În istoria dezvoltării tehnologiei frigorifice,răcitoare cu semiconductori, cu avantajele lor unice, schimbă în liniște percepția oamenilor despre „refrigerare”. Nu are vuietul compresoarelor traditionale si nu necesita un sistem complex de circulatie a agentului frigorific. Doar profitând de caracteristicile materialelor semiconductoare, poate obține efectul magic de „răcire și încălzire în același timp”, și a apărut în tot mai multe scenarii, devenind o soluție de refrigerare de nișă, dar cu potențial ridicat.
I. Misterul „refrigerării fără zgomot”: principiul de funcționare al răcitoarelor cu semiconductor
Miezul răcitorului cu semiconductor provine din „efectul Peltier” descoperit de fizicianul francez Jean Peltier în 1834. Când două materiale semiconductoare diferite (de obicei de tip N și de tip P) formează o pereche de termocuplu și se aplică un curent continuu, un capăt al perechii de termocuplu absoarbe căldură, în timp ce celălalt capăt eliberează căldură, creând o diferență de temperatură. Această metodă de realizare directă a „transferului de căldură” prin energie electrică, care nu se bazează pe schimbarea de fază a agentului frigorific și nu are părți mecanice în mișcare, este tocmai diferența cheie față de refrigerarea tradițională cu compresor.
Din punct de vedere structural, răcitoarele cu semiconductori sunt de obicei compuse din mai multe seturi de cupluri de semiconductori, substraturi ceramice și electrozi. Substraturile ceramice au atât o conductivitate termică excelentă, cât și proprietăți de izolare. Ele nu numai că pot transfera rapid căldura, ci și pot preveni scurtcircuitele în circuite. Mai multe perechi de termocupluri pot fi aranjate în serie sau paralel. Prin reglarea numărului de perechi și a mărimii curentului trecut, capacitatea de răcire și diferența de temperatură pot fi controlate cu precizie. Când direcția curentului se schimbă, capătul de răcire și cel de încălzire se vor comuta de asemenea în mod corespunzător. Această caracteristică îi permite atât să se răcească, cât și să se încălzească, obținând „utilizare dublă într-o singură mașină”.
În comparație cu refrigerarea tradițională cu compresor, principiul frigiderelor cu semiconductor pare simplu, dar aduce avantaje revoluționare: nu există zgomot generat de funcționarea compresoarelor, iar zgomotul în timpul funcționării poate fi sub 30 de decibeli, apropiindu-se de sunetul ambiental. Compact ca dimensiune, cel mai mic modul de răcire cu semiconductor are doar câțiva centimetri cubi, ceea ce îl face ușor de încorporat în dispozitive mici. Este ușor, de obicei doar 1/5 până la 1/3 din componentele tradiționale de refrigerare, ceea ce îl face foarte potrivit pentru scenarii portabile. Și nu utilizează agenți frigorifici precum Freon, care este ecologic și în conformitate cu tendința de protecție ecologică a mediului.
ii. Penetrarea bazată pe scenarii: „Etapa de aplicare” a răcitoarelor cu semiconductor
Cu caracteristicile de „mic, silențios și verde”, răcitoarele cu semiconductor joacă un rol semnificativ în scenariile în care tehnologiile tradiționale de refrigerare sunt greu de acoperit. Domeniul lor de aplicare se extinde constant, de la electronice de larg consum la producția industrială și chiar la îngrijirea medicală și a sănătății.
În domeniul electronicelor de larg consum, răcitoarele cu semiconductori au devenit instrumente puternice pentru „controlul precis al temperaturii”. Telefoanele de astăzi pentru jocuri și tabletele de înaltă performanță tind să se încălzească atunci când rulează programe mari, ceea ce le afectează performanța și durata de viață. Modulul de răcire cu semiconductor încorporat poate transfera rapid căldura de la componentele de bază către exteriorul corpului, realizând „răcire locală” și menținând dispozitivul să funcționeze eficient în mod continuu. În plus, mini-frigidere și pahare de răcire pentru mașini sunt, de asemenea, aplicații tipice ale răcitoarelor cu semiconductor. Aceste produse au dimensiuni compacte, nu necesită conducte externe complexe și se pot răci rapid atunci când sunt conectate la priză, satisfacând nevoile de răcire ale oamenilor în spații mici, cum ar fi birouri și mașini. În plus, funcționează aproape fără zgomot și nu vor deranja munca sau odihna.
În domeniile cercetării industriale și științifice, răcitoarele cu semiconductori, cu avantajul lor de „controlabilitate puternică”, au devenit „asistenți stabili” în experimente și producție. În fabricarea instrumentelor de precizie, unele componente optice și senzori sunt extrem de sensibili la schimbările de temperatură. Chiar și o mică diferență de temperatură poate afecta precizia măsurării. Răcitoarele cu semiconductori pot controla fluctuațiile de temperatură cu ± 0,1 ℃ printr-un sistem de control al temperaturii în buclă închisă, oferind un mediu de lucru stabil pentru echipament. În experimentele de cercetare științifică, cum ar fi conservarea pe termen scurt a probelor biologice și controlul constant al temperaturii reacțiilor chimice, răcitoarele cu semiconductori nu ocupă o cantitate mare de spațiu și pot atinge rapid temperatura țintă, îmbunătățind foarte mult eficiența experimentelor.
În domeniul medical și al îngrijirii sănătății, caracteristicile „sigure și ecologice” ale răcitorilor cu semiconductori le-au făcut foarte favorizate. În dispozitivele medicale portabile, cum ar fi cutiile frigorifice cu insulină și cutiile de transfer de vaccin, răcitoarele cu semiconductori nu necesită agenți frigorifici, evitând riscurile potențiale de scurgeri ale echipamentelor de refrigerare tradiționale. În același timp, pot menține temperaturi scăzute prin straturi de izolație după pană de curent, asigurând siguranța medicamentelor în timpul transportului și depozitării. În plus, în unele scenarii de tratament local de răcire, cum ar fi plasturi de răcire fizică și dispozitive de compresie la rece locale postoperatorii, răcitoarele cu semiconductori pot controla cu precizie zona de răcire și temperatura, evitând orice impact asupra țesuturilor normale din jur și sporind confortul și siguranța tratamentului.
iii. Oportunitățile și provocările coexistă: calea de dezvoltare a răcitorilor cu semiconductori
Deși răcitoarele cu semiconductori au avantaje semnificative, datorită caracteristicilor lor tehnice, există încă unele blocaje care trebuie depășite urgent în prezent. În primul rând, raportul de eficiență energetică este relativ scăzut - în comparație cu refrigerarea tradițională cu compresor, atunci când frigiderele cu semiconductori consumă aceeași cantitate de energie electrică, transferă mai puțină căldură. În special în scenariile cu diferențe mari de temperatură (cum ar fi o diferență de temperatură între capătul de refrigerare și mediu care depășește 50℃), diferența de performanță a eficienței energetice este mai evidentă. Acest lucru face temporar dificilă aplicarea scenariilor care necesită refrigerare pe scară largă, cum ar fi aparatele de aer condiționat de uz casnic și instalațiile mari de depozitare la rece. În al doilea rând, există problema disipării căldurii - în timp ce răcitorul cu semiconductor se răcește, la capătul de încălzire este generată o cantitate mare de căldură. Dacă această căldură nu poate fi disipată la timp, nu numai că va reduce eficiența răcirii, ci și poate deteriora modulul din cauza temperaturii excesive. Prin urmare, este necesar un sistem eficient de disipare a căldurii (cum ar fi ventilatoare de răcire și radiatoare), care într-o oarecare măsură crește volumul și costul produsului.
Cu toate acestea, odată cu progresul tehnologiei materialelor și al proceselor de refrigerare, dezvoltarea răcitoarelor cu semiconductori îmbrățișează noi oportunități. În ceea ce privește materialele, cercetătorii au dezvoltat noi materiale semiconductoare (cum ar fi compozite pe bază de telurură de bismut, semiconductori de oxid etc.) pentru a îmbunătăți continuu eficiența conversiei termoelectrice a materialelor, ceea ce este de așteptat să crească semnificativ raportul de eficiență energetică a răcitorilor cu semiconductori în viitor. În ceea ce privește măiestria, dezvoltarea tehnologiilor de miniaturizare și integrare a permis ca modulele de răcire cu semiconductori să fie mai strâns integrate cu cipuri, senzori și alte componente, reducându-le și mai mult dimensiunea și extinzându-le aplicația în micro-dispozitive. În plus, „inovația integrată” cu alte tehnologii de refrigerare a devenit, de asemenea, o nouă tendință - de exemplu, combinarea refrigerarii semiconductoare cu tehnologia de stocare a energiei cu schimbare de fază, utilizarea materialelor cu schimbare de fază pentru a absorbi căldura de la capătul de încălzire și reducerea sarcinii asupra sistemului de disipare a căldurii; Sau poate fi combinat cu refrigerarea tradițională cu compresor pentru a obține „răcire suplimentară precisă” în zonele locale, sporind astfel eficiența întregului sistem de refrigerare.
IV. Concluzie: modulele mici conduc o piață mare: puterea de „diferențiere” a tehnologiei frigorifice
Semiconductor coolers may not be "all-in-one" refrigeration solutions, but with their unique technical features, they have opened up new horizons in niche areas that traditional refrigeration technologies find hard to reach. De la „răcirea silențioasă” a electronicelor de larg consum până la „controlul sigur al temperaturii” a echipamentelor medicale și apoi la „temperatura constantă precisă” a cercetării industriale, a satisfăcut cerințele diversificate ale oamenilor pentru refrigerare cu avantajele sale „mici, dar frumoase”.
Cu progrese tehnologice continue, probleme precum eficiența energetică și disiparea căldurii a răcitorilor cu semiconductori vor fi rezolvate treptat, iar scenariile lor de aplicare se vor schimba, de asemenea, de la „nișă” la „masă”. În viitor, s-ar putea să vedem mai multe produse echipate cu tehnologie de refrigerare cu semiconductor - dispozitive inteligente care se pot răci rapid și fără zgomot, frigidere mici de uz casnic care nu necesită agenți frigorifici și sisteme inteligente de casă care pot controla cu precizie temperatura... Această „magie rece și fierbinte” într-un spațiu mic conduce tehnologia frigorifică către un viitor mai eficient, prietenos cu mediul și inteligent, cu puterea „diferențierii”.
