การพัฒนาและการประยุกต์ใช้หน่วยทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกและระบบทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริก

ชุดทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริก หรือตัวทำความเย็นแบบเพลเทียร์ (หรือที่รู้จักกันในชื่อส่วนประกอบทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริก) เป็นอุปกรณ์ทำความเย็นแบบโซลิดสเตทที่ใช้หลักการของปรากฏการณ์เพลเทียร์ มีข้อดีคือไม่มีการเคลื่อนไหวทางกล ไม่ต้องใช้สารทำความเย็น ขนาดเล็ก ตอบสนองเร็ว และควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค การดูแลทางการแพทย์ ยานยนต์ และสาขาอื่นๆ ได้ขยายตัวอย่างต่อเนื่อง

I. หลักการพื้นฐานของระบบทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกและส่วนประกอบต่างๆ

หัวใจสำคัญของการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกคือปรากฏการณ์เพลเทียร์: เมื่อวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองชนิดที่แตกต่างกัน (ชนิด P และชนิด N) ประกอบกันเป็นคู่เทอร์โมคัปเปิล และมีการจ่ายกระแสตรงเข้าไป ปลายด้านหนึ่งของคู่เทอร์โมคัปเปิลจะดูดซับความร้อน (ปลายทำความเย็น) และปลายอีกด้านหนึ่งจะปล่อยความร้อนออกมา (ปลายระบายความร้อน) โดยการเปลี่ยนทิศทางของกระแสไฟฟ้า สามารถสลับปลายทำความเย็นและปลายระบายความร้อนได้

ประสิทธิภาพการระบายความร้อนขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์หลักสามประการ ได้แก่:

ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพทางเทอร์โมอิเล็กทริก (ค่า ZT): เป็นตัวบ่งชี้สำคัญในการประเมินประสิทธิภาพของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก ยิ่งค่า ZT สูง ประสิทธิภาพการทำความเย็นก็จะยิ่งสูงขึ้น

ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายด้านร้อนและด้านเย็น: ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ปลายด้านการระบายความร้อนโดยตรงจะกำหนดความสามารถในการระบายความร้อนที่ปลายด้านเย็น หากการระบายความร้อนไม่ราบรื่น ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายด้านร้อนและด้านเย็นจะแคบลง และประสิทธิภาพการระบายความร้อนจะลดลงอย่างมาก

กระแสไฟฟ้าขณะทำงาน: ภายในช่วงที่กำหนด การเพิ่มกระแสไฟฟ้าจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการระบายความร้อน อย่างไรก็ตาม เมื่อเกินขีดจำกัด ประสิทธิภาพจะลดลงเนื่องจากความร้อนจูลที่เพิ่มขึ้น

II. ประวัติการพัฒนาและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของระบบทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก (ระบบทำความเย็นเพลเทียร์)

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนาชิ้นส่วนทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกได้มุ่งเน้นไปที่สองทิศทางหลัก ได้แก่ นวัตกรรมด้านวัสดุและการปรับปรุงโครงสร้างให้เหมาะสมที่สุด

การวิจัยและพัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกประสิทธิภาพสูง

ค่า ZT ของวัสดุ Bi₂Te₃ แบบดั้งเดิมได้รับการเพิ่มขึ้นเป็น 1.2-1.5 ผ่านการเติมสารเจือปน (เช่น Sb, Se) และการปรับปรุงคุณภาพระดับนาโน

วัสดุใหม่ เช่น ตะกั่วเทลลูไรด์ (PbTe) และโลหะผสมซิลิคอน-เจอร์มาเนียม (SiGe) มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในสภาวะอุณหภูมิปานกลางและสูง (200 ถึง 500℃)

คาดว่าวัสดุใหม่ๆ เช่น วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกคอมโพสิตอินทรีย์-อนินทรีย์ และฉนวนเชิงทอพอโลยี จะช่วยลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพได้มากยิ่งขึ้น

การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างส่วนประกอบ

การออกแบบเพื่อการย่อส่วน: เตรียมเทอร์โมไพล์ขนาดไมครอนโดยใช้เทคโนโลยี MEMS (ระบบไมโครอิเล็กโทรเมคานิกส์) เพื่อตอบสนองความต้องการด้านการย่อส่วนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

การประกอบแบบโมดูลาร์: เชื่อมต่อหน่วยเทอร์โมอิเล็กทริกหลายหน่วยเข้าด้วยกันแบบอนุกรมหรือขนาน เพื่อสร้างโมดูลทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกกำลังสูง อุปกรณ์ทำความเย็นแบบเพลเทียร์ และอุปกรณ์อื่นๆ ที่ตรงตามข้อกำหนดการทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกระดับอุตสาหกรรม

โครงสร้างระบายความร้อนแบบบูรณาการ: ผสานครีบระบายความร้อนเข้ากับครีบกระจายความร้อนและท่อส่งความร้อน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนและลดปริมาตรโดยรวม

III. ตัวอย่างการใช้งานทั่วไปของหน่วยทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกและส่วนประกอบทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริก

ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของชุดทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกอยู่ที่ลักษณะที่เป็นโซลิดสเตท การทำงานที่เงียบ และการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ ดังนั้นจึงมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในสถานการณ์ที่คอมเพรสเซอร์ไม่เหมาะสมสำหรับการทำความเย็น

ในด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

การระบายความร้อนของโทรศัพท์มือถือ: โทรศัพท์เกมมิ่งระดับไฮเอนด์ติดตั้งโมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกขนาดเล็ก โมดูล TEC อุปกรณ์เพลเทียร์ และโมดูลเพลเทียร์ ซึ่งเมื่อรวมกับระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว จะสามารถลดอุณหภูมิของชิปได้อย่างรวดเร็ว ป้องกันการลดความถี่เนื่องจากความร้อนสูงเกินไปขณะเล่นเกม

ตู้เย็นติดรถยนต์: ตู้เย็นติดรถยนต์ขนาดเล็กส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีการทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริก ซึ่งรวมฟังก์ชั่นการทำความเย็นและการทำความร้อนเข้าด้วยกัน (การทำความร้อนสามารถทำได้โดยการสลับทิศทางกระแสไฟฟ้า) มีขนาดเล็ก ใช้พลังงานต่ำ และใช้งานร่วมกับแหล่งจ่ายไฟ 12V ของรถยนต์ได้

แก้วเก็บความเย็น/แก้วฉนวนกันความร้อน: แก้วเก็บความเย็นแบบพกพานี้มาพร้อมกับแผ่นทำความเย็นขนาดเล็กในตัว ซึ่งสามารถลดอุณหภูมิของเครื่องดื่มได้อย่างรวดเร็วถึง 5-15 องศาเซลเซียส โดยไม่ต้องพึ่งตู้เย็น

2. สาขาการแพทย์และชีววิทยา

อุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ เช่น เครื่องมือ PCR (เครื่องมือปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส) และตู้แช่เลือด จำเป็นต้องใช้สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำและคงที่ ชิ้นส่วนทำความเย็นแบบเซมิคอนดักเตอร์สามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำภายใน ±0.1℃ และไม่มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของสารทำความเย็น

อุปกรณ์ทางการแพทย์แบบพกพา: เช่น กล่องเก็บความเย็นสำหรับอินซูลิน ซึ่งมีขนาดเล็กและมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนาน เหมาะสำหรับผู้ป่วยเบาหวานพกพาติดตัวไปเมื่อออกไปข้างนอก เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิในการเก็บรักษาอินซูลิน

การควบคุมอุณหภูมิของอุปกรณ์เลเซอร์: ส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์รักษาด้วยเลเซอร์ทางการแพทย์ (เช่น เลเซอร์) มีความไวต่ออุณหภูมิ และส่วนประกอบระบายความร้อนแบบเซมิคอนดักเตอร์สามารถระบายความร้อนได้แบบเรียลไทม์ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ทำงานได้อย่างเสถียร

3. สาขาอุตสาหกรรมและการบินและอวกาศ

อุปกรณ์ทำความเย็นขนาดเล็กสำหรับอุตสาหกรรม: เช่น ห้องทดสอบการเสื่อมสภาพของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และอ่างควบคุมอุณหภูมิคงที่สำหรับเครื่องมือวัดความแม่นยำ ซึ่งต้องการสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำเฉพาะจุด หน่วยทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริก และชิ้นส่วนเทอร์โมอิเล็กทริก สามารถปรับแต่งกำลังการทำความเย็นได้ตามต้องการ

อุปกรณ์ด้านอวกาศ: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานอวกาศระบายความร้อนได้ยากในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ระบบระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก หน่วยระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก และส่วนประกอบเทอร์โมอิเล็กทริก ซึ่งเป็นอุปกรณ์โซลิดสเตท มีความน่าเชื่อถือสูงและปราศจากการสั่นสะเทือน จึงสามารถใช้ควบคุมอุณหภูมิของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในดาวเทียมและสถานีอวกาศได้

4. สถานการณ์อื่นๆ ที่กำลังเกิดขึ้น

อุปกรณ์สวมใส่: หมวกและชุดระบายความร้อนอัจฉริยะ ที่มีแผ่นระบายความร้อนแบบเทอร์โมอิเล็กทริกยืดหยุ่นในตัว สามารถให้ความเย็นเฉพาะที่แก่ร่างกายมนุษย์ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง และเหมาะสำหรับผู้ทำงานกลางแจ้ง

โลจิสติกส์ห่วงโซ่ความเย็น: กล่องบรรจุภัณฑ์ห่วงโซ่ความเย็นขนาดเล็กที่ใช้พลังงานจากการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก การทำความเย็นด้วยเพลเทียร์ และแบตเตอรี่ สามารถใช้สำหรับการขนส่งวัคซีนและผลผลิตสดในระยะทางสั้นๆ โดยไม่ต้องพึ่งพารถบรรทุกแช่เย็นขนาดใหญ่

IV. ข้อจำกัดและแนวโน้มการพัฒนาของหน่วยทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกและส่วนประกอบทำความเย็นเพลเทียร์

ข้อจำกัดที่มีอยู่

ประสิทธิภาพการทำความเย็นค่อนข้างต่ำ: อัตราส่วนประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (COP) โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.3 ถึง 0.8 ซึ่งต่ำกว่าการทำความเย็นด้วยคอมเพรสเซอร์มาก (COP สามารถสูงถึง 2 ถึง 5) และไม่เหมาะสมสำหรับสถานการณ์การทำความเย็นขนาดใหญ่และกำลังการผลิตสูง

ข้อกำหนดการระบายความร้อนสูง: หากความร้อนที่ปลายด้านระบายความร้อนไม่สามารถระบายออกได้ทันเวลา จะส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อน ดังนั้นจึงต้องติดตั้งระบบระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งจำกัดการใช้งานในบางกรณีที่มีขนาดกะทัดรัด

ต้นทุนสูง: ต้นทุนการเตรียมวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกประสิทธิภาพสูง (เช่น Bi₂Te₃ ที่เติมสารนาโน) สูงกว่าวัสดุทำความเย็นแบบดั้งเดิม ส่งผลให้ชิ้นส่วนระดับไฮเอนด์มีราคาค่อนข้างสูง

2. แนวโน้มการพัฒนาในอนาคต

ความก้าวหน้าทางด้านวัสดุ: พัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกต้นทุนต่ำที่มีค่า ZT สูง โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มค่า ZT ที่อุณหภูมิห้องให้สูงกว่า 2.0 และลดช่องว่างด้านประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับการทำความเย็นด้วยคอมเพรสเซอร์

ความยืดหยุ่นและการบูรณาการ: พัฒนาโมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกแบบยืดหยุ่น โมดูล TEC โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก อุปกรณ์เพลเทียร์ โมดูลเพลเทียร์ และตัวระบายความร้อนเพลเทียร์ เพื่อให้สามารถปรับใช้กับอุปกรณ์ที่มีพื้นผิวโค้ง (เช่น โทรศัพท์มือถือหน้าจอยืดหยุ่นและอุปกรณ์สวมใส่แบบอัจฉริยะ) ส่งเสริมการบูรณาการส่วนประกอบระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกเข้ากับชิปและเซ็นเซอร์ เพื่อให้บรรลุ "การควบคุมอุณหภูมิระดับชิป"

การออกแบบเพื่อประหยัดพลังงาน: ด้วยการผสานรวมเทคโนโลยี Internet of Things (IoT) ทำให้สามารถเริ่ม-หยุดการทำงานและควบคุมกำลังไฟของส่วนประกอบระบายความร้อนได้อย่างชาญฉลาด ช่วยลดการใช้พลังงานโดยรวม

5. สรุป

หน่วยทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริก หน่วยทำความเย็นแบบเพลเทียร์ และระบบทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริก ด้วยข้อดีเฉพาะตัวที่เป็นโซลิดสเตท เงียบ และควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำ จึงมีบทบาทสำคัญในด้านต่างๆ เช่น เครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภค การดูแลทางการแพทย์ และอวกาศ ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกและการออกแบบโครงสร้าง ปัญหาเรื่องประสิทธิภาพการทำความเย็นและต้นทุนจะค่อยๆ ดีขึ้น และคาดว่าจะเข้ามาแทนที่เทคโนโลยีการทำความเย็นแบบดั้งเดิมในสถานการณ์เฉพาะต่างๆ มากขึ้นในอนาคต