واحد خنککننده ترموالکتریک، خنککننده پلتیر (همچنین به عنوان اجزای خنککننده ترموالکتریک شناخته میشود) دستگاههای خنککننده حالت جامد هستند که بر اساس اثر پلتیر عمل میکنند. آنها مزایای عدم حرکت مکانیکی، عدم نیاز به مبرد، اندازه کوچک، پاسخ سریع و کنترل دقیق دما را دارند. در سالهای اخیر، کاربردهای آنها در لوازم الکترونیکی مصرفی، مراقبتهای پزشکی، خودرو و سایر زمینهها همچنان در حال گسترش است.
اصول اساسی سیستم خنککننده ترموالکتریک و اجزای آن
هسته خنککننده ترموالکتریک اثر پلتیه است: وقتی دو ماده نیمههادی مختلف (نوع P و نوع N) یک جفت ترموکوپل تشکیل میدهند و جریان مستقیم اعمال میشود، یک سر جفت ترموکوپل گرما را جذب میکند (سر خنککننده) و سر دیگر گرما را آزاد میکند (سر اتلاف گرما). با تغییر جهت جریان، میتوان سر خنککننده و سر اتلاف گرما را با هم عوض کرد.
عملکرد خنککنندگی آن عمدتاً به سه پارامتر اصلی بستگی دارد:
ضریب شایستگی ترموالکتریک (مقدار ZT): این یک شاخص کلیدی برای ارزیابی عملکرد مواد ترموالکتریک است. هرچه مقدار ZT بالاتر باشد، راندمان خنککنندگی نیز بالاتر است.
اختلاف دما بین انتهای گرم و سرد: اثر اتلاف گرما در انتهای اتلاف گرما مستقیماً ظرفیت خنک کننده در انتهای خنک کننده را تعیین می کند. اگر اتلاف گرما روان نباشد، اختلاف دما بین انتهای گرم و سرد کم می شود و راندمان خنک کننده به شدت کاهش می یابد.
جریان کاری: در محدودهی نامی، افزایش جریان، ظرفیت خنککنندگی را افزایش میدهد. با این حال، هنگامی که از آستانه عبور میکند، به دلیل افزایش گرمای ژول، راندمان کاهش مییابد.
II تاریخچه توسعه و پیشرفتهای تکنولوژیکی واحدهای خنککننده ترموالکتریک (سیستم خنککننده پلتیر)
در سالهای اخیر، توسعه اجزای خنککننده ترموالکتریک بر دو جهت اصلی متمرکز شده است: نوآوری در مواد و بهینهسازی ساختاری.
تحقیق و توسعه مواد ترموالکتریک با کارایی بالا
مقدار ZT مواد سنتی مبتنی بر Bi₂Te₃ از طریق آلایش (مانند Sb، Se) و عملیات نانومقیاس به ۱.۲ تا ۱.۵ افزایش یافته است.
مواد جدیدی مانند تلورید سرب (PbTe) و آلیاژ سیلیکون-ژرمانیوم (SiGe) در سناریوهای دمای متوسط و بالا (200 تا 500 درجه سانتیگراد) عملکرد فوقالعادهای دارند.
انتظار میرود مواد جدیدی مانند مواد ترموالکتریک کامپوزیت آلی-معدنی و عایقهای توپولوژیکی، هزینهها را بیشتر کاهش داده و راندمان را بهبود بخشند.
بهینهسازی ساختار اجزا
طراحی کوچکسازی: ترموپیلهایی در مقیاس میکرون را از طریق فناوری MEMS (سیستمهای میکروالکترومکانیکی) برای برآورده کردن الزامات کوچکسازی لوازم الکترونیکی مصرفی آماده کنید.
ادغام ماژولار: چندین واحد ترموالکتریک را به صورت سری یا موازی به هم متصل کنید تا ماژولهای خنککننده ترموالکتریک پرقدرت، خنککنندههای پلتیر، دستگاههای پلتیر تشکیل دهید و الزامات خنککننده ترموالکتریک در سطح صنعتی را برآورده کنید.
ساختار دفع حرارت یکپارچه: پرههای خنککننده را با پرههای دفع حرارت و لولههای حرارتی ادغام کنید تا راندمان دفع حرارت افزایش یافته و حجم کلی کاهش یابد.
III سناریوهای کاربردی معمول واحدهای خنککننده ترموالکتریک، اجزای خنککننده ترموالکتریک
بزرگترین مزیت واحدهای خنککننده ترموالکتریک در ماهیت حالت جامد، عملکرد بدون سر و صدا و کنترل دقیق دما نهفته است. بنابراین، در مواردی که کمپرسورها برای خنکسازی مناسب نیستند، جایگاه غیرقابل جایگزینی دارند.
در حوزه لوازم الکترونیکی مصرفی
اتلاف حرارت تلفن همراه: تلفنهای بازی رده بالا مجهز به ماژولهای خنککننده میکرو ترموالکتریک، ماژولهای TEC، دستگاههای پلتیر، ماژولهای پلتیر هستند که در ترکیب با سیستمهای خنککننده مایع میتوانند به سرعت دمای تراشه را کاهش دهند و از کاهش فرکانس به دلیل گرمای بیش از حد در حین بازی جلوگیری کنند.
یخچالهای خودرو، خنککنندههای خودرو: یخچالهای کوچک خودرو عمدتاً از فناوری خنککننده ترموالکتریک استفاده میکنند که عملکردهای خنککننده و گرمایشی را با هم ترکیب میکند (گرمایش را میتوان با تغییر جهت جریان به دست آورد). آنها اندازه کوچکی دارند، مصرف انرژی کمی دارند و با منبع تغذیه ۱۲ ولت خودرو سازگار هستند.
لیوان خنککننده نوشیدنی/لیوان عایق: این لیوان خنککننده قابل حمل مجهز به یک صفحه خنککننده کوچک داخلی است که میتواند نوشیدنیها را بدون نیاز به یخچال، به سرعت تا ۵ تا ۱۵ درجه سانتیگراد خنک کند.
۲. رشتههای پزشکی و زیستی
تجهیزات کنترل دقیق دما: مانند دستگاههای PCR (دستگاههای واکنش زنجیرهای پلیمراز) و یخچالهای خون، به محیطی پایدار با دمای پایین نیاز دارند. اجزای یخچال نیمههادی میتوانند کنترل دقیق دما را در محدوده ±0.1 درجه سانتیگراد انجام دهند و هیچ خطری از آلودگی مبرد وجود ندارد.
دستگاههای پزشکی قابل حمل: مانند جعبههای یخچال انسولین که اندازه کوچکی دارند و عمر باتری آنها طولانی است، برای بیماران دیابتی مناسب هستند تا هنگام بیرون رفتن آنها را حمل کنند و دمای نگهداری انسولین را تضمین کنند.
کنترل دمای تجهیزات لیزر: اجزای اصلی دستگاههای لیزر درمانی پزشکی (مانند لیزرها) به دما حساس هستند و اجزای خنککننده نیمههادی میتوانند گرما را در زمان واقعی از بین ببرند تا عملکرد پایدار تجهیزات تضمین شود.
۳. زمینههای صنعتی و هوافضا
تجهیزات تبرید صنعتی در مقیاس کوچک: مانند محفظههای آزمایش پیری قطعات الکترونیکی و حمامهای دمای ثابت ابزار دقیق، که به یک محیط محلی با دمای پایین نیاز دارند، واحدهای خنککننده ترموالکتریک، اجزای ترموالکتریک را میتوان با توان تبرید مورد نیاز سفارشی کرد.
تجهیزات هوافضا: دستگاههای الکترونیکی در فضاپیماها در دفع گرما در محیط خلاء مشکل دارند. سیستمهای خنککننده ترموالکتریک، واحدهای خنککننده ترموالکتریک، اجزای ترموالکتریک، به عنوان دستگاههای حالت جامد، بسیار قابل اعتماد و بدون لرزش هستند و میتوانند برای کنترل دمای تجهیزات الکترونیکی در ماهوارهها و ایستگاههای فضایی مورد استفاده قرار گیرند.
۴. سایر سناریوهای نوظهور
دستگاههای پوشیدنی: کلاههای ایمنی و لباسهای خنککننده هوشمند، با صفحات خنککننده ترموالکتریک انعطافپذیر داخلی، میتوانند خنکسازی موضعی را برای بدن انسان در محیطهای با دمای بالا فراهم کنند و برای کارگران در فضای باز مناسب هستند.
لجستیک زنجیره سرد: جعبههای بستهبندی زنجیره سرد کوچک، که با خنککننده ترموالکتریک، خنککننده پلتیر و باتری کار میکنند، میتوانند برای حمل و نقل کوتاه واکسنها و محصولات تازه بدون تکیه بر کامیونهای بزرگ یخچالدار استفاده شوند.
IV. محدودیتها و روندهای توسعه واحدهای خنککننده ترموالکتریک، اجزای خنککننده پلتیر
محدودیتهای موجود
راندمان خنککنندگی نسبتاً پایین است: نسبت راندمان انرژی (COP) آن معمولاً بین 0.3 تا 0.8 است که بسیار پایینتر از خنککنندگی کمپرسوری است (COP میتواند به 2 تا 5 برسد) و برای سناریوهای خنککنندگی در مقیاس بزرگ و با ظرفیت بالا مناسب نیست.
الزامات دفع حرارت بالا: اگر گرما در انتهای دفع حرارت به موقع تخلیه نشود، تأثیر جدی بر اثر خنککنندگی خواهد داشت. بنابراین، باید به یک سیستم دفع حرارت کارآمد مجهز شود که کاربرد را در برخی سناریوهای فشرده محدود میکند.
هزینه بالا: هزینه تهیه مواد ترموالکتریک با کارایی بالا (مانند Bi₂Te₃ نانوآلاییده شده) بیشتر از مواد تبرید سنتی است که منجر به قیمت نسبتاً بالای قطعات رده بالا میشود.
۲. روندهای توسعه آینده
پیشرفت چشمگیر در مواد: توسعه مواد ترموالکتریک کمهزینه و با ارزش ZT بالا، با هدف افزایش ارزش ZT در دمای اتاق به بیش از ۲.۰ و کاهش شکاف بهرهوری با تبرید کمپرسور.
انعطافپذیری و یکپارچهسازی: توسعه ماژولهای خنککننده ترموالکتریک انعطافپذیر، ماژولهای TEC، ماژولهای ترموالکتریک، دستگاههای پلتیر، ماژولهای پلتیر، خنککنندههای پلتیر، برای سازگاری با دستگاههای دارای سطح منحنی (مانند تلفنهای همراه با صفحه نمایش انعطافپذیر و دستگاههای پوشیدنی هوشمند)؛ ترویج ادغام اجزای خنککننده ترموالکتریک با تراشهها و حسگرها برای دستیابی به «کنترل دما در سطح تراشه».
طراحی صرفهجویی در مصرف انرژی: با ادغام فناوری اینترنت اشیا (iot)، روشن/خاموش شدن هوشمند و تنظیم توان اجزای خنککننده محقق میشود و مصرف کلی انرژی را کاهش میدهد.
خلاصه
واحدهای خنککننده ترموالکتریک، واحدهای خنککننده پلتیر، سیستمهای خنککننده ترموالکتریک، با مزایای منحصر به فرد خود مانند حالت جامد، بیصدا بودن و کنترل دقیق دما، جایگاه مهمی در زمینههایی مانند لوازم الکترونیکی مصرفی، مراقبتهای پزشکی و هوافضا دارند. با ارتقاء مداوم فناوری مواد ترموالکتریک و طراحی ساختاری، مسائل مربوط به راندمان و هزینه خنککننده آن به تدریج بهبود مییابد و انتظار میرود در آینده در سناریوهای خاصتر جایگزین فناوری خنککننده سنتی شود.
زمان ارسال: ۱۲ دسامبر ۲۰۲۵
