդական սառնարանային նյութերի, ինչը հանգեցնում է բարձրակարգ բաղադրիչների համեմատաբար բարձր գնի։

2. Ապագա զարգացման միտումները

Նյութական առաջընթաց. մշակել ցածր գնով, բարձր ZT արժեքով ջերմաէլեկտրական նյութեր՝ սենյակային ջերմաստիճանում ZT արժեքը 2.0-ից բարձր դարձնելու և կոմպրեսորային սառնարանային արդյունավետության տարբերությունը նեղացնելու նպատակով։

Ճկունություն և ինտեգրացիա. մշակել ճկուն ջերմաէլեկտրական սառեցման մոդուլներ, TEC մոդուլներ, ջերմաէլեկտրական մոդուլներ, պելտիե սարքեր, պելտիե մոդուլներ, պելտիե սառեցուցիչներ՝ կոր մակերեսով սարքերին (օրինակ՝ ճկուն էկրանով բջջային հեռախոսներ և խելացի կրելի սարքեր) հարմարվելու համար։ Խթանել ջերմաէլեկտրական սառեցման բաղադրիչների ինտեգրումը չիպերի և սենսորների հետ՝ «չիպի մակարդակի ջերմաստիճանի կառավարման» հասնելու համար։

Էներգախնայող դիզայն. «Իրերի ինտերնետ» (IoT) տեխնոլոգիայի ինտեգրման շնորհիվ ապահովվում է սառեցման բաղադրիչների ինտելեկտուալ մեկնարկ-կանգառ և հզորության կարգավորում, ինչը նվազեցնում է ընդհանուր էներգիայի սպառումը։

V. Ամփոփում

Ջերմաէլեկտրական սառեցման բլոկները, պելտիեի սառեցման բլոկները, ջերմաէլեկտրական սառեցման համակարգերը, իրենց պինդ վիճակի, անձայն և ճշգրիտ ջերմաստիճանի կարգավորմամբ լինելու եզակի առավելություններով, կարևոր դիրք են զբաղեցնում այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են սպառողական էլեկտրոնիկան, բժշկական օգնությունը և ավիատիեզերական արդյունաբերությունը: Ջերմաէլեկտրական նյութերի տեխնոլոգիայի և կառուցվածքային նախագծման շարունակական արդիականացման հետ մեկտեղ, դրա սառեցման արդյունավետության և արժեքի հարցերը աստիճանաբար կբարելավվեն, և կանխատեսվում է, որ այն ապագայում ավելի կոնկրետ սցենարներում կփոխարինի ավանդական սառեցման տեխնոլոգիային: