Termoelektrické chladicí jednotky, Peltierův chladič (také známé jako termoelektrické chladicí komponenty), jsou polovodičová chladicí zařízení založená na Peltierově jevu. Jejich výhodou je absence mechanického pohybu, absence chladiva, malá velikost, rychlá odezva a přesná regulace teploty. V posledních letech se jejich uplatnění ve spotřební elektronice, lékařství, automobilech a dalších oblastech neustále rozšiřuje.
I. Základní principy termoelektrického chladicího systému a jeho součástí
Jádrem termoelektrického chlazení je Peltierův jev: když dva různé polovodičové materiály (typ P a typ N) tvoří termočlánkový pár a je aplikován stejnosměrný proud, jeden konec termočlánkového páru absorbuje teplo (chladicí konec) a druhý konec teplo uvolňuje (konec odvodu tepla). Změnou směru proudu lze chladicí konec a konec odvodu tepla zaměnit.
Jeho chladicí výkon závisí hlavně na třech klíčových parametrech:
Termoelektrický koeficient spolehlivosti (hodnota ZT): Je to klíčový ukazatel pro hodnocení výkonu termoelektrických materiálů. Čím vyšší je hodnota ZT, tím vyšší je chladicí účinnost.
Teplotní rozdíl mezi horkým a studeným koncem: Efekt odvodu tepla na straně odvodu tepla přímo určuje chladicí kapacitu na chladicím konci. Pokud odvod tepla není plynulý, teplotní rozdíl mezi horkým a studeným koncem se zúží a účinnost chlazení prudce klesne.
Provozní proud: V rámci jmenovitého rozsahu zvýšení proudu zvyšuje chladicí výkon. Jakmile je však překročena prahová hodnota, účinnost se sníží v důsledku zvýšení Jouleova tepla.
II Historie vývoje a technologické průlomy termoelektrických chladicích jednotek (Peltierův chladicí systém)
V posledních letech se vývoj termoelektrických chladicích komponent zaměřil na dva hlavní směry: materiálové inovace a strukturální optimalizaci.
Výzkum a vývoj vysoce výkonných termoelektrických materiálů
Hodnota ZT tradičních materiálů na bázi Bi₂Te₃ se zvýšila na 1,2–1,5 pomocí dopování (například Sb, Se) a nanoměřítkové úpravy.
Nové materiály, jako je telurid olovnatý (PbTe) a slitina křemíku a germania (SiGe), si vedou mimořádně dobře při středních a vysokých teplotách (200 až 500 °C).
Očekává se, že nové materiály, jako jsou organicko-anorganické kompozitní termoelektrické materiály a topologické izolanty, dále sníží náklady a zlepší účinnost.
Optimalizace struktury komponent
Miniaturizační návrh: Příprava termočlánků v mikronovém měřítku pomocí technologie MEMS (mikroelektromechanické systémy) pro splnění požadavků na miniaturizaci spotřební elektroniky.
Modulární integrace: Propojením více termoelektrických jednotek sériově nebo paralelně vytvoříte vysoce výkonné termoelektrické chladicí moduly, Peltierovy chladiče, Peltierova zařízení, které splňují požadavky na průmyslové termoelektrické chlazení.
Integrovaná struktura pro odvod tepla: Integrace chladicích žeber s žebry pro odvod tepla a tepelnými trubicemi zvyšuje účinnost odvodu tepla a snižuje celkový objem.
III Typické scénáře použití termoelektrických chladicích jednotek, termoelektrických chladicích komponent
Největší výhodou termoelektrických chladicích jednotek je jejich polovodičová konstrukce, tichý provoz a přesná regulace teploty. Proto zaujímají nezastupitelné místo v situacích, kdy kompresory nejsou vhodné pro chlazení.
V oblasti spotřební elektroniky
Odvod tepla mobilních telefonů: Herní telefony vyšší třídy jsou vybaveny mikrotermoelektrickými chladicími moduly, TEC moduly, Peltierovými zařízeními a Peltierovými moduly, které v kombinaci s kapalinovými chladicími systémy dokáží rychle snížit teplotu čipu a zabránit tak snížení frekvence v důsledku přehřátí během hraní her.
Autochladničky, Autochladničky: Malé autochladničky většinou využívají termoelektrickou chladicí technologii, která kombinuje funkce chlazení a ohřevu (ohřevu lze dosáhnout přepínáním směru proudu). Jsou malé, mají nízkou spotřebu energie a jsou kompatibilní s 12V napájením automobilu.
Chladicí hrnek na nápoje/izolační hrnek: Přenosný chladicí hrnek je vybaven vestavěnou mikrochladicí deskou, která dokáže rychle ochladit nápoje na 5 až 15 stupňů Celsia bez nutnosti použití lednice.
2. Lékařské a biologické obory
Přesná zařízení pro regulaci teploty: jako jsou přístroje pro PCR (přístroje pro polymerázovou řetězovou reakci) a krevní chladničky, vyžadují stabilní prostředí s nízkou teplotou. Polovodičové chladicí komponenty dokáží dosáhnout přesné regulace teploty v rozmezí ±0,1 ℃ a nehrozí jim kontaminace chladivem.
Přenosné zdravotnické prostředky: jako jsou chladicí boxy na inzulín, které jsou malé a mají dlouhou výdrž baterie, jsou vhodné pro diabetiky, aby si je mohli vzít s sebou ven, a zajišťují tak skladovací teplotu inzulínu.
Regulace teploty laserového zařízení: Základní komponenty lékařských laserových léčebných zařízení (jako jsou lasery) jsou citlivé na teplotu a polovodičové chladicí komponenty mohou odvádět teplo v reálném čase, aby zajistily stabilní provoz zařízení.
3. Průmyslové a letecké obory
Maloobjemová chladicí zařízení pro průmysl: jako jsou zkušební komory pro stárnutí elektronických součástek a lázně s konstantní teplotou pro přesné přístroje, které vyžadují lokální prostředí s nízkou teplotou, termoelektrické chladicí jednotky, termoelektrické součástky lze dle potřeby přizpůsobit chladicímu výkonu.
Letecké a kosmické vybavení: Elektronická zařízení v kosmických lodích mají potíže s odváděním tepla ve vakuovém prostředí. Termoelektrické chladicí systémy, termoelektrické chladicí jednotky a termoelektrické součástky, jakožto polovodičová zařízení, jsou vysoce spolehlivé a bez vibrací a lze je použít pro regulaci teploty elektronických zařízení v satelitech a vesmírných stanicích.
4. Další vznikající scénáře
Nositelná zařízení: Chytré chladicí přilby a chladicí obleky s vestavěnými flexibilními termoelektrickými chladicími deskami mohou poskytovat lokální chlazení lidského těla ve vysokoteplotním prostředí a jsou vhodné pro pracovníky venku.
Logistika chladírenského řetězce: Malé balicí boxy pro chladírenský řetězec, poháněné termoelektrickým chlazením, Peltierovým chlazením a bateriemi, lze použít pro přepravu vakcín a čerstvých produktů na krátké vzdálenosti bez nutnosti spoléhat se na velké chladírenské vozy.
IV. Omezení a vývojové trendy termoelektrických chladicích jednotek, Peltierových chladicích komponent
Stávající omezení
Účinnost chlazení je relativně nízká: Jeho energetický poměr (COP) se obvykle pohybuje mezi 0,3 a 0,8, což je mnohem méně než u kompresorového chlazení (COP může dosáhnout 2 až 5), a není vhodný pro velkokapacitní a vysokokapacitní chlazení.
Vysoké požadavky na odvod tepla: Pokud teplo na konci odvodu tepla nelze včas odvést, bude to vážně ovlivňovat chladicí účinek. Proto musí být zařízení vybaveno účinným systémem odvodu tepla, což omezuje jeho použití v některých kompaktních scénářích.
Vysoké náklady: Náklady na výrobu vysoce výkonných termoelektrických materiálů (jako je nanodopovaný Bi₂Te₃) jsou vyšší než u tradičních chladicích materiálů, což má za následek relativně vysokou cenu špičkových komponentů.
2. Trendy budoucího vývoje
Průlom v oblasti materiálů: Vyvinout nízkonákladové termoelektrické materiály s vysokou hodnotou ZT s cílem zvýšit hodnotu ZT při pokojové teplotě na více než 2,0 a zmenšit rozdíl v účinnosti oproti kompresorovému chlazení.
Flexibilita a integrace: Vyvíjet flexibilní termoelektrické chladicí moduly, TEC moduly, termoelektrické moduly, Peltierova zařízení, Peltierovy moduly, Peltierovy chladiče, které se přizpůsobí zařízením se zakřiveným povrchem (jako jsou mobilní telefony s flexibilní obrazovkou a chytrá nositelná zařízení); Podporovat integraci termoelektrických chladicích komponent s čipy a senzory pro dosažení „regulace teploty na úrovni čipu“.
Energeticky úsporný design: Integrací technologie internetu věcí (IoT) se dosahuje inteligentního spouštění a zastavování a regulace výkonu chladicích komponent, čímž se snižuje celková spotřeba energie.
V. Shrnutí
Termoelektrické chladicí jednotky, Peltierovy chladicí jednotky a termoelektrické chladicí systémy se svými jedinečnými výhodami v podobě polovodičového provedení, tichosti a přesné regulace teploty zaujímají důležité místo v oblastech, jako je spotřební elektronika, lékařská péče a letectví. S neustálou modernizací technologie termoelektrických materiálů a konstrukčního řešení se budou otázky chladicí účinnosti a nákladů postupně zlepšovat a očekává se, že v budoucnu nahradí tradiční chladicí technologie ve specifičtějších scénářích.
Čas zveřejnění: 12. prosince 2025
