جهت گیری جدید توسعه صنعت خنک کننده ترموالکتریک

جهت گیری جدید توسعه صنعت خنک کننده ترموالکتریک

خنک‌کننده‌های ترموالکتریک که به عنوان ماژول‌های خنک‌کننده ترموالکتریک نیز شناخته می‌شوند، به دلیل ویژگی‌هایی مانند عدم وجود قطعات متحرک، کنترل دقیق دما، اندازه کوچک و قابلیت اطمینان بالا، مزایای غیرقابل جایگزینی در زمینه‌های خاص دارند. در سال‌های اخیر، هیچ پیشرفت چشمگیری در مواد اولیه در این زمینه حاصل نشده است، اما پیشرفت‌های قابل توجهی در بهینه‌سازی مواد، طراحی سیستم و گسترش کاربرد حاصل شده است.

در ادامه چندین جهت‌گیری جدید و مهم در توسعه ارائه شده است:

I. پیشرفت‌ها در مواد و دستگاه‌های هسته‌ای

بهینه‌سازی مداوم عملکرد مواد ترموالکتریک

بهینه‌سازی مواد سنتی (مبتنی بر Bi₂Te₃): ترکیبات بیسموت تلوریم همچنان بهترین عملکرد را در نزدیکی دمای اتاق دارند. تمرکز تحقیقات فعلی بر افزایش بیشتر ارزش ترموالکتریک آن از طریق فرآیندهایی مانند نانوسایز کردن، دوپینگ و بافت‌دهی است. به عنوان مثال، با تولید نانوسیم‌ها و ساختارهای ابرشبکه‌ای برای افزایش پراکندگی فونون و کاهش رسانایی حرارتی، می‌توان بدون تأثیر قابل توجه بر رسانایی الکتریکی، بازده را بهبود بخشید.

اکتشاف مواد جدید: اگرچه هنوز در مقیاس بزرگ به صورت تجاری در دسترس نیست، محققان در حال بررسی مواد جدیدی مانند SnSe، Mg₃Sb₂ و CsBi₄Te₆ هستند که ممکن است در مناطق دمایی خاص پتانسیل بالاتری نسبت به Bi₂Te₃ داشته باشند و امکان جهش‌های عملکردی در آینده را فراهم کنند.

نوآوری در ساختار دستگاه و فرآیند ادغام

کوچک‌سازی و آراپینگ: برای برآورده کردن الزامات اتلاف حرارت دستگاه‌های میکرو مانند لوازم الکترونیکی مصرفی (مانند گیره‌های پشتی اتلاف حرارت تلفن همراه) و دستگاه‌های ارتباط نوری، فرآیند تولید میکرو-TEC (ماژول‌های خنک‌کننده میکرو ترموالکتریک، ماژول‌های ترموالکتریک مینیاتوری) به طور فزاینده‌ای پیچیده می‌شود. می‌توان ماژول‌های پلتیر، خنک‌کننده‌های پلتیر، دستگاه‌های پلتیر و دستگاه‌های ترموالکتریک را با اندازه تنها ۱×۱ میلی‌متر یا حتی کوچکتر تولید کرد و آنها را می‌توان به صورت انعطاف‌پذیر در آرایه‌ها ادغام کرد تا به خنک‌سازی موضعی دقیق دست یافت.

ماژول TEC انعطاف‌پذیر (ماژول پلتیر): این یک موضوع داغ نوظهور است. با استفاده از فناوری‌هایی مانند الکترونیک چاپی و مواد انعطاف‌پذیر، ماژول‌های TEC غیرمسطح، دستگاه‌های پلتیر که می‌توانند خم شوند و چسبانده شوند، تولید می‌شوند. این امر چشم‌اندازهای گسترده‌ای در زمینه‌هایی مانند دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی و زیست‌پزشکی موضعی (مانند کمپرس‌های سرد قابل حمل) دارد.

بهینه‌سازی ساختار چند سطحی: برای سناریوهایی که نیاز به اختلاف دمای بیشتری دارند، ماژول TEC چند مرحله‌ای، ماژول‌های خنک‌کننده ترموالکتریک چند مرحله‌ای، همچنان راه‌حل اصلی هستند. پیشرفت‌های فعلی در طراحی ساختاری و فرآیندهای اتصال منعکس شده است که هدف آن کاهش مقاومت حرارتی بین مراحل، افزایش قابلیت اطمینان کلی و حداکثر اختلاف دما است.

دوم. گسترش کاربردها و راه‌حل‌های سطح سیستم

این در حال حاضر پویاترین زمینه‌ای است که می‌توان پیشرفت‌های جدید را مستقیماً در آن مشاهده کرد.

تکامل همزمان فناوری اتلاف حرارت در هات-اند

عامل کلیدی محدودکننده عملکرد ماژول TEC، ماژول ترموالکتریک، ماژول پلتیر اغلب ظرفیت اتلاف حرارت در انتهای گرم است. بهبود عملکرد TEC با توسعه فناوری سینک حرارتی با راندمان بالا، به طور متقابل تقویت می‌شود.

همراه با محفظه‌های بخار VC/لوله‌های حرارتی: در زمینه لوازم الکترونیکی مصرفی، ماژول TEC، دستگاه پلتیر اغلب با محفظه‌های بخار محفظه خلاء ترکیب می‌شود. ماژول TEC، خنک‌کننده پلتیر مسئول ایجاد فعال منطقه دمای پایین است، در حالی که VC به طور موثر گرما را از انتهای داغ ماژول TEC، عنصر پلتیر، به پره‌های بزرگتر دفع حرارت پخش می‌کند و یک راه‌حل سیستمی از "خنک‌کننده فعال + هدایت و دفع حرارت کارآمد" را تشکیل می‌دهد. این یک روند جدید در ماژول‌های دفع حرارت برای تلفن‌های بازی و کارت‌های گرافیک رده بالا است.

همراه با سیستم‌های خنک‌کننده مایع: در زمینه‌هایی مانند مراکز داده و لیزرهای پرقدرت، ماژول TEC با سیستم‌های خنک‌کننده مایع ترکیب می‌شود. با بهره‌گیری از ظرفیت گرمایی ویژه بسیار بالای مایعات، گرما در انتهای داغ ماژول ترموالکتریک TEC حذف می‌شود و به ظرفیت خنک‌کننده‌ای با راندمان بی‌سابقه‌ای دست می‌یابد.

کنترل هوشمند و مدیریت مصرف انرژی

سیستم‌های خنک‌کننده ترموالکتریک مدرن به طور فزاینده‌ای در حال ادغام حسگرهای دمایی با دقت بالا و کنترل‌کننده‌های PID/PWM هستند. با تنظیم جریان/ولتاژ ورودی ماژول ترموالکتریک، ماژول TEC، ماژول پلتیر در زمان واقعی از طریق الگوریتم‌ها، می‌توان به پایداری دمایی ±0.1℃ یا حتی بالاتر دست یافت، در حالی که از شارژ بیش از حد و نوسان جلوگیری شده و در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌شود.

حالت عملکرد پالسی: برای برخی از کاربردها، استفاده از منبع تغذیه پالسی به جای منبع تغذیه پیوسته می‌تواند نیازهای سرمایش لحظه‌ای را برآورده کند و در عین حال مصرف کلی انرژی را به طور قابل توجهی کاهش داده و بار حرارتی را متعادل سازد.

III. حوزه‌های کاربردی نوظهور و با رشد بالا

اتلاف گرما برای لوازم الکترونیکی مصرفی

گوشی‌های بازی و لوازم جانبی ورزش‌های الکترونیکی: این یکی از بزرگترین نقاط رشد در بازار ماژول‌های خنک‌کننده ترموالکتریک، ماژول‌های TEC و ماژول‌های چندلایه در سال‌های اخیر است. گیره خنک‌کننده فعال مجهز به ماژول‌های ترموالکتریک داخلی (ماژول‌های TEC) است که می‌تواند مستقیماً دمای SoC گوشی را به پایین‌تر از دمای محیط کاهش دهد و خروجی مداوم با عملکرد بالا را در طول بازی تضمین کند.

لپ‌تاپ‌ها و کامپیوترهای رومیزی: برخی از لپ‌تاپ‌ها و کارت‌های گرافیک رده بالا (مانند کارت‌های مرجع سری NVIDIA RTX 30/40) شروع به ادغام ماژول‌های TEC و ماژول‌های ترموالکتریک برای کمک به خنک‌سازی تراشه‌های اصلی کرده‌اند.

مراکز داده و ارتباطات نوری

ماژول‌های نوری 5G/6G: لیزرها (DFB/EML) در ماژول‌های نوری پرسرعت به دما بسیار حساس هستند و برای اطمینان از پایداری طول موج و کیفیت انتقال، به TEC برای دمای ثابت دقیق (معمولاً در محدوده ±0.5 درجه سانتیگراد) نیاز دارند. با افزایش نرخ داده به سمت 800G و 1.6T، تقاضا و الزامات برای ماژول‌های TEC ترموالکتریک، خنک‌کننده‌های پلتیر و عناصر پلتیر نیز در حال افزایش است.

خنک‌سازی محلی در مراکز داده: تمرکز بر نقاط حساس مانند CPUS و GPUS، استفاده از ماژول TEC برای خنک‌سازی هدفمند و بهبود یافته، یکی از مسیرهای تحقیقاتی برای بهبود بهره‌وری انرژی و تراکم محاسبات در مراکز داده است.

الکترونیک خودرو

لیدار نصب شده روی خودرو: هسته ساطع کننده لیزر لیدار به دمای عملیاتی پایداری نیاز دارد. TEC یک جزء کلیدی است که عملکرد طبیعی آن را در محیط خشن نصب شده روی خودرو (-40℃ تا +105℃) تضمین می‌کند.

کابین خلبان هوشمند و سیستم‌های اطلاعاتی-سرگرمی پیشرفته: با افزایش قدرت محاسباتی تراشه‌های درون خودرو، نیاز آنها به دفع گرما به تدریج با نیازهای لوازم الکترونیکی مصرفی همسو می‌شود. انتظار می‌رود ماژول TEC، خنک‌کننده TE، در مدل‌های پیشرفته آینده خودرو به کار گرفته شود.

علوم پزشکی و زیستی

دستگاه‌های پزشکی قابل حمل مانند دستگاه‌های PCR و توالی‌یاب‌های DNA نیاز به چرخه دمایی سریع و دقیق دارند و ماژول TEC,peltier جزء اصلی کنترل دما است. روند کوچک‌سازی و قابلیت حمل تجهیزات، توسعه خنک‌کننده‌های TEC,peltier میکرو و کارآمد را هدایت کرده است.

دستگاه‌های زیبایی: برخی از دستگاه‌های زیبایی رده بالا از اثر پلتیر TEC، دستگاه پلتیر، برای دستیابی به عملکردهای دقیق کمپرس سرد و گرم استفاده می‌کنند.

هوافضا و محیط‌های ویژه

خنک‌سازی آشکارساز مادون قرمز: در زمینه‌های نظامی، هوافضا و تحقیقات علمی، آشکارسازهای مادون قرمز برای کاهش نویز باید تا دماهای بسیار پایین (مانند زیر -80 درجه سانتیگراد) خنک شوند. ماژول TEC چند مرحله‌ای، ماژول پلتیر چند مرحله‌ای، ماژول ترموالکتریک چند مرحله‌ای یک راه‌حل کوچک و بسیار قابل اعتماد برای دستیابی به این هدف است.

کنترل دمای محموله ماهواره: فراهم کردن یک محیط حرارتی پایدار برای ابزارهای دقیق در ماهواره‌ها.

چهارم. چالش‌های پیش رو و چشم‌اندازهای آینده

چالش اصلی: راندمان انرژی نسبتاً پایین، بزرگترین نقص ماژول پلتیر (ماژول ترموالکتریک) TEC در مقایسه با خنک‌کننده کمپرسور سنتی است. راندمان خنک‌کننده ترموالکتریک آن بسیار پایین‌تر از چرخه کارنو است.

چشم‌انداز آینده

دستیابی به موفقیت در مواد، هدف نهایی است: اگر مواد جدیدی با مقدار برتری ترموالکتریک ۳.۰ یا بالاتر در نزدیکی دمای اتاق کشف یا سنتز شوند (در حال حاضر، Bi₂Te₃ تجاری تقریباً ۱.۰ است)، انقلابی در کل صنعت ایجاد خواهد شد.

ادغام سیستم و هوش: رقابت آینده بیشتر از «عملکرد TEC فردی» به سمت قابلیت یک راه حل کلی سیستم «TEC + اتلاف گرما + کنترل» تغییر خواهد کرد. ترکیب با هوش مصنوعی برای کنترل دمای پیش‌بینی‌کننده نیز یک جهت است.

کاهش هزینه و نفوذ در بازار: با بلوغ فرآیندهای تولید و تولید در مقیاس بزرگ، انتظار می‌رود هزینه‌های TEC بیشتر کاهش یابد و در نتیجه به بازارهای میان‌رده‌تر و حتی انبوه‌تر نفوذ کند.

به طور خلاصه، صنعت جهانی خنک‌کننده‌های ترموالکتریک در حال حاضر در مرحله‌ای از توسعه نوآوری مبتنی بر کاربرد و مشارکتی قرار دارد. اگرچه هیچ تغییر انقلابی در مواد اولیه رخ نداده است، اما از طریق پیشرفت فناوری مهندسی و ادغام عمیق با فناوری‌های بالادستی و پایین‌دستی، خنک‌کننده‌های ترموالکتریک جایگاه غیرقابل جایگزینی خود را در تعداد فزاینده‌ای از زمینه‌های نوظهور و با ارزش بالا پیدا می‌کنند و سرزندگی بالایی از خود نشان می‌دهند.