В историята на развитието на хладилната технология,полупроводникови охладители, със своите уникални предимства, тихомълком променят представата на хората за "охлаждане". Той няма рева на традиционните компресори и не изисква сложна система за циркулация на хладилен агент. Само като се възползва от характеристиките на полупроводниковите материали, той може да постигне магическия ефект на „охлаждане и отопление едновременно“ и се появява във все повече и повече сценарии, превръщайки се в нишово, но с голям потенциал решение за охлаждане.
I. Мистерията на "Безшумно охлаждане": Принципът на работа на полупроводниковите охладители
Ядрото на полупроводниковия охладител произхожда от „ефекта на Пелтие“, открит от френския физик Жан Пелтие през 1834 г. Когато два различни полупроводникови материала (обикновено N-тип и P-тип) образуват двойка термодвойка и се приложи постоянен ток, единият край на двойката термодвойка абсорбира топлина, докато другият край отделя топлина, създавайки температурна разлика. Този метод за директно постигане на "пренос на топлина" чрез електрическа енергия, който не разчита на промяната на фазите на хладилния агент и няма механични движещи се части, е именно ключовата разлика от традиционното компресорно охлаждане.
От структурна гледна точка, полупроводниковите охладители обикновено се състоят от множество комплекти полупроводникови двойки, керамични субстрати и електроди. Керамичните основи имат отлична топлопроводимост и изолационни свойства. Те могат не само бързо да пренасят топлината, но и да предотвратяват късо съединение във веригите. Няколко двойки термодвойки могат да бъдат подредени последователно или паралелно. Чрез регулиране на броя на двойките и големината на преминаващия ток, капацитетът на охлаждане и температурната разлика могат да бъдат прецизно контролирани. Когато посоката на тока се промени, охлаждащият и нагревателният край също ще се сменят съответно. Тази функция му позволява както да охлажда, така и да отоплява, постигайки „двойна употреба в една машина“.
В сравнение с традиционното компресорно охлаждане, принципът на полупроводниковите хладилници изглежда прост, но носи революционни предимства: няма шум, генериран от работата на компресорите, а шумът по време на работа може да бъде толкова нисък, колкото под 30 децибела, доближавайки се до околния звук. Компактен по размер, най-малкият полупроводников охлаждащ модул е само няколко кубични сантиметра, което го прави лесен за вграждане в малки устройства. Той е лек, обикновено само 1/5 до 1/3 от традиционните хладилни компоненти, което го прави много подходящ за преносими сценарии. И не използва хладилни агенти като фреон, което е екологично чисто и в съответствие с тенденцията за екологична защита на околната среда.
II. Проникване въз основа на сценарий: „Етапът на приложение“ на полупроводниковите охладители
С характеристиките на „малки, тихи и зелени“, полупроводниковите охладители играят значителна роля в сценарии, при които традиционните хладилни технологии са трудни за покриване. Обхватът на тяхното приложение непрекъснато се разширява, от потребителска електроника до промишлено производство и дори до медицински и здравни грижи.
В областта на потребителската електроника полупроводниковите охладители се превърнаха в мощни инструменти за "прецизен контрол на температурата". Днешните телефони за игри и високопроизводителни таблети са склонни да се нагряват, когато изпълняват големи програми, което се отразява на тяхната производителност и експлоатационен живот. Вграденият полупроводников модул за охлаждане може бързо да прехвърли топлината от основните компоненти към външната страна на тялото, постигайки "локално охлаждане" и поддържайки устройството да работи ефективно непрекъснато. В допълнение, мини хладилниците и чашите за охлаждане на автомобили също са типични приложения на полупроводниковите охладители. Тези продукти са с компактни размери, не изискват сложни външни тръбопроводи и могат бързо да се охладят, когато са включени, отговаряйки на нуждите на хората от охлаждане в малки пространства като офиси и коли. Освен това те работят почти без шум и няма да пречат на работата или почивката.
В промишлените и научните изследователски области полупроводниковите охладители, с предимството си на "силна управляемост", са се превърнали в "стабилни помощници" в експерименти и производство. При производството на прецизни инструменти някои оптични компоненти и сензори са изключително чувствителни към температурни промени. Дори малка температурна разлика може да повлияе на точността на измерване. Полупроводниковите охладители могат да контролират температурните колебания в рамките на ±0,1 ℃ чрез система за контрол на температурата със затворен цикъл, осигурявайки стабилна работна среда за оборудването. При научноизследователски експерименти, като краткотрайно съхранение на биологични проби и постоянен контрол на температурата на химичните реакции, полупроводниковите охладители не заемат голямо пространство и могат бързо да постигнат целевата температура, като значително подобряват ефективността на експериментите.
В областта на медицината и здравеопазването, „безопасните и екологични“ характеристики на полупроводниковите охладители ги правят много предпочитани. В преносими медицински устройства като хладилни кутии за инсулин и кутии за трансфер на ваксини, полупроводниковите охладители не изискват хладилни агенти, като се избягват потенциалните рискове от изтичане на традиционното хладилно оборудване. В същото време те могат да поддържат ниски температури чрез изолационни слоеве след прекъсване на захранването, осигурявайки безопасността на лекарствата по време на транспортиране и съхранение. В допълнение, при някои сценарии за лечение с локално охлаждане, като физически охлаждащи пластири и следоперативни локални устройства за студен компрес, полупроводниковите охладители могат прецизно да контролират зоната на охлаждане и температурата, като избягват всякакво въздействие върху околните нормални тъкани и повишават комфорта и безопасността на лечението.
III. Съществуват възможности и предизвикателства: Пътят на развитие на полупроводниковите охладители
Въпреки че полупроводниковите охладители имат значителни предимства, поради техните технически характеристики, все още има някои тесни места, които в момента трябва спешно да бъдат преодолени. Първо, коефициентът на енергийна ефективност е относително нисък - в сравнение с традиционното компресорно охлаждане, когато полупроводниковите хладилници консумират същото количество електрическа енергия, те пренасят по-малко топлина. Особено при сценарии с големи температурни разлики (като температурна разлика между края на охлаждането и околната среда, надвишаваща 50 ℃), разликата в енергийната ефективност е по-очевидна. Това го прави временно трудно за прилагане при сценарии, които изискват широкомащабно охлаждане, като битови климатици и големи хладилни съоръжения. Второ, има проблем с разсейването на топлината - докато полупроводниковият охладител се охлажда, голямо количество топлина се генерира в нагревателния край. Ако тази топлина не може да бъде разсеяна навреме, това не само ще намали ефективността на охлаждане, но също така може да повреди модула поради прекомерна температура. Следователно е необходима ефективна система за разсейване на топлината (като охлаждащи вентилатори и радиатори), което до известна степен увеличава обема и цената на продукта.
Въпреки това, с напредването на технологията на материалите и хладилните процеси, развитието на полупроводниковите охладители обхваща нови възможности. По отношение на материалите, изследователите разработват нови полупроводникови материали (като композити на базата на бисмутов телурид, оксидни полупроводници и т.н.) за непрекъснато подобряване на ефективността на термоелектричното преобразуване на материалите, което се очаква значително да повиши коефициента на енергийна ефективност на полупроводниковите охладители в бъдеще. По отношение на майсторството, развитието на технологиите за миниатюризация и интеграция позволи на полупроводниковите охлаждащи модули да бъдат по-тясно интегрирани с чипове, сензори и други компоненти, като допълнително намалиха размера си и разшириха приложението си в микроустройства. В допълнение, „интегрираната иновация“ с други хладилни технологии също се превърна в нова тенденция – например комбиниране на полупроводниково охлаждане с технология за съхранение на енергия с промяна на фазата, използване на материали с промяна на фазата за абсорбиране на топлина от нагревателния край и намаляване на тежестта върху системата за разсейване на топлината; Или може да се комбинира с традиционно компресорно охлаждане, за да се постигне "прецизно допълнително охлаждане" в местните зони, като по този начин се подобри ефективността на цялостната хладилна система.
Ив. Заключение: Малките модули движат голям пазар: Силата на "диференциацията" на хладилната технология
Полупроводниковите охладители може и да не са "всичко в едно" хладилни решения, но с уникалните си технически характеристики те откриха нови хоризонти в нишови области, които традиционните хладилни технологии трудно могат да достигнат. От „безшумното охлаждане“ на потребителската електроника до „безопасния контрол на температурата“ на медицинското оборудване и след това до „прецизната постоянна температура“ на промишлените изследвания, той отговаря на разнообразните изисквания на хората за охлаждане със своите „малки, но красиви“ предимства.
С непрекъснати технологични пробиви, проблеми като енергийната ефективност и разсейването на топлината на полупроводниковите охладители постепенно ще бъдат решени и сценариите за тяхното приложение също ще се изместят от „ниша“ към „маса“. В бъдеще може да видим повече продукти, оборудвани с полупроводникова хладилна технология – интелигентни носими устройства, които могат да охлаждат бързо и безшумно, малки домакински хладилници, които не изискват хладилни агенти, и интелигентни домашни системи, които могат прецизно да контролират температурата... Тази „студена и гореща магия“ в малко пространство движи хладилната технология към по-ефективно, екологично и интелигентно бъдеще със силата на „диференциацията“.
