La nuova direzione di sviluppo dell'industria del raffreddamento termoelettrico

La nuova direzione di sviluppo dell'industria del raffreddamento termoelettrico

I refrigeratori termoelettrici, noti anche come moduli di raffreddamento termoelettrici, presentano vantaggi insostituibili in specifici settori grazie a caratteristiche quali l'assenza di parti in movimento, il controllo preciso della temperatura, le dimensioni ridotte e l'elevata affidabilità. Negli ultimi anni, non si sono verificate innovazioni rivoluzionarie nei materiali di base in questo campo, ma sono stati compiuti progressi significativi nell'ottimizzazione dei materiali, nella progettazione dei sistemi e nell'espansione delle applicazioni.

Di seguito sono riportate alcune delle principali nuove direzioni di sviluppo:

I. Progressi nei materiali e nei dispositivi di base

Ottimizzazione continua delle prestazioni dei materiali termoelettrici

Ottimizzazione dei materiali tradizionali (a base di Bi₂Te₃): i composti di bismuto e tellurio rimangono i materiali più performanti a temperatura ambiente. L'attuale obiettivo della ricerca è quello di migliorarne ulteriormente il valore termoelettrico attraverso processi come nanodimensionamento, drogaggio e testurizzazione. Ad esempio, producendo nanofili e strutture superreticolari per migliorare la diffusione dei fononi e ridurre la conduttività termica, è possibile migliorare l'efficienza senza influire significativamente sulla conduttività elettrica.

Esplorazione di nuovi materiali: sebbene non siano ancora disponibili in commercio su larga scala, i ricercatori hanno esplorato nuovi materiali come SnSe, Mg₃Sb₂ e CsBi₄Te₆, che potrebbero avere un potenziale maggiore rispetto a Bi₂Te₃ in specifiche zone di temperatura, offrendo la possibilità di futuri salti prestazionali.

Innovazione nella struttura del dispositivo e nel processo di integrazione

Miniaturizzazione e progettazione: per soddisfare i requisiti di dissipazione del calore di microdispositivi come l'elettronica di consumo (come le clip posteriori per la dissipazione del calore dei telefoni cellulari) e i dispositivi di comunicazione ottica, il processo di produzione di micro-TEC (moduli di raffreddamento microtermoelettrici, moduli termoelettrici in miniatura) sta diventando sempre più sofisticato. È possibile realizzare moduli Peltier, dispositivi Peltier, dispositivi termoelettrici con dimensioni di soli 1×1 mm o anche inferiori, e possono essere integrati in modo flessibile in array per ottenere un raffreddamento locale preciso.

Modulo TEC flessibile (modulo Peltier): si tratta di un tema emergente e di grande attualità. Utilizzando tecnologie come l'elettronica stampata e materiali flessibili, si realizzano moduli TEC non planari, dispositivi Peltier che possono essere piegati e incollati. Questo ha ampie prospettive in settori come i dispositivi elettronici indossabili e la biomedicina locale (ad esempio, le compresse fredde portatili).

Ottimizzazione della struttura multilivello: per scenari che richiedono una maggiore differenza di temperatura, i moduli TEC multistadio e i moduli di raffreddamento termoelettrico multistadio rimangono la soluzione principale. Gli attuali progressi si riflettono nella progettazione strutturale e nei processi di incollaggio, con l'obiettivo di ridurre la resistenza termica interstadio, migliorare l'affidabilità complessiva e massimizzare la differenza di temperatura.

Ii. Espansione delle applicazioni e delle soluzioni a livello di sistema

Questo è attualmente il campo più dinamico in cui è possibile osservare direttamente i nuovi sviluppi.

La coevoluzione della tecnologia di dissipazione del calore hot-end

Il fattore chiave che limita le prestazioni dei moduli TEC, dei moduli termoelettrici e dei moduli Peltier è spesso la capacità di dissipazione del calore all'estremità calda. Il miglioramento delle prestazioni dei moduli TEC si rafforza a vicenda con lo sviluppo di tecnologie di dissipazione del calore ad alta efficienza.

Combinato con camere di vapore/heat pipe VC: nel campo dell'elettronica di consumo, il modulo TEC, il dispositivo Peltier, è spesso combinato con camere di vapore a camera a vuoto. Il modulo TEC, il dispositivo Peltier è responsabile della creazione attiva della zona a bassa temperatura, mentre il VC diffonde efficacemente il calore dall'estremità calda del modulo TEC, l'elemento Peltier, alle alette di dissipazione del calore più grandi, formando una soluzione di sistema di "raffreddamento attivo + conduzione e rimozione efficiente del calore". Questa è una nuova tendenza nei moduli di dissipazione del calore per telefoni da gaming e schede grafiche di fascia alta.

Combinato con sistemi di raffreddamento a liquido: in settori come i data center e i laser ad alta potenza, il modulo TEC viene combinato con sistemi di raffreddamento a liquido. Sfruttando l'elevatissima capacità termica specifica dei liquidi, il calore all'estremità calda del modulo termoelettrico TEC viene rimosso, ottenendo una capacità di raffreddamento senza precedenti.

Controllo intelligente e gestione dell'efficienza energetica

I moderni sistemi di raffreddamento termoelettrico integrano sempre più sensori di temperatura ad alta precisione e controllori PID/PWM. Regolando in tempo reale la corrente/tensione di ingresso del modulo termoelettrico, del modulo TEC e del modulo Peltier tramite algoritmi, è possibile ottenere una stabilità della temperatura di ±0,1 °C o anche superiore, evitando sovraccarichi e oscillazioni e risparmiando energia.

Modalità di funzionamento a impulsi: per alcune applicazioni, l'utilizzo di un'alimentazione a impulsi anziché continua può soddisfare i requisiti di raffreddamento istantaneo, riducendo significativamente il consumo energetico complessivo e bilanciando il carico termico.

Iii. Campi applicativi emergenti e in forte crescita

Dissipazione del calore per l'elettronica di consumo

Smartphone da gaming e accessori per e-sport: questo è uno dei punti di maggiore crescita nel mercato dei moduli di raffreddamento termoelettrico, moduli TEC e moduli Pletier degli ultimi anni. La clip posteriore di raffreddamento attivo è dotata di moduli termoelettrici integrati (moduli TEC), in grado di mantenere la temperatura del SoC del telefono al di sotto della temperatura ambiente, garantendo prestazioni elevate e costanti durante il gioco.

Laptop e desktop: alcuni laptop e schede grafiche di fascia alta (come le schede di riferimento NVIDIA RTX serie 30/40) hanno iniziato a provare a integrare moduli TEC, moduli termoelettrici per facilitare il raffreddamento dei chip principali.

Comunicazione ottica e data center

Moduli ottici 5G/6G: i laser (DFB/EML) nei moduli ottici ad alta velocità sono estremamente sensibili alla temperatura e richiedono TEC per una temperatura costante e precisa (solitamente entro ±0,5 °C) per garantire la stabilità della lunghezza d'onda e la qualità della trasmissione. Con l'evoluzione delle velocità di trasmissione dati verso 800 G e 1,6 T, la domanda e i requisiti per i moduli TEC (moduli termoelettrici, dissipatori Peltier, elementi Peltier) sono in aumento.

Raffreddamento locale nei data center: concentrarsi su punti critici come CPU e GPU, utilizzando il modulo TEC per un raffreddamento potenziato mirato è una delle direzioni di ricerca per migliorare l'efficienza energetica e la densità di elaborazione nei data center.

Elettronica automobilistica

Lidar montato su veicolo: l'emettitore laser centrale del lidar richiede una temperatura di esercizio stabile. Il TEC è un componente chiave che ne garantisce il normale funzionamento nell'ambiente ostile del veicolo (da -40 °C a +105 °C).

Cockpit intelligenti e sistemi di infotainment di fascia alta: con la crescente potenza di calcolo dei chip installati nei veicoli, le loro esigenze di dissipazione del calore si stanno gradualmente allineando a quelle dell'elettronica di consumo. Si prevede che il modulo TEC e il dissipatore TE saranno utilizzati nei futuri modelli di veicoli di fascia alta.

Scienze mediche e della vita

Dispositivi medici portatili come strumenti per PCR e sequenziatori di DNA richiedono cicli di temperatura rapidi e precisi, e il modulo Peltier (TEC) è il componente principale per il controllo della temperatura. La tendenza alla miniaturizzazione e alla portabilità delle apparecchiature ha guidato lo sviluppo di refrigeratori Peltier (TEC) micro ed efficienti.

Dispositivi di bellezza: alcuni dispositivi di bellezza di fascia alta sfruttano l'effetto Peltier del dispositivo TEC per ottenere precise funzioni di impacco caldo e freddo.

Aerospaziale e ambienti speciali

Raffreddamento del rilevatore a infrarossi: nei settori militare, aerospaziale e della ricerca scientifica, i rilevatori a infrarossi devono essere raffreddati a temperature estremamente basse (ad esempio inferiori a -80 °C) per ridurre il rumore. Il modulo TEC multistadio, il modulo Peltier multistadio e il modulo termoelettrico multistadio rappresentano una soluzione miniaturizzata e altamente affidabile per raggiungere questo obiettivo.

Controllo della temperatura del carico utile del satellite: creazione di un ambiente termico stabile per gli strumenti di precisione sui satelliti.

Iv. Sfide affrontate e prospettive future

La sfida principale: l'efficienza energetica relativamente bassa rimane il principale difetto del modulo Peltier (modulo termoelettrico) TEC rispetto al tradizionale raffreddamento a compressore. La sua efficienza di raffreddamento termoelettrico è di gran lunga inferiore a quella del ciclo di Carnot.

Prospettive future

L'obiettivo finale è la scoperta di nuovi materiali: se si riuscissero a scoprire o sintetizzare nuovi materiali con un valore di superiorità termoelettrica pari o superiore a 3,0 vicino alla temperatura ambiente (attualmente, il Bi₂Te₃ commerciale ha un valore di circa 1,0), si darebbe il via a una rivoluzione nell'intero settore.

Integrazione e intelligenza di sistema: la concorrenza futura si sposterà sempre più dalle "prestazioni TEC individuali" alla capacità di una soluzione di sistema complessiva di "TEC + dissipazione del calore + controllo". Anche l'integrazione con l'intelligenza artificiale per il controllo predittivo della temperatura è una direzione.

Riduzione dei costi e penetrazione del mercato: con la maturazione dei processi di produzione e la produzione su larga scala, si prevede che i costi di TEC diminuiranno ulteriormente, penetrando così in mercati di fascia media e persino di massa.

In sintesi, l'industria globale dei raffreddatori termoelettrici si trova attualmente in una fase di sviluppo dell'innovazione collaborativa e guidata dalle applicazioni. Sebbene non vi siano stati cambiamenti rivoluzionari nei materiali di base, grazie al progresso della tecnologia ingegneristica e alla profonda integrazione con le tecnologie a monte e a valle, il modulo TEC (modulo Peltier) e il raffreddatore Peltier stanno trovando una posizione insostituibile in un numero crescente di settori emergenti e di alto valore, dimostrando una forte vitalità.