Ջերմաէլեկտրական սառեցման արդյունաբերության զարգացման նոր ուղղությունը

Ջերմաէլեկտրական սառեցման արդյունաբերության զարգացման նոր ուղղությունը

Ջերմաէլեկտրական սառեցուցիչները, որոնք հայտնի են նաև որպես ջերմաէլեկտրական սառեցման մոդուլներ, ունեն անփոխարինելի առավելություններ որոշակի ոլորտներում՝ շնորհիվ իրենց այնպիսի առանձնահատկությունների, ինչպիսիք են շարժական մասերի բացակայությունը, ջերմաստիճանի ճշգրիտ կառավարումը, փոքր չափսը և բարձր հուսալիությունը: Վերջին տարիներին այս ոլորտում հիմնական նյութերի ոլորտում որևէ առաջընթաց չի եղել, սակայն զգալի առաջընթաց է գրանցվել նյութերի օպտիմալացման, համակարգերի նախագծման և կիրառման ընդլայնման գործում:

Ստորև ներկայացված են զարգացման մի քանի հիմնական նոր ուղղություններ.

I. Հիմնական նյութերի և սարքերի առաջընթացները

Ջերմաէլեկտրական նյութերի աշխատանքի շարունակական օպտիմալացում

Ավանդական նյութերի օպտիմալացում (Bi₂Te₃-ի հիման վրա). Բիսմութի թելուրիումի միացությունները մնում են սենյակային ջերմաստիճանին մոտ գտնվող լավագույն նյութերը: Հետազոտության ներկայիս նպատակն է հետագայում բարձրացնել դրանց ջերմաէլեկտրական արժեքը՝ նանաչափման, լեգիրման և տեքստուրավորման նման գործընթացների միջոցով: Օրինակ՝ ֆոնոնային ցրումը բարելավելու և ջերմային հաղորդունակությունը նվազեցնելու համար նանոհաղորդալարեր և գերցանցային կառուցվածքներ արտադրելով՝ արդյունավետությունը կարող է բարելավվել առանց էլեկտրահաղորդականության վրա էականորեն ազդելու:

Նոր նյութերի հետազոտություն. Չնայած դեռևս մեծ մասշտաբով առևտրային առումով մատչելի չէ, հետազոտողները ուսումնասիրել են նոր նյութեր, ինչպիսիք են SnSe-ն, Mg₃Sb₂-ը և CsBi₄Te₆-ը, որոնք որոշակի ջերմաստիճանային գոտիներում կարող են ավելի բարձր ներուժ ունենալ, քան Bi₂Te₃-ն, ինչը հնարավորություն է տալիս ապագայում արդյունավետության թռիչքաձև աճի։

Նորարարություն սարքերի կառուցվածքում և ինտեգրման գործընթացում

Մանրադիտացում և դասավորություն. Սպառողական էլեկտրոնիկայի (օրինակ՝ բջջային հեռախոսների ջերմության դիսիպցիայի հետևի սեղմակներ) և օպտիկական կապի սարքերի նման միկրոսարքերի ջերմության դիսիպցիայի պահանջները բավարարելու համար, միկրո-TEC-ի (միկրո ջերմաէլեկտրական սառեցման մոդուլներ, մանրանկարչական ջերմաէլեկտրական մոդուլներ) արտադրության գործընթացը դառնում է ավելի ու ավելի բարդ: Հնարավոր է արտադրել պելտիե մոդուլներ, պելտիե սառեցուցիչներ, պելտիե սարքեր, ընդամենը 1×1 մմ կամ նույնիսկ ավելի փոքր չափի ջերմաէլեկտրական սարքեր, և դրանք կարող են ճկուն կերպով ինտեգրվել զանգվածների մեջ՝ ճշգրիտ տեղային սառեցում ապահովելու համար:

Ճկուն TEC մոդուլ (պելտիե մոդուլ). Սա նորահայտ թեմա է։ Տպագիր էլեկտրոնիկայի և ճկուն նյութերի նման տեխնոլոգիաների կիրառմամբ, արտադրվում են ոչ հարթ TEC մոդուլներ, ծռվող և կպչուն պելտիե սարքեր։ Սա լայն հեռանկարներ ունի այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են կրելի էլեկտրոնային սարքերը և տեղական կենսաբժշկությունը (օրինակ՝ փոխադրելի սառը կոմպրեսները)։

Բազմաստիճան կառուցվածքի օպտիմալացում. Ավելի մեծ ջերմաստիճանային տարբերություն պահանջող սցենարների համար բազմաստիճան TEC մոդուլը, բազմաստիճան ջերմաէլեկտրական սառեցման մոդուլները մնում են հիմնական լուծումը: Ներկայիս առաջընթացը արտացոլվում է կառուցվածքային նախագծման և կապակցման գործընթացներում, որոնք նպատակ ունեն նվազեցնել միջաստիճանային ջերմային դիմադրությունը, բարձրացնել ընդհանուր հուսալիությունը և առավելագույն ջերմաստիճանային տարբերությունը:

Ii. Համակարգային մակարդակի կիրառությունների և լուծումների ընդլայնում

Սա ներկայումս ամենադինամիկ ոլորտն է, որտեղ նոր զարգացումները կարելի է անմիջականորեն դիտարկել։

Տաք ծայրի ջերմության ցրման տեխնոլոգիայի համատեղ զարգացումը

TEC մոդուլի, ջերմաէլեկտրական մոդուլի, պելտիեի մոդուլի աշխատանքը սահմանափակող հիմնական գործոնը հաճախ տաք ծայրում ջերմության ցրման հզորությունն է: TEC աշխատանքի բարելավումը փոխադարձաբար ամրապնդվում է բարձր արդյունավետության ջերմափոխանակիչ տեխնոլոգիայի զարգացման հետ մեկտեղ:

Համակցված VC գոլորշու խցիկների/ջերմային խողովակների հետ. Սպառողական էլեկտրոնիկայի ոլորտում TEC մոդուլը, պելտիե սարքը հաճախ համակցվում է վակուումային խցիկի գոլորշու խցիկների հետ: TEC մոդուլը, պելտիե սառեցուցիչը, պատասխանատու է ցածր ջերմաստիճանի գոտու ակտիվ ստեղծման համար, մինչդեռ VC-ն արդյունավետորեն ցրում է ջերմությունը TEC մոդուլի, պելտիե տարրի տաք ծայրից դեպի ավելի մեծ ջերմափոխանակման թևիկներ՝ ձևավորելով «ակտիվ սառեցում + արդյունավետ ջերմահաղորդություն և հեռացում» համակարգային լուծում: Սա խաղային հեռախոսների և բարձրակարգ գրաֆիկական քարտերի համար նախատեսված ջերմափոխանակման մոդուլների նոր միտում է:

Հեղուկային սառեցման համակարգերի հետ համակցված. Տվյալների կենտրոնների և բարձր հզորության լազերների նման ոլորտներում TEC մոդուլը համակցվում է հեղուկային սառեցման համակարգերի հետ: Հեղուկների չափազանց բարձր տեսակարար ջերմունակությունից օգտվելով՝ TEC մոդուլի ջերմաէլեկտրական մոդուլի տաք ծայրում ջերմությունը հեռացվում է՝ հասնելով աննախադեպ արդյունավետ սառեցման հզորության:

Խելացի կառավարում և էներգաարդյունավետության կառավարում

Ժամանակակից ջերմաէլեկտրական սառեցման համակարգերը ավելի ու ավելի են ինտեգրում բարձր ճշգրտության ջերմաստիճանի սենսորներ և PID/PWM կարգավորիչներ: Ջերմաէլեկտրական մոդուլի, TEC մոդուլի, Պելտիեի մոդուլի մուտքային հոսանքը/լարումը իրական ժամանակում՝ ալգորիթմների միջոցով կարգավորելով, կարելի է հասնել ±0.1℃ կամ նույնիսկ ավելի բարձր ջերմաստիճանի կայունության՝ միաժամանակ խուսափելով գերլիցքավորումից և տատանումներից, ինչպես նաև խնայելով էներգիա:

Իմպուլսային աշխատանքի ռեժիմ. Որոշ կիրառությունների դեպքում անընդհատ սնուցման փոխարեն իմպուլսային սնուցման աղբյուրի օգտագործումը կարող է բավարարել ակնթարթային սառեցման պահանջները՝ միաժամանակ զգալիորեն կրճատելով ընդհանուր էներգիայի սպառումը և հավասարակշռելով ջերմային բեռը։

Iii. Զարգացող և արագ աճող կիրառական ոլորտներ

Սպառողական էլեկտրոնիկայի ջերմության ցրումը

Խաղային հեռախոսներ և էլեկտրոնային սպորտի պարագաներ. սա վերջին տարիներին ջերմաէլեկտրական սառեցման մոդուլների, TEC մոդուլների և պլետիեր մոդուլների շուկայում ամենամեծ աճի կետերից մեկն է: Ակտիվ սառեցման հետևի սեղմակը հագեցած է ներկառուցված ջերմաէլեկտրական մոդուլներով (TEC մոդուլներ), որոնք կարող են ուղղակիորեն իջեցնել հեռախոսի SoC-ի ջերմաստիճանը շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից ցածր՝ ապահովելով անընդհատ բարձր արդյունավետություն խաղերի ընթացքում:

Նոութբուքեր և սեղանադիր համակարգիչներ. Որոշ բարձրակարգ նոութբուքեր և գրաֆիկական քարտեր (օրինակ՝ NVIDIA RTX 30/40 շարքի հղման քարտեր) սկսել են փորձել ինտեգրել TEC մոդուլներ՝ ջերմաէլեկտրական մոդուլներ, որոնք օգնում են սառեցնել միջուկը։

Օպտիկական կապի և տվյալների կենտրոններ

5G/6G օպտիկական մոդուլներ. Բարձր արագության օպտիկական մոդուլներում լազերները (DFB/EML) չափազանց զգայուն են ջերմաստիճանի նկատմամբ և պահանջում են TEC՝ ճշգրիտ հաստատուն ջերմաստիճանի համար (սովորաբար ±0.5℃ սահմաններում)՝ ալիքի երկարության կայունությունն ու փոխանցման որակը ապահովելու համար: Քանի որ տվյալների փոխանցման արագությունը զարգանում է դեպի 800G և 1.6T, TEC մոդուլների, ջերմաէլեկտրական մոդուլների, պելտիե սառեցնողների և պելտիե տարրերի պահանջարկն ու պահանջները աճում են:

Տեղային սառեցում տվյալների կենտրոններում. կենտրոնանալով այնպիսի թեժ կետերի վրա, ինչպիսիք են CPU-ները և GPU-ները, TEC մոդուլի օգտագործումը նպատակային բարելավված սառեցման համար տվյալների կենտրոններում էներգաարդյունավետության և հաշվողական խտության բարելավման հետազոտական ​​ուղղություններից մեկն է։

Ավտոմոբիլային էլեկտրոնիկա

Մեքենային ամրացված լիդար. Լիդարի միջուկի լազերային ճառագայթիչը պահանջում է կայուն աշխատանքային ջերմաստիճան: TEC-ը հիմնական բաղադրիչ է, որն ապահովում է դրա բնականոն աշխատանքը մեքենայի վրա ամրացված կոշտ միջավայրում (-40℃-ից մինչև +105℃):

Ինտելեկտուալ խցիկներ և բարձրակարգ ինֆոզվարճանքի համակարգեր. ավտոմեքենայի մեջ տեղադրված չիպերի հաշվողական հզորության աճին զուգընթաց, դրանց ջերմության ցրման պահանջները աստիճանաբար համընկնում են սպառողական էլեկտրոնիկայի պահանջներին: TEC մոդուլը, TE սառեցուցիչը, նախատեսվում է կիրառել ապագա բարձրակարգ ավտոմեքենաների մոդելներում:

Բժշկական և կենսաբանական գիտություններ

Դյուրակիր բժշկական սարքերը, ինչպիսիք են ՊՇՌ գործիքները և ԴՆԹ սեքվենսորները, պահանջում են արագ և ճշգրիտ ջերմաստիճանային ցիկլ, և TEC, Պելտիե մոդուլը ջերմաստիճանի կարգավորման հիմնական բաղադրիչն է: Սարքավորումների մանրացման և դյուրակիրության միտումը խթանել է միկրո և արդյունավետ TEC, Պելտիե սառեցուցիչների զարգացումը:

Գեղեցկության սարքեր. Որոշ բարձրակարգ գեղեցկության սարքեր օգտագործում են TEC, Peltier սարքի Պելտիե էֆեկտը՝ ճշգրիտ սառը և տաք կոմպրեսի գործառույթներ ապահովելու համար:

Ավիատիեզերական և հատուկ միջավայրեր

Ինֆրակարմիր դետեկտորի սառեցում. Ռազմական, ավիատիեզերական և գիտական ​​հետազոտությունների ոլորտներում ինֆրակարմիր դետեկտորները պետք է սառեցվեն մինչև չափազանց ցածր ջերմաստիճաններ (օրինակ՝ -80℃-ից ցածր)՝ աղմուկը նվազեցնելու համար: Բազմաստիճան TEC մոդուլը, բազմաստիճան Պելտիե մոդուլը, բազմաստիճան ջերմաէլեկտրական մոդուլը մանրացված և բարձր հուսալի լուծում են այս նպատակին հասնելու համար:

Արբանյակային բեռնվածքի ջերմաստիճանի կառավարում. Արբանյակների վրա գտնվող ճշգրիտ գործիքների համար կայուն ջերմային միջավայրի ապահովում։

IV. Առերեսված մարտահրավերներ և ապագայի հեռանկարներ

Հիմնական մարտահրավերը. TEC մոդուլի պելտիեի (ջերմաէլեկտրական մոդուլ) ամենամեծ թերությունը մնում է համեմատաբար ցածր էներգաարդյունավետությունը՝ համեմատած ավանդական կոմպրեսորային սառեցման հետ։ Դրա ջերմաէլեկտրական սառեցման արդյունավետությունը շատ ավելի ցածր է, քան Կարնոյի ցիկլինը։

Ապագայի հեռանկար

Նյութական առաջընթացը վերջնական նպատակն է. եթե հնարավոր լինի հայտնաբերել կամ սինթեզել նոր նյութեր՝ սենյակային ջերմաստիճանին մոտ 3.0 կամ ավելի բարձր ջերմաէլեկտրական գերազանցության արժեքով (ներկայումս առևտրային Bi₂Te₃-ն մոտավորապես 1.0 է), դա կհանգեցնի հեղափոխության ամբողջ ոլորտում։

Համակարգի ինտեգրում և ինտելեկտ. ապագա մրցակցությունը «անհատական ​​TEC կատարողականից» ավելի շատ կանցնի «TEC+ ջերմության ցրում + կառավարում» ընդհանուր համակարգային լուծման կարողության: Կանխատեսելի ջերմաստիճանի կառավարման համար արհեստական ​​բանականության հետ համադրությունը նույնպես ուղղություններից մեկն է:

Արժեքի կրճատում և շուկա ներթափանցում. Արտադրական գործընթացների հասունացման և լայնածավալ արտադրության հետ մեկտեղ, TEC-ի ծախսերը, կանխատեսումների համաձայն, կնվազեն՝ այդպիսով ներթափանցելով ավելի միջին և նույնիսկ զանգվածային շուկաներ:

Ամփոփելով՝ համաշխարհային ջերմաէլեկտրական սառնարանների արդյունաբերությունը ներկայումս գտնվում է կիրառական և համագործակցային նորարարությունների զարգացման փուլում։ Չնայած հիմնական նյութերում հեղափոխական փոփոխություններ չեն եղել, ինժեներական տեխնոլոգիաների զարգացման և վերին և ստորին հոսանքների տեխնոլոգիաների հետ խորը ինտեգրման շնորհիվ, TEC մոդուլի Պելտիե մոդուլը, պելտիե սառնարանը, գտնում է իր անփոխարինելի տեղը աճող թվով զարգացող և բարձր արժեք ունեցող ոլորտներում՝ ցուցաբերելով ուժեղ կենսունակություն։