Le unità di raffreddamento termoelettriche, i raffreddatori Peltier (noti anche come componenti di raffreddamento termoelettrici) sono dispositivi di raffreddamento a stato solido basati sull'effetto Peltier. Presentano i vantaggi di assenza di movimento meccanico, assenza di refrigerante, dimensioni ridotte, risposta rapida e controllo preciso della temperatura. Negli ultimi anni, le loro applicazioni nell'elettronica di consumo, nell'assistenza medica, nell'automobile e in altri settori hanno continuato a espandersi.
I. Principi fondamentali del sistema di raffreddamento termoelettrico e dei componenti
Il fulcro del raffreddamento termoelettrico è l'effetto Peltier: quando due diversi materiali semiconduttori (di tipo P e di tipo N) formano una coppia di termocoppie e viene applicata una corrente continua, un'estremità della coppia di termocoppie assorbe calore (estremità di raffreddamento) e l'altra estremità rilascia calore (estremità di dissipazione del calore). Cambiando la direzione della corrente, l'estremità di raffreddamento e quella di dissipazione del calore possono essere scambiate.
Le sue prestazioni di raffreddamento dipendono principalmente da tre parametri fondamentali:
Coefficiente di merito termoelettrico (valore ZT): è un indicatore chiave per valutare le prestazioni dei materiali termoelettrici. Maggiore è il valore ZT, maggiore è l'efficienza di raffreddamento.
Differenza di temperatura tra l'estremità calda e quella fredda: l'effetto di dissipazione del calore all'estremità di dissipazione del calore determina direttamente la capacità di raffreddamento all'estremità di raffreddamento. Se la dissipazione del calore non è uniforme, la differenza di temperatura tra l'estremità calda e quella fredda si ridurrà e l'efficienza di raffreddamento diminuirà drasticamente.
Corrente di lavoro: entro l'intervallo nominale, un aumento della corrente aumenta la capacità di raffreddamento. Tuttavia, una volta superata la soglia, l'efficienza diminuisce a causa dell'aumento del calore Joule.
II La storia dello sviluppo e le innovazioni tecnologiche delle unità di raffreddamento termoelettriche (sistema di raffreddamento Peltier)
Negli ultimi anni, lo sviluppo di componenti di raffreddamento termoelettrici si è concentrato su due direzioni principali: innovazione dei materiali e ottimizzazione strutturale.
Ricerca e sviluppo di materiali termoelettrici ad alte prestazioni
Il valore ZT dei materiali tradizionali a base di Bi₂Te₃ è stato aumentato a 1,2-1,5 tramite drogaggio (ad esempio Sb, Se) e trattamento su scala nanometrica.
Nuovi materiali come il tellururo di piombo (PbTe) e la lega silicio-germanio (SiGe) offrono prestazioni eccezionali in scenari a temperatura media e alta (da 200 a 500 °C).
Si prevede che nuovi materiali, come i materiali termoelettrici compositi organico-inorganici e gli isolanti topologici, ridurranno ulteriormente i costi e miglioreranno l'efficienza.
Ottimizzazione della struttura dei componenti
Progettazione della miniaturizzazione: preparare termopile su scala micrometrica mediante la tecnologia MEMS (sistemi microelettromeccanici) per soddisfare i requisiti di miniaturizzazione dell'elettronica di consumo.
Integrazione modulare: collega più unità termoelettriche in serie o in parallelo per formare moduli di raffreddamento termoelettrici ad alta potenza, refrigeratori Peltier, dispositivi Peltier, soddisfacendo i requisiti di raffreddamento termoelettrico di livello industriale.
Struttura di dissipazione del calore integrata: integra le alette di raffreddamento con le alette di dissipazione del calore e i tubi di calore per migliorare l'efficienza di dissipazione del calore e ridurre il volume complessivo.
III Scenari applicativi tipici delle unità di raffreddamento termoelettrico, componenti di raffreddamento termoelettrico
Il principale vantaggio dei gruppi di raffreddamento termoelettrici risiede nella loro natura allo stato solido, nel funzionamento silenzioso e nel controllo preciso della temperatura. Pertanto, svolgono un ruolo insostituibile in scenari in cui i compressori non sono adatti al raffreddamento.
Nel campo dell'elettronica di consumo
Dissipazione del calore del telefono cellulare: i telefoni da gaming di fascia alta sono dotati di moduli di raffreddamento microtermoelettrici, moduli TEC, dispositivi Peltier, moduli Peltier, che, in combinazione con sistemi di raffreddamento a liquido, possono abbassare rapidamente la temperatura del chip, prevenendo la riduzione della frequenza dovuta al surriscaldamento durante il gioco.
Frigoriferi per auto, Refrigeratori per auto: i piccoli frigoriferi per auto adottano principalmente la tecnologia di raffreddamento termoelettrica, che combina le funzioni di raffreddamento e riscaldamento (il riscaldamento può essere ottenuto invertendo la direzione della corrente). Sono di piccole dimensioni, a basso consumo energetico e compatibili con l'alimentazione a 12 V di un'auto.
Tazza refrigerante per bevande/tazza termica: la tazza refrigerante portatile è dotata di una piastra di microraffreddamento integrata, che può raffreddare rapidamente le bevande fino a 5-15 gradi Celsius senza dover ricorrere al frigorifero.
2. Campi medici e biologici
Apparecchiature per il controllo preciso della temperatura: come gli strumenti per PCR (reazione a catena della polimerasi) e i frigoriferi per il sangue, richiedono un ambiente stabile a bassa temperatura. I componenti di refrigerazione a semiconduttore possono raggiungere un controllo preciso della temperatura entro ±0,1 °C e non vi è alcun rischio di contaminazione del refrigerante.
Dispositivi medici portatili: come le scatole di refrigerazione per insulina, di piccole dimensioni e dotate di una batteria a lunga durata, sono adatte ai pazienti diabetici che le portano con sé quando escono, garantendo la temperatura di conservazione dell'insulina.
Controllo della temperatura delle apparecchiature laser: i componenti principali dei dispositivi per trattamenti laser medicali (come i laser) sono sensibili alla temperatura e i componenti di raffreddamento dei semiconduttori possono dissipare il calore in tempo reale per garantire il funzionamento stabile dell'apparecchiatura.
3. Settori industriale e aerospaziale
Apparecchiature di refrigerazione industriali su piccola scala: come camere di prova per l'invecchiamento dei componenti elettronici e bagni a temperatura costante per strumenti di precisione, che richiedono un ambiente locale a bassa temperatura, unità di raffreddamento termoelettriche, i componenti termoelettrici possono essere personalizzati con potenza di refrigerazione in base alle esigenze.
Apparecchiature aerospaziali: i dispositivi elettronici nei veicoli spaziali hanno difficoltà a dissipare il calore in un ambiente sotto vuoto. I sistemi di raffreddamento termoelettrici, le unità di raffreddamento termoelettriche e i componenti termoelettrici, come i dispositivi a stato solido, sono altamente affidabili e privi di vibrazioni e possono essere utilizzati per il controllo della temperatura delle apparecchiature elettroniche nei satelliti e nelle stazioni spaziali.
4. Altri scenari emergenti
Dispositivi indossabili: caschi e tute refrigeranti intelligenti, dotati di piastre di raffreddamento termoelettriche flessibili integrate, possono fornire raffreddamento locale al corpo umano in ambienti ad alta temperatura e sono adatti ai lavoratori all'aperto.
Logistica della catena del freddo: piccole scatole di imballaggio per la catena del freddo, alimentate da raffreddamento termoelettrico, raffreddamento Peltier e batterie, possono essere utilizzate per il trasporto su brevi distanze di vaccini e prodotti freschi senza dover ricorrere a grandi camion refrigerati.
IV. Limitazioni e tendenze di sviluppo delle unità di raffreddamento termoelettriche, componenti di raffreddamento Peltier
Limitazioni esistenti
L'efficienza di raffreddamento è relativamente bassa: il suo rapporto di efficienza energetica (COP) è solitamente compreso tra 0,3 e 0,8, molto inferiore a quello del raffreddamento a compressore (il COP può raggiungere valori da 2 a 5) e non è adatto a scenari di raffreddamento su larga scala e ad alta capacità.
Elevati requisiti di dissipazione del calore: se il calore all'estremità di dissipazione non può essere smaltito in tempo, l'effetto di raffreddamento ne risentirà seriamente. Pertanto, è necessario dotarsi di un sistema di dissipazione del calore efficiente, il che ne limita l'applicazione in alcuni scenari compatti.
Costo elevato: il costo di preparazione dei materiali termoelettrici ad alte prestazioni (come il Bi₂Te₃ nano-drogato) è superiore a quello dei materiali di refrigerazione tradizionali, con conseguente prezzo relativamente elevato dei componenti di fascia alta.
2. Tendenze di sviluppo future
Innovazione nei materiali: sviluppare materiali termoelettrici a basso costo e con un elevato valore ZT, con l'obiettivo di aumentare il valore ZT a temperatura ambiente a oltre 2,0 e ridurre il divario di efficienza con la refrigerazione a compressore.
Flessibilità e integrazione: sviluppare moduli di raffreddamento termoelettrico flessibili, moduli TEC, moduli termoelettrici, dispositivi Peltier, moduli Peltier, raffreddatori Peltier, per adattarsi ai dispositivi con superficie curva (come telefoni cellulari con schermo flessibile e dispositivi indossabili intelligenti); promuovere l'integrazione di componenti di raffreddamento termoelettrico con chip e sensori per ottenere un "controllo della temperatura a livello di chip".
Progettazione a risparmio energetico: integrando la tecnologia Internet of Things (IoT), si ottengono l'avvio e l'arresto intelligenti e la regolazione della potenza dei componenti di raffreddamento, riducendo il consumo energetico complessivo.
V. Riepilogo
Le unità di raffreddamento termoelettriche, le unità di raffreddamento Peltier e i sistemi di raffreddamento termoelettrici, con i loro vantaggi unici di essere allo stato solido, silenziosi e con un controllo preciso della temperatura, occupano un posto di rilievo in settori come l'elettronica di consumo, l'assistenza medica e l'aerospaziale. Con il continuo aggiornamento della tecnologia dei materiali termoelettrici e della progettazione strutturale, i problemi di efficienza e costi di raffreddamento miglioreranno gradualmente e si prevede che in futuro sostituiranno la tecnologia di raffreddamento tradizionale in scenari più specifici.
Data di pubblicazione: 12-12-2025
