Thermoelektrische koelunits, Peltier-koelers (ook wel thermoelektrische koelcomponenten genoemd) zijn halfgeleiderkoelapparaten die gebaseerd zijn op het Peltier-effect. Ze hebben als voordelen dat ze geen mechanische beweging, geen koelmiddel, een klein formaat, een snelle respons en een nauwkeurige temperatuurregeling hebben. De laatste jaren is hun toepassing in consumentenelektronica, de medische sector, de automobielindustrie en andere gebieden steeds verder uitgebreid.
I. Kernprincipes van thermo-elektrische koelsystemen en componenten
De kern van thermo-elektrische koeling is het Peltier-effect: wanneer twee verschillende halfgeleidermaterialen (P-type en N-type) een thermokoppelpaar vormen en er een gelijkstroom op wordt aangesloten, absorbeert het ene uiteinde van het thermokoppelpaar warmte (koelzijde) en geeft het andere uiteinde warmte af (warmteafvoerzijde). Door de stroomrichting te veranderen, kunnen de koelzijde en de warmteafvoerzijde worden verwisseld.
De koelprestaties zijn hoofdzakelijk afhankelijk van drie kernparameters:
Thermoelektrische coëfficiënt van verdienste (ZT-waarde): Dit is een belangrijke indicator voor het evalueren van de prestaties van thermoelektrische materialen. Hoe hoger de ZT-waarde, hoe hoger het koelrendement.
Het temperatuurverschil tussen de warme en koude uiteinden: Het warmteafvoereffect aan het warmteafvoerende uiteinde bepaalt direct het koelvermogen aan het koelende uiteinde. Als de warmteafvoer niet gelijkmatig verloopt, zal het temperatuurverschil tussen de warme en koude uiteinden kleiner worden en zal het koelrendement sterk dalen.
Werkstroom: Binnen het nominale bereik verbetert een verhoging van de stroomsterkte het koelvermogen. Zodra deze drempelwaarde echter wordt overschreden, neemt het rendement af als gevolg van een toename van de Joule-warmte.
II. De ontwikkelingsgeschiedenis en technologische doorbraken van thermo-elektrische koelsystemen (Peltier-koelsystemen)
De afgelopen jaren heeft de ontwikkeling van thermo-elektrische koelcomponenten zich gericht op twee belangrijke gebieden: materiaalinnovatie en structurele optimalisatie.
Onderzoek en ontwikkeling van hoogwaardige thermo-elektrische materialen
De ZT-waarde van traditionele Bi₂Te₃-materialen is door middel van dotering (zoals Sb, Se) en nanobehandeling verhoogd tot 1,2-1,5.
Nieuwe materialen zoals loodtelluride (PbTe) en silicium-germaniumlegering (SiGe) presteren uitzonderlijk goed bij middelhoge en hoge temperaturen (200 tot 500℃).
Naar verwachting zullen nieuwe materialen, zoals organisch-anorganische composiet thermo-elektrische materialen en topologische isolatoren, de kosten verder verlagen en de efficiëntie verbeteren.
Optimalisatie van de componentstructuur
Miniaturisatieontwerp: Ontwikkel thermokoppels op micronschaal met behulp van MEMS-technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems) om te voldoen aan de miniaturisatie-eisen van consumentenelektronica.
Modulaire integratie: Verbind meerdere thermo-elektrische eenheden in serie of parallel om krachtige thermo-elektrische koelmodules, Peltier-koelers en Peltier-apparaten te vormen die voldoen aan de industriële eisen voor thermo-elektrische koeling.
Geïntegreerde warmteafvoerstructuur: De koelvinnen zijn geïntegreerd met de warmteafvoervinnen en warmtebuizen om de warmteafvoerefficiëntie te verbeteren en het totale volume te verkleinen.
III. Typische toepassingsscenario's van thermo-elektrische koeleenheden en thermo-elektrische koelcomponenten
Het grootste voordeel van thermo-elektrische koelsystemen ligt in hun solid-state karakter, geluidsarme werking en nauwkeurige temperatuurregeling. Daardoor zijn ze onmisbaar in situaties waar compressoren niet geschikt zijn voor koeling.
Op het gebied van consumentenelektronica
Warmteafvoer in mobiele telefoons: Hoogwaardige gamingtelefoons zijn uitgerust met micro-thermoelektrische koelmodules (TEC-modules, Peltier-elementen) die, in combinatie met vloeistofkoelsystemen, de chiptemperatuur snel kunnen verlagen en frequentieverlaging door oververhitting tijdens het gamen voorkomen.
Autokoelkasten, autokoelers: Kleine autokoelkasten maken meestal gebruik van thermo-elektrische koeltechnologie, die koel- en verwarmingsfuncties combineert (verwarming kan worden bereikt door de stroomrichting om te keren). Ze zijn klein van formaat, verbruiken weinig energie en zijn compatibel met de 12V-voeding van een auto.
Koelbeker/geïsoleerde beker voor drankjes: De draagbare koelbeker is voorzien van een ingebouwde microkoelplaat, waarmee drankjes snel tot 5 tot 15 graden Celsius kunnen worden afgekoeld zonder dat een koelkast nodig is.
2. Medische en biologische vakgebieden
Nauwkeurige temperatuurregeling is essentieel voor apparatuur zoals PCR-instrumenten (polymerasekettingreactie-instrumenten) en bloedkoelkasten, die een stabiele lage temperatuur vereisen. Halfgeleiderkoelcomponenten kunnen een nauwkeurige temperatuurregeling tot op ±0,1℃ bereiken, zonder risico op verontreiniging van het koelmiddel.
Draagbare medische apparaten, zoals insulinekoelboxen, zijn klein van formaat en hebben een lange batterijduur. Deze zijn geschikt voor diabetespatiënten om mee te nemen wanneer ze de deur uitgaan, zodat de insuline op de juiste temperatuur bewaard blijft.
Temperatuurregeling van laserapparatuur: De kerncomponenten van medische laserbehandelingsapparaten (zoals lasers) zijn temperatuurgevoelig. Halfgeleiderkoelingscomponenten kunnen de warmte in realtime afvoeren om de stabiele werking van de apparatuur te garanderen.
3. Industriële en ruimtevaartsector
Industriële koelapparatuur op kleine schaal: zoals verouderingstestkamers voor elektronische componenten en temperatuurbaden voor precisie-instrumenten, die een lokale lage temperatuur vereisen, thermo-elektrische koelunits. Thermo-elektrische componenten kunnen naar behoefte worden aangepast met het gewenste koelvermogen.
Ruimtevaartapparatuur: Elektronische apparaten in ruimtevaartuigen hebben moeite met het afvoeren van warmte in een vacuümomgeving. Thermoelektrische koelsystemen, thermoelektrische koeleenheden en thermoelektrische componenten, als halfgeleiderapparaten, zijn zeer betrouwbaar en trillingsvrij en kunnen worden gebruikt voor temperatuurregeling van elektronische apparatuur in satellieten en ruimtestations.
4. Andere opkomende scenario's
Draagbare apparaten: Slimme koelhelmen en koelpakken, met ingebouwde flexibele thermo-elektrische koelplaten, kunnen het menselijk lichaam plaatselijk koelen in omgevingen met hoge temperaturen en zijn geschikt voor buitenwerkers.
Koelketenlogistiek: Kleine koelketenverpakkingen, aangedreven door thermo-elektrische koeling, Peltier-koeling en batterijen, kunnen worden gebruikt voor het transport van vaccins en verse producten over korte afstanden, zonder dat daarvoor grote koelwagens nodig zijn.
IV. Beperkingen en ontwikkelingstrends van thermo-elektrische koeleenheden en Peltier-koelcomponenten
Bestaande beperkingen
Het koelrendement is relatief laag: de energie-efficiëntieverhouding (COP) ligt meestal tussen 0,3 en 0,8, wat veel lager is dan die van compressorkoeling (COP kan oplopen tot 2 à 5), en is daarom niet geschikt voor grootschalige koeltoepassingen met een hoge capaciteit.
Hoge eisen aan warmteafvoer: Als de warmte aan de warmteafvoerzijde niet tijdig kan worden afgevoerd, zal dit het koeleffect ernstig beïnvloeden. Daarom moet het apparaat zijn uitgerust met een efficiënt warmteafvoersysteem, wat de toepassing in sommige compacte omgevingen beperkt.
Hoge kosten: De productiekosten van hoogwaardige thermo-elektrische materialen (zoals nanogedoteerd Bi₂Te₃) liggen hoger dan die van traditionele koelmaterialen, wat resulteert in een relatief hoge prijs voor hoogwaardige componenten.
2. Toekomstige ontwikkelingstrends
Materiaaldoorbraak: Ontwikkeling van goedkope thermo-elektrische materialen met een hoge ZT-waarde, met als doel de ZT-waarde bij kamertemperatuur te verhogen tot boven de 2,0 en het efficiëntieverschil met compressor-koeling te verkleinen.
Flexibiliteit en integratie: Ontwikkel flexibele thermo-elektrische koelmodules (TEC-modules, thermo-elektrische modules, Peltier-elementen, Peltier-modules, Peltier-koelers) die geschikt zijn voor apparaten met gebogen oppervlakken (zoals mobiele telefoons met flexibele schermen en slimme wearables); bevorder de integratie van thermo-elektrische koelcomponenten met chips en sensoren om temperatuurregeling op chipniveau te realiseren.
Energiebesparend ontwerp: Door de integratie van Internet of Things (IoT)-technologie worden intelligente start-stop- en stroomregeling van de koelcomponenten gerealiseerd, waardoor het totale energieverbruik wordt verlaagd.
V. Samenvatting
Thermoelektrische koelunits, Peltier-koelunits en thermoelektrische koelsystemen, met hun unieke voordelen van solid-state technologie, stilte en nauwkeurige temperatuurregeling, nemen een belangrijke positie in op gebieden zoals consumentenelektronica, medische zorg en de lucht- en ruimtevaart. Door de voortdurende verbetering van de technologie en het structurele ontwerp van thermoelektrische materialen zullen de koelefficiëntie en de kosten geleidelijk verbeteren, en naar verwachting zullen ze in de toekomst in steeds meer specifieke toepassingen traditionele koeltechnologie vervangen.
Geplaatst op: 12 december 2025
