თერმოელექტრული გაგრილების ერთეულების, თერმოელექტრული გაგრილების სისტემების შემუშავება და გამოყენება

თერმოელექტრული გაგრილების მოწყობილობა, პელტიეს გამაგრილებელი (ასევე ცნობილი როგორც თერმოელექტრული გაგრილების კომპონენტები) არის მყარი მდგომარეობის გაგრილების მოწყობილობები, რომლებიც დაფუძნებულია პელტიეს ეფექტზე. მათ აქვთ მექანიკური მოძრაობის არარსებობა, მაცივრის არარსებობა, მცირე ზომა, სწრაფი რეაგირება და ზუსტი ტემპერატურის კონტროლი. ბოლო წლებში მათი გამოყენება სამომხმარებლო ელექტრონიკაში, მედიცინაში, ავტომობილებსა და სხვა სფეროებში კვლავ ფართოვდება.

I. თერმოელექტრული გაგრილების სისტემისა და კომპონენტების ძირითადი პრინციპები

თერმოელექტრული გაგრილების ბირთვი პელტიეს ეფექტია: როდესაც ორი განსხვავებული ნახევარგამტარული მასალა (P-ტიპი და N-ტიპი) ქმნის თერმოწყვილების წყვილს და მიეწოდება მუდმივი დენი, თერმოწყვილების ერთი ბოლო შთანთქავს სითბოს (გაგრილების ბოლო), ხოლო მეორე ბოლო გამოყოფს სითბოს (სითბოს გაფრქვევის ბოლო). დენის მიმართულების შეცვლით, შესაძლებელია გაგრილების და სითბოს გაფრქვევის ბოლოების ურთიერთშენაცვლება.

მისი გაგრილების ეფექტურობა ძირითადად სამ ძირითად პარამეტრზეა დამოკიდებული:

თერმოელექტრული დამსახურების კოეფიციენტი (ZT მნიშვნელობა): ეს თერმოელექტრული მასალების მუშაობის შეფასების ძირითადი მაჩვენებელია. რაც უფრო მაღალია ZT მნიშვნელობა, მით უფრო მაღალია გაგრილების ეფექტურობა.

ცხელ და ცივ ბოლოებს შორის ტემპერატურული სხვაობა: სითბოს გაფრქვევის ეფექტი სითბოს გაფრქვევის ბოლოში პირდაპირ განსაზღვრავს გაგრილების სიმძლავრეს გაგრილების ბოლოში. თუ სითბოს გაფრქვევა არ არის გლუვი, ცხელ და ცივ ბოლოებს შორის ტემპერატურული სხვაობა შემცირდება და გაგრილების ეფექტურობა მკვეთრად დაეცემა.

სამუშაო დენი: ნომინალურ დიაპაზონში, დენის ზრდა ზრდის გაგრილების სიმძლავრეს. თუმცა, ზღურბლის გადაჭარბების შემდეგ, ეფექტურობა შემცირდება ჯოულის სითბოს ზრდის გამო.

II თერმოელექტრული გაგრილების ერთეულების (პელტიეს გაგრილების სისტემა) განვითარების ისტორია და ტექნოლოგიური მიღწევები

ბოლო წლებში თერმოელექტრული გაგრილების კომპონენტების განვითარება ორ ძირითად მიმართულებაზეა ორიენტირებული: მასალების ინოვაცია და სტრუქტურული ოპტიმიზაცია.

მაღალი ხარისხის თერმოელექტრული მასალების კვლევა და განვითარება

ტრადიციული Bi₂Te₃-ზე დაფუძნებული მასალების ZT მნიშვნელობა გაიზარდა 1.2-1.5-მდე დოპირების (მაგალითად, Sb, Se) და ნანომასშტაბიანი დამუშავების გზით.

ახალი მასალები, როგორიცაა ტყვიის ტელურიდი (PbTe) და სილიციუმ-გერმანიუმის შენადნობი (SiGe), განსაკუთრებით კარგად მუშაობენ საშუალო და მაღალი ტემპერატურის პირობებში (200-დან 500℃-მდე).

მოსალოდნელია, რომ ახალი მასალები, როგორიცაა ორგანულ-არაორგანული კომპოზიტური თერმოელექტრული მასალები და ტოპოლოგიური იზოლატორები, კიდევ უფრო შეამცირებს ხარჯებს და გააუმჯობესებს ეფექტურობას.

კომპონენტის სტრუქტურის ოპტიმიზაცია

მინიატურიზაციის დიზაინი: მიკრონის მასშტაბის თერმოპილების მომზადება MEMS (მიკროელექტრომექანიკური სისტემები) ტექნოლოგიის გამოყენებით, სამომხმარებლო ელექტრონიკის მინიატურიზაციის მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად.

მოდულური ინტეგრაცია: მრავალი თერმოელექტრული ერთეულის სერიულად ან პარალელურად დაკავშირება მაღალი სიმძლავრის თერმოელექტრული გაგრილების მოდულების, პელტიეს გამაგრილებლების, პელტიეს მოწყობილობების შესაქმნელად, რომლებიც აკმაყოფილებენ სამრეწველო დონის თერმოელექტრული გაგრილების მოთხოვნებს.

ინტეგრირებული სითბოს გაფრქვევის სტრუქტურა: სითბოს გაფრქვევის ეფექტურობის გასაზრდელად და საერთო მოცულობის შესამცირებლად, გამაგრილებელი ფარფლები სითბოს გაფრქვევის ფარფლებთან და სითბოს მილებთან ინტეგრირდება.

III თერმოელექტრული გაგრილების ერთეულების, თერმოელექტრული გაგრილების კომპონენტების გამოყენების ტიპიური სცენარები

თერმოელექტრული გაგრილების ერთეულების უდიდესი უპირატესობა მათი მყარი მდგომარეობის, ხმაურის გარეშე მუშაობისა და ტემპერატურის ზუსტი კონტროლის პირობებში მდგომარეობს. ამიტომ, ისინი შეუცვლელ ადგილს იკავებენ იმ შემთხვევებში, როდესაც კომპრესორები გაგრილებისთვის შესაფერისი არ არის.

სამომხმარებლო ელექტრონიკის სფეროში

მობილური ტელეფონის სითბოს გაფრქვევა: მაღალი კლასის სათამაშო ტელეფონები აღჭურვილია მიკრო თერმოელექტრული გაგრილების მოდულებით, TEC მოდულებით, პელტიეს მოწყობილობებით, რომლებსაც, თხევადი გაგრილების სისტემებთან ერთად, შეუძლიათ სწრაფად შეამცირონ ჩიპის ტემპერატურა, რაც ხელს უშლის სიხშირის შემცირებას თამაშის დროს გადახურების გამო.

ავტომობილის მაცივრები, ავტომობილის გამაგრილებლები: პატარა ავტომობილის მაცივრები ძირითადად თერმოელექტრული გაგრილების ტექნოლოგიას იყენებენ, რომელიც აერთიანებს გაგრილების და გათბობის ფუნქციებს (გათბობა შესაძლებელია დენის მიმართულების შეცვლით). ისინი პატარა ზომისაა, დაბალი ენერგომოხმარებით და თავსებადია ავტომობილის 12 ვოლტიან კვების წყაროსთან.

სასმელის გამაგრილებელი ჭიქა/იზოლირებული ჭიქა: პორტატული გამაგრილებელი ჭიქა აღჭურვილია ჩაშენებული მიკროგამაგრილებელი ფირფიტით, რომელსაც შეუძლია სასმელის სწრაფად გაგრილება 5-დან 15 გრადუს ცელსიუსამდე მაცივრის გარეშე.

2. სამედიცინო და ბიოლოგიური სფეროები

ტემპერატურის ზუსტი კონტროლის აღჭურვილობა: როგორიცაა PCR ინსტრუმენტები (პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქციის ინსტრუმენტები) და სისხლის მაცივრები, საჭიროებენ სტაბილურ დაბალი ტემპერატურის გარემოს. ნახევარგამტარული მაცივრის კომპონენტებს შეუძლიათ ტემპერატურის ზუსტი კონტროლის მიღწევა ±0.1℃-ის ფარგლებში და არ არსებობს მაცივრით დაბინძურების რისკი.

პორტატული სამედიცინო მოწყობილობები: როგორიცაა ინსულინის მაცივრები, რომლებიც პატარა ზომისაა და ხანგრძლივი ბატარეის ხანგრძლივობით გამოირჩევა, დიაბეტით დაავადებული პაციენტებისთვის გამოსადეგია გარეთ გასვლისას თან წასაღებად, რაც უზრუნველყოფს ინსულინის შენახვის ტემპერატურას.

ლაზერული აღჭურვილობის ტემპერატურის კონტროლი: სამედიცინო ლაზერული დამუშავების მოწყობილობების (მაგალითად, ლაზერების) ძირითადი კომპონენტები მგრძნობიარეა ტემპერატურის მიმართ, ხოლო ნახევარგამტარული გამაგრილებელი კომპონენტები რეალურ დროში ავრცელებენ სითბოს, რათა უზრუნველყონ აღჭურვილობის სტაბილური მუშაობა.

3. სამრეწველო და აერონავტიკის სფეროები

სამრეწველო მცირე მასშტაბის სამაცივრო მოწყობილობები: როგორიცაა ელექტრონული კომპონენტების დაბერების სატესტო კამერები და ზუსტი ინსტრუმენტების მუდმივი ტემპერატურის აბაზანები, რომლებიც საჭიროებენ ადგილობრივ დაბალტემპერატურულ გარემოს, თერმოელექტრული გაგრილების ერთეულები, თერმოელექტრული კომპონენტები შეიძლება მორგებული იყოს სამაცივრო სიმძლავრით საჭიროებისამებრ.

აერონავტიკული აღჭურვილობა: კოსმოსურ ხომალდებში არსებულ ელექტრონულ მოწყობილობებს ვაკუუმურ გარემოში სითბოს გაფანტვა უჭირთ. თერმოელექტრული გაგრილების სისტემები, თერმოელექტრული გაგრილების ბლოკები, თერმოელექტრული კომპონენტები, როგორც მყარი მდგომარეობის მოწყობილობები, მაღალი საიმედოობისა და ვიბრაციისგან თავისუფალია და შეიძლება გამოყენებულ იქნას თანამგზავრებსა და კოსმოსურ სადგურებში ელექტრონული აღჭურვილობის ტემპერატურის კონტროლისთვის.

4. სხვა განვითარებადი სცენარები

ტარებადი მოწყობილობები: ჭკვიანი გამაგრილებელი ჩაფხუტები და გამაგრილებელი კოსტიუმები, ჩაშენებული მოქნილი თერმოელექტრული გამაგრილებელი ფირფიტებით, შეუძლიათ ადამიანის სხეულის ადგილობრივი გაგრილება მაღალი ტემპერატურის გარემოში და შესაფერისია გარე სამუშაოებისთვის.

ცივი ჯაჭვის ლოჯისტიკა: ვაქცინებისა და ახალი პროდუქტების მცირე მანძილზე ტრანსპორტირებისთვის, დიდი მაცივრიანი სატვირთო მანქანების გამოყენების გარეშე, შესაძლებელია გამოყენებულ იქნას თერმოელექტრული გაგრილებით, პელტიეს გაგრილებითა და აკუმულატორებით მომუშავე მცირე ზომის ცივი ჯაჭვის შესაფუთი ყუთები.

IV. თერმოელექტრული გაგრილების ერთეულების შეზღუდვები და განვითარების ტენდენციები, პელტიეს გაგრილების კომპონენტები

არსებული შეზღუდვები

გაგრილების ეფექტურობა შედარებით დაბალია: მისი ენერგოეფექტურობის კოეფიციენტი (COP) ჩვეულებრივ 0.3-დან 0.8-მდეა, რაც გაცილებით დაბალია კომპრესორული გაგრილების კოეფიციენტთან შედარებით (COP შეიძლება 2-დან 5-მდე მიაღწიოს) და არ არის შესაფერისი ფართომასშტაბიანი და მაღალი სიმძლავრის გაგრილების სცენარებისთვის.

მაღალი სითბოს გაფრქვევის მოთხოვნები: თუ სითბოს გაფრქვევის ბოლოში სითბოს დროულად გამოყოფა შეუძლებელია, ეს სერიოზულად იმოქმედებს გაგრილების ეფექტზე. ამიტომ, ის აღჭურვილი უნდა იყოს ეფექტური სითბოს გაფრქვევის სისტემით, რაც ზღუდავს გამოყენებას ზოგიერთ კომპაქტურ სცენარში.

მაღალი ღირებულება: მაღალი ხარისხის თერმოელექტრული მასალების (მაგალითად, ნანოდოპირებული Bi₂Te₃) მომზადების ღირებულება უფრო მაღალია, ვიდრე ტრადიციული სამაცივრე მასალების, რაც იწვევს მაღალი კლასის კომპონენტების შედარებით მაღალ ფასს.

2. სამომავლო განვითარების ტენდენციები

მატერიალური გარღვევა: დაბალი ღირებულების, მაღალი ZT მნიშვნელობის თერმოელექტრული მასალების შემუშავება, ოთახის ტემპერატურაზე ZT მნიშვნელობის 2.0-ზე მეტად გაზრდისა და კომპრესორული გაგრილების ეფექტურობის სხვაობის შემცირების მიზნით.

მოქნილობა და ინტეგრაცია: მოქნილი თერმოელექტრული გაგრილების მოდულების, TEC მოდულების, თერმოელექტრული მოდულების, პელტიეს მოწყობილობების, პელტიეს მოდულების, პელტიეს გამაგრილებლების შემუშავება, რათა მოერგოს მრუდ ზედაპირულ მოწყობილობებს (როგორიცაა მოქნილი ეკრანის მქონე მობილური ტელეფონები და ჭკვიანი ტარებადი მოწყობილობები); თერმოელექტრული გაგრილების კომპონენტების ჩიპებთან და სენსორებთან ინტეგრაციის ხელშეწყობა „ჩიპის დონის ტემპერატურის კონტროლის“ მისაღწევად.

ენერგოდამზოგავი დიზაინი: ნივთების ინტერნეტის (iot) ტექნოლოგიის ინტეგრირებით, მიიღწევა გაგრილების კომპონენტების ინტელექტუალური გაშვება-გამორთვა და სიმძლავრის რეგულირება, რაც ამცირებს ენერგიის საერთო მოხმარებას.

V. შეჯამება

თერმოელექტრული გაგრილების სისტემები, პელტიეს ტიპის გაგრილების სისტემები, მათი უნიკალური უპირატესობებით, როგორიცაა მყარი მდგომარეობის, ჩუმი და ტემპერატურის ზუსტი კონტროლი, მნიშვნელოვან ადგილს იკავებენ ისეთ სფეროებში, როგორიცაა სამომხმარებლო ელექტრონიკა, სამედიცინო მომსახურება და აერონავტიკა. თერმოელექტრული მასალების ტექნოლოგიისა და სტრუქტურული დიზაინის უწყვეტი განახლების შედეგად, მისი გაგრილების ეფექტურობისა და ღირებულების საკითხები თანდათან გაუმჯობესდება და მოსალოდნელია, რომ მომავალში ის ჩაანაცვლებს ტრადიციულ გაგრილების ტექნოლოგიას უფრო კონკრეტულ სცენარებში.