De nieuwe ontwikkelingsrichting van de thermo-elektrische koelindustrie

De nieuwe ontwikkelingsrichting van de thermo-elektrische koelindustrie

Thermoelektrische koelers, ook wel thermoelektrische koelmodules genoemd, hebben onvervangbare voordelen in specifieke toepassingsgebieden dankzij eigenschappen zoals het ontbreken van bewegende onderdelen, nauwkeurige temperatuurregeling, compact formaat en hoge betrouwbaarheid. De afgelopen jaren is er geen baanbrekende doorbraak geweest in de basismaterialen op dit gebied, maar er is wel aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van materiaaloptimalisatie, systeemontwerp en uitbreiding van de toepassingsmogelijkheden.

Hieronder volgen enkele belangrijke nieuwe ontwikkelingsrichtingen:

I. Vooruitgang in kernmaterialen en -apparaten

Continue optimalisatie van de prestaties van thermo-elektrische materialen

Optimalisatie van traditionele materialen (op basis van Bi₂Te₃): Bismuttelluriumverbindingen blijven de best presterende materialen bij temperaturen rond kamertemperatuur. Het huidige onderzoek richt zich op het verder verbeteren van hun thermo-elektrische eigenschappen door processen zoals nanoschaling, dotering en texturering. Door bijvoorbeeld nanodraden en superroosterstructuren te produceren om fononverstrooiing te verbeteren en de thermische geleidbaarheid te verlagen, kan de efficiëntie worden verbeterd zonder de elektrische geleidbaarheid significant te beïnvloeden.

Onderzoek naar nieuwe materialen: Hoewel ze nog niet op grote schaal commercieel verkrijgbaar zijn, onderzoeken onderzoekers nieuwe materialen zoals SnSe, Mg₃Sb₂ en CsBi₄Te₆, die mogelijk een groter potentieel hebben dan Bi₂Te₃ in specifieke temperatuurzones, wat de mogelijkheid biedt voor toekomstige prestatieverbeteringen.

Innovatie in apparaatstructuur en integratieproces

Miniaturisatie en integratie: Om te voldoen aan de warmteafvoereisen van micro-apparaten zoals consumentenelektronica (bijvoorbeeld warmteafvoerclips aan de achterkant van mobiele telefoons) en optische communicatieapparaten, wordt het productieproces van micro-TEC (micro-thermoelektrische koelmodules, miniatuur thermo-elektrische modules) steeds geavanceerder. Het is mogelijk om Peltier-modules, Peltier-koelers, Peltier-apparaten en thermo-elektrische apparaten te produceren met een afmeting van slechts 1 × 1 mm of zelfs kleiner, en deze kunnen flexibel in arrays worden geïntegreerd om nauwkeurige lokale koeling te realiseren.

Flexibele TEC-module (Peltier-module): Dit is een opkomend en populair onderwerp. Door gebruik te maken van technologieën zoals geprinte elektronica en flexibele materialen, worden niet-vlakke TEC-modules en Peltier-elementen geproduceerd die gebogen en bevestigd kunnen worden. Dit biedt brede perspectieven op gebieden zoals draagbare elektronische apparaten en lokale biomedische toepassingen (bijvoorbeeld draagbare koude kompressen).

Optimalisatie van de structuur op meerdere niveaus: Voor scenario's die een groter temperatuurverschil vereisen, blijven meertraps TEC-modules de belangrijkste oplossing. De huidige vooruitgang is terug te zien in het structureel ontwerp en de verbindingsprocessen, met als doel de thermische weerstand tussen de niveaus te verminderen, de algehele betrouwbaarheid te verbeteren en het maximale temperatuurverschil te vergroten.

II. Uitbreiding van systeemapplicaties en -oplossingen

Dit is momenteel het meest dynamische vakgebied waar nieuwe ontwikkelingen direct waarneembaar zijn.

De co-evolutie van warmteafvoertechnologie voor hot-ends

De belangrijkste factor die de prestaties van TEC-modules, thermo-elektrische modules en Peltier-modules beperkt, is vaak het warmteafvoervermogen aan de warme kant. De verbetering van de TEC-prestaties wordt versterkt door de ontwikkeling van hoogrenderende koeltechnologie.

Gecombineerd met vacuümkamer-dampkamers/warmtebuizen: In de consumentenelektronica wordt de TEC-module (Target Electrode Compensator) vaak gecombineerd met vacuümkamer-dampkamers. De TEC-module met Peltier-koeler zorgt actief voor een lage temperatuurzone, terwijl de vacuümkamer de warmte efficiënt afvoert van het hete uiteinde van de TEC-module naar de grotere koelvinnen. Zo ontstaat een systeemoplossing van "actieve koeling + efficiënte warmtegeleiding en -afvoer". Dit is een nieuwe trend in koelmodules voor gamingtelefoons en high-end videokaarten.

Gecombineerd met vloeistofkoelsystemen: In toepassingen zoals datacenters en krachtige lasers wordt de TEC-module gecombineerd met vloeistofkoelsystemen. Door gebruik te maken van de extreem hoge soortelijke warmtecapaciteit van vloeistoffen wordt de warmte aan het hete uiteinde van de thermo-elektrische module afgevoerd, waardoor een ongekend efficiënt koelvermogen wordt bereikt.

Intelligente besturing en energie-efficiëntiebeheer

Moderne thermo-elektrische koelsystemen integreren steeds vaker zeer nauwkeurige temperatuursensoren en PID/PWM-regelaars. Door de ingangsstroom/spanning van de thermo-elektrische module, TEC-module en Peltier-module in realtime aan te passen met behulp van algoritmen, kan een temperatuurstabiliteit van ±0,1℃ of zelfs hoger worden bereikt, terwijl overladen en oscillatie worden voorkomen en energie wordt bespaard.

Pulsbedrijfsmodus: Voor sommige toepassingen kan het gebruik van een pulsvoeding in plaats van een continue voeding voldoen aan de onmiddellijke koelbehoefte, terwijl het totale energieverbruik aanzienlijk wordt verlaagd en de warmtebelasting in evenwicht wordt gebracht.

III. Opkomende en snelgroeiende toepassingsgebieden

Warmteafvoer voor consumentenelektronica

Gamingtelefoons en e-sportaccessoires: Dit is een van de grootste groeimarkten voor thermo-elektrische koelmodules (TEC-modules) van de afgelopen jaren. De actieve koelclip aan de achterkant is voorzien van een ingebouwde thermo-elektrische module (TEC-module), die de temperatuur van de SoC van de telefoon direct onder de omgevingstemperatuur kan houden, waardoor een continue hoge prestatie tijdens het gamen gegarandeerd is.

Laptops en desktops: Sommige high-end laptops en grafische kaarten (zoals de referentiekaarten uit de NVIDIA RTX 30/40-serie) zijn begonnen met het integreren van TEC-modules, thermo-elektrische modules, om de koeling van de kernchips te verbeteren.

Optische communicatie en datacenters

5G/6G optische modules: De lasers (DFB/EML) in snelle optische modules zijn extreem gevoelig voor temperatuur en vereisen thermo-elektrische koelers (TEC) voor een nauwkeurige, constante temperatuur (meestal binnen ±0,5 °C) om golflengtestabiliteit en transmissiekwaliteit te garanderen. Naarmate de datasnelheden evolueren naar 800 Gbps en 1,6 Tbps, neemt de vraag naar en de eisen aan TEC-modules, thermo-elektrische modules, Peltier-koelers en Peltier-elementen toe.

Lokale koeling in datacenters: Het focussen op hotspots zoals CPU's en GPU's, met behulp van TEC-modules voor gerichte verbeterde koeling, is een van de onderzoeksrichtingen om de energie-efficiëntie en rekendichtheid in datacenters te verbeteren.

Auto-elektronica

Lidar voor voertuigmontage: De kernlaser van de lidar vereist een stabiele bedrijfstemperatuur. De thermo-elektrische koeler (TEC) is een essentieel onderdeel dat de normale werking garandeert in de zware omstandigheden van een voertuigmontage (-40℃ tot +105℃).

Intelligente cockpits en geavanceerde infotainmentsystemen: Door de snel toenemende rekenkracht van chips in voertuigen, komen de eisen aan warmteafvoer steeds meer overeen met die van consumentenelektronica. Naar verwachting zullen TEC-modules en TE-koelers in toekomstige high-end voertuigmodellen worden toegepast.

Medische en levenswetenschappen

Draagbare medische apparaten zoals PCR-instrumenten en DNA-sequencers vereisen snelle en nauwkeurige temperatuurregeling, en de TEC-peltiermodule is het belangrijkste onderdeel voor temperatuurregeling. De trend van miniaturisatie en draagbaarheid van apparatuur heeft de ontwikkeling van micro- en efficiënte TEC-peltierkoelers gestimuleerd.

Schoonheidsapparaten: Sommige hoogwaardige schoonheidsapparaten maken gebruik van het Peltier-effect (TEC) om nauwkeurige koude- en warmtecompressie te realiseren.

Lucht- en ruimtevaart en bijzondere omgevingen

Koeling van infrarooddetectoren: In militaire, ruimtevaart- en wetenschappelijke onderzoeksomgevingen moeten infrarooddetectoren tot extreem lage temperaturen (zoals onder -80℃) worden gekoeld om ruis te verminderen. Een meertraps TEC-module, een meertraps Peltier-module of een meertraps thermo-elektrische module is een geminiaturiseerde en zeer betrouwbare oplossing om dit doel te bereiken.

Temperatuurregeling van de satellietpayload: Het creëren van een stabiele thermische omgeving voor precisie-instrumenten aan boord van satellieten.

IV. Uitdagingen en toekomstperspectieven

De kernuitdaging: De relatief lage energie-efficiëntie blijft het grootste nadeel van de TEC-peltiermodule (thermoelektrische module) in vergelijking met traditionele compressorkoeling. De efficiëntie van de thermoelektrische koeling is veel lager dan die van de Carnot-cyclus.

Toekomstperspectief

Een doorbraak in materialen is het ultieme doel: als er nieuwe materialen met een thermo-elektrische superioriteitswaarde van 3,0 of hoger bij kamertemperatuur ontdekt of gesynthetiseerd kunnen worden (momenteel is die van commercieel verkrijgbaar Bi₂Te₃ ongeveer 1,0), zal dat een revolutie in de hele industrie teweegbrengen.

Systeemintegratie en intelligentie: Toekomstige concurrentie zal zich meer richten op de prestaties van individuele thermo-elektrische koelers (TEC's) dan op de mogelijkheden van een totaalsysteemoplossing bestaande uit TEC, warmteafvoer en regeling. De combinatie met AI voor voorspellende temperatuurregeling is ook een veelbelovende ontwikkeling.

Kostenreductie en marktpenetratie: Door de volwassenwording van productieprocessen en grootschalige productie zullen de kosten van TEC naar verwachting verder dalen, waardoor het bedrijf meer middenklasse- en zelfs massamarkten kan betreden.

Samenvattend bevindt de wereldwijde thermo-elektrische koelindustrie zich momenteel in een fase van toepassingsgerichte en gezamenlijke innovatieontwikkeling. Hoewel er geen revolutionaire veranderingen in de basismaterialen hebben plaatsgevonden, verovert de TEC-module, de Peltier-module en de Peltier-koeler dankzij de vooruitgang in de engineeringtechnologie en de diepe integratie met upstream- en downstream-technologieën een onvervangbare positie in een groeiend aantal opkomende en hoogwaardige sectoren, waarmee een sterke vitaliteit wordt aangetoond.