V histórii vývoja chladiacej technikypolovodičové chladiče, so svojimi jedinečnými výhodami potichu menia vnímanie ľudí o „chladení“. Nemá hukot tradičných kompresorov a nevyžaduje zložitý systém cirkulácie chladiva. Len tým, že využije vlastnosti polovodičových materiálov, môže dosiahnuť magický efekt „chladenia a ohrevu súčasne“ a objavuje sa v čoraz väčšom počte scenárov a stáva sa nikým, ale vysoko potenciálnym chladiacim riešením.
I. Tajomstvo "bezhlučného chladenia" : Princíp fungovania polovodičových chladičov
Jadro polovodičového chladiča vzniklo „Peltierovým efektom“, ktorý objavil francúzsky fyzik Jean Peltier v roku 1834. Keď dva rôzne polovodičové materiály (zvyčajne typu N a typu P) vytvoria dvojicu termočlánkov a použije sa jednosmerný prúd, jeden koniec dvojice termočlánkov absorbuje teplo, zatiaľ čo druhý koniec teplo uvoľňuje, čím vzniká teplotný rozdiel. Tento spôsob priameho dosiahnutia „prenosu tepla“ prostredníctvom elektrickej energie, ktorý sa nespolieha na fázovú zmenu chladiva a nemá žiadne mechanické pohyblivé časti, je presne tým kľúčovým rozdielom od tradičného kompresorového chladenia.
Štrukturálne povedané, polovodičové chladiče sa zvyčajne skladajú z viacerých sád polovodičových párov, keramických substrátov a elektród. Keramické podklady majú vynikajúcu tepelnú vodivosť a izolačné vlastnosti. Dokážu nielen rýchlo prenášať teplo, ale aj zabrániť skratom v obvodoch. Viaceré páry termočlánkov môžu byť usporiadané sériovo alebo paralelne. Úpravou počtu párov a veľkosti prechádzajúceho prúdu je možné presne regulovať chladiaci výkon a teplotný rozdiel. Keď sa zmení smer prúdu, zodpovedajúcim spôsobom sa prepne aj koniec chladenia a koniec ohrevu. Táto funkcia umožňuje chladenie aj ohrev, čím sa dosiahne „dvojité použitie v jednom stroji“.
V porovnaní s tradičným kompresorovým chladením sa princíp polovodičových chladničiek javí ako jednoduchý, ale prináša revolučné výhody: prevádzkou kompresorov nevzniká žiadny hluk a hluk počas prevádzky môže byť až pod 30 decibelov, čo sa približuje okolitému zvuku. Najmenší polovodičový chladiaci modul má kompaktnú veľkosť a má len niekoľko kubických centimetrov, čo uľahčuje jeho zabudovanie do malých zariadení. Je ľahký, zvyčajne len 1/5 až 1/3 tradičných chladiacich komponentov, vďaka čomu je veľmi vhodný pre prenosné scenáre. A nepoužíva chladivá ako freón, čo je šetrné k životnému prostrediu a v súlade s trendom zelenej ochrany životného prostredia.
II. Penetrácia založená na scenári: „Fáza aplikácie“ chladičov polovodičov
Vďaka vlastnostiam „malé, tiché a zelené“ zohrávajú polovodičové chladiče významnú úlohu v scenároch, kde je ťažké pokryť tradičné chladiace technológie. Rozsah ich použitia sa neustále rozširuje, od spotrebnej elektroniky cez priemyselnú výrobu až po medicínu a zdravotnú starostlivosť.
V oblasti spotrebnej elektroniky sa polovodičové chladiče stali výkonnými nástrojmi na „presnú reguláciu teploty“. Dnešné herné telefóny a vysokovýkonné tablety majú tendenciu sa pri spustení veľkých programov zahrievať, čo ovplyvňuje ich výkon a životnosť. Vstavaný polovodičový chladiaci modul dokáže rýchlo preniesť teplo z komponentov jadra do vonkajšej časti tela, čím sa dosiahne „miestne chladenie“ a zariadenie bude nepretržite efektívne fungovať. Okrem toho sú minichladničky a chladiace poháre do auta tiež typickými aplikáciami polovodičových chladičov. Tieto produkty majú kompaktnú veľkosť, nevyžadujú zložité externé potrubia a po zapojení sa môžu rýchlo ochladiť, čím spĺňajú požiadavky ľudí na chladenie v malých priestoroch, ako sú kancelárie a autá. Navyše fungujú takmer bez hluku a nebudú rušiť prácu ani odpočinok.
V priemyselných a vedeckovýskumných oblastiach sa polovodičové chladiče s ich výhodou „silnej ovládateľnosti“ stali „stabilnými pomocníkmi“ pri experimentoch a výrobe. Pri výrobe presných prístrojov sú niektoré optické komponenty a senzory mimoriadne citlivé na zmeny teploty. Aj malý teplotný rozdiel môže ovplyvniť presnosť merania. Polovodičové chladiče môžu regulovať kolísanie teploty v rozmedzí ±0,1 ℃ prostredníctvom systému regulácie teploty s uzavretou slučkou, čím poskytujú stabilné pracovné prostredie pre zariadenie. Vo vedeckovýskumných experimentoch, ako je krátkodobé uchovávanie biologických vzoriek a konštantná teplotná kontrola chemických reakcií, polovodičové chladiče nezaberajú veľké množstvo priestoru a môžu rýchlo dosiahnuť cieľovú teplotu, čo výrazne zlepšuje efektivitu experimentov.
V oblasti medicíny a zdravotnej starostlivosti sa polovodičové chladiče stali veľmi obľúbenými vďaka „bezpečným a ekologickým“ vlastnostiam polovodičových chladičov. V prenosných zdravotníckych zariadeniach, ako sú inzulínové chladiace boxy a boxy na prenos vakcín, polovodičové chladiče nevyžadujú chladivá, čím sa vyhýbajú potenciálnemu riziku úniku tradičných chladiacich zariadení. Zároveň môžu udržiavať nízke teploty cez izolačné vrstvy po výpadku prúdu, čím zaisťujú bezpečnosť liekov počas prepravy a skladovania. Okrem toho v niektorých scenároch lokálneho chladenia, ako sú fyzické chladiace náplasti a pooperačné lokálne chladiace zariadenia, môžu polovodičové chladiče presne regulovať chladiacu oblasť a teplotu, čím sa zabráni akémukoľvek vplyvu na okolité normálne tkanivá a zvýši sa pohodlie a bezpečnosť liečby.
III. Príležitosti a výzvy koexistujú: Cesta vývoja polovodičových chladičov
Hoci polovodičové chladiče majú významné výhody, vzhľadom na ich technické vlastnosti, stále existujú určité úzke miesta, ktoré je v súčasnosti potrebné urýchlene prekonať. Po prvé, pomer energetickej účinnosti je relatívne nízky – v porovnaní s tradičným kompresorovým chladením, keď polovodičové chladničky spotrebúvajú rovnaké množstvo elektrickej energie, prenášajú menej tepla. Najmä v scenároch s veľkými teplotnými rozdielmi (ako je teplotný rozdiel medzi chladiacim koncom a prostredím presahujúcim 50 ℃) je rozdiel v energetickej účinnosti zreteľnejší. To dočasne sťažuje aplikáciu na scenáre, ktoré vyžadujú chladenie vo veľkom meradle, ako sú domáce klimatizácie a veľké chladiarenské sklady. Po druhé, je tu otázka odvodu tepla - zatiaľ čo sa chladič polovodiča ochladzuje, na ohrievacom konci sa vytvára veľké množstvo tepla. Ak sa toto teplo nedokáže včas rozptýliť, nielenže to zníži účinnosť chladenia, ale môže tiež poškodiť modul v dôsledku nadmernej teploty. Preto je potrebný účinný systém odvádzania tepla (ako sú chladiace ventilátory a chladiče), ktorý do určitej miery zvyšuje objem a cenu produktu.
S pokrokom v technológii materiálov a chladiacich procesoch však vývoj polovodičových chladičov prináša nové príležitosti. Pokiaľ ide o materiály, výskumníci vyvíjajú nové polovodičové materiály (ako sú kompozity na báze teluridu bizmutu, oxidové polovodiče atď.), aby neustále zvyšovali účinnosť termoelektrickej premeny materiálov, od čoho sa očakáva, že v budúcnosti výrazne zvýši pomer energetickej účinnosti chladičov polovodičov. Čo sa týka remeselného spracovania, vývoj miniaturizačných a integračných technológií umožnil užšiu integráciu polovodičových chladiacich modulov s čipmi, senzormi a ďalšími komponentmi, čím sa ďalej zmenšovala ich veľkosť a rozšírila sa ich aplikácia v mikrozariadeniach. Okrem toho sa novým trendom stala aj „integrovaná inovácia“ s inými chladiacimi technológiami – napríklad kombinovanie polovodičového chladenia s technológiou uchovávania energie s fázovou zmenou, používanie materiálov s fázovou zmenou na absorbovanie tepla z vykurovacieho konca a zníženie zaťaženia systému rozptylu tepla; Alebo ho možno skombinovať s tradičným kompresorovým chladením na dosiahnutie „presného doplnkového chladenia“ v miestnych oblastiach, čím sa zvýši účinnosť celého chladiaceho systému.
Iv. Záver: Malé moduly poháňajú veľký trh: „diferenciačná“ sila chladiacej technológie
Polovodičové chladiče možno nie sú „all-in-one“ chladiacimi riešeniami, no vďaka svojim jedinečným technickým vlastnostiam otvorili nové obzory v okrajových oblastiach, ktoré tradičné chladiace technológie len ťažko dosiahnu. Od „tichého chladenia“ spotrebnej elektroniky po „bezpečnú reguláciu teploty“ medicínskych zariadení a potom až po „presnú konštantnú teplotu“ priemyselného výskumu, svojimi „malými, ale krásnymi“ prednosťami splnil rôznorodé požiadavky ľudí na chladenie.
S neustálymi technologickými objavmi sa postupne vyriešia otázky ako energetická efektívnosť a odvod tepla polovodičových chladičov a ich aplikačné scenáre sa tiež posunú z „výklenku“ na „masový“. V budúcnosti možno uvidíme viac produktov vybavených polovodičovou chladiacou technológiou – inteligentné nositeľné zariadenia, ktoré dokážu rýchlo a bezhlučne vychladnúť, malé domáce chladničky, ktoré nevyžadujú chladivá, a systémy inteligentnej domácnosti, ktoré dokážu presne regulovať teplotu... Táto „studená a horúca mágia“ na malom priestore poháňa chladiacu technológiu smerom k efektívnejšej, ekologickejšej a inteligentnejšej budúcnosti so silou „diferenciácie“.
