Bộ làm mát nhiệt điện, bộ làm mát Peltier (còn được gọi là linh kiện làm mát nhiệt điện) là các thiết bị làm mát trạng thái rắn dựa trên hiệu ứng Peltier. Chúng có ưu điểm là không có chuyển động cơ học, không cần chất làm lạnh, kích thước nhỏ, phản hồi nhanh và kiểm soát nhiệt độ chính xác. Trong những năm gần đây, ứng dụng của chúng trong điện tử tiêu dùng, chăm sóc y tế, ô tô và các lĩnh vực khác tiếp tục mở rộng.
I. Các nguyên lý cốt lõi của hệ thống và linh kiện làm mát nhiệt điện
Cốt lõi của làm mát nhiệt điện là hiệu ứng Peltier: khi hai vật liệu bán dẫn khác nhau (loại P và loại N) tạo thành một cặp nhiệt điện và được cấp dòng điện một chiều, một đầu của cặp nhiệt điện sẽ hấp thụ nhiệt (đầu làm mát), và đầu kia sẽ tỏa nhiệt (đầu tản nhiệt). Bằng cách thay đổi chiều dòng điện, đầu làm mát và đầu tản nhiệt có thể được hoán đổi cho nhau.
Hiệu suất làm mát của nó chủ yếu phụ thuộc vào ba thông số cốt lõi:
Hệ số chất lượng nhiệt điện (giá trị ZT): Đây là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất của vật liệu nhiệt điện. Giá trị ZT càng cao, hiệu quả làm mát càng cao.
Chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh: Hiệu quả tản nhiệt ở đầu tản nhiệt quyết định trực tiếp đến khả năng làm mát ở đầu lạnh. Nếu quá trình tản nhiệt không diễn ra suôn sẻ, chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh sẽ thu hẹp, dẫn đến hiệu suất làm mát giảm mạnh.
Dòng điện hoạt động: Trong phạm vi định mức, việc tăng dòng điện sẽ làm tăng khả năng làm mát. Tuy nhiên, khi vượt quá ngưỡng này, hiệu suất sẽ giảm do nhiệt Joule tăng lên.
II. Lịch sử phát triển và những đột phá công nghệ của các thiết bị làm mát nhiệt điện (hệ thống làm mát Peltier)
Trong những năm gần đây, sự phát triển của các linh kiện làm mát nhiệt điện tập trung vào hai hướng chính: đổi mới vật liệu và tối ưu hóa cấu trúc.
Nghiên cứu và phát triển vật liệu nhiệt điện hiệu suất cao
Giá trị ZT của các vật liệu truyền thống dựa trên Bi₂Te₃ đã được tăng lên 1,2-1,5 thông qua quá trình pha tạp (như Sb, Se) và xử lý ở cấp độ nano.
Các vật liệu mới như chì telluride (PbTe) và hợp kim silic-germanium (SiGe) thể hiện hiệu suất vượt trội trong điều kiện nhiệt độ trung bình và cao (200 đến 500℃).
Các vật liệu mới như vật liệu nhiệt điện composite hữu cơ-vô cơ và chất cách điện tôpô học được kỳ vọng sẽ tiếp tục giảm chi phí và nâng cao hiệu quả.
Tối ưu hóa cấu trúc thành phần
Thiết kế thu nhỏ: Chế tạo các cặp nhiệt điện kích thước micromet thông qua công nghệ MEMS (Hệ thống vi điện cơ) để đáp ứng các yêu cầu thu nhỏ của thiết bị điện tử tiêu dùng.
Tích hợp dạng mô-đun: Kết nối nhiều bộ phận nhiệt điện nối tiếp hoặc song song để tạo thành các mô-đun làm mát nhiệt điện công suất cao, bộ làm mát Peltier, thiết bị Peltier, đáp ứng các yêu cầu làm mát nhiệt điện cấp công nghiệp.
Cấu trúc tản nhiệt tích hợp: Kết hợp các cánh tản nhiệt với các ống dẫn nhiệt để tăng hiệu quả tản nhiệt và giảm thể tích tổng thể.
III. Các kịch bản ứng dụng điển hình của các thiết bị làm mát nhiệt điện, các thành phần làm mát nhiệt điện
Ưu điểm lớn nhất của các thiết bị làm mát nhiệt điện nằm ở bản chất bán dẫn, hoạt động không gây tiếng ồn và khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác. Do đó, chúng giữ vị trí không thể thay thế trong những trường hợp mà máy nén không phù hợp để làm mát.
Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng
Tản nhiệt điện thoại di động: Các điện thoại chơi game cao cấp được trang bị các mô-đun làm mát nhiệt điện siêu nhỏ, mô-đun TEC, thiết bị Peltier, kết hợp với hệ thống làm mát bằng chất lỏng, có thể nhanh chóng hạ nhiệt độ chip, ngăn ngừa hiện tượng giảm tần số do quá nhiệt trong khi chơi game.
Tủ lạnh ô tô, máy làm mát ô tô: Các loại tủ lạnh ô tô cỡ nhỏ chủ yếu sử dụng công nghệ làm mát nhiệt điện, kết hợp chức năng làm mát và sưởi ấm (chức năng sưởi ấm có thể được tạo ra bằng cách đảo chiều dòng điện). Chúng có kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp và tương thích với nguồn điện 12V của ô tô.
Cốc giữ lạnh/cốc cách nhiệt: Cốc giữ lạnh di động được trang bị tấm làm lạnh siêu nhỏ tích hợp, có thể nhanh chóng làm lạnh đồ uống xuống 5 đến 15 độ C mà không cần dùng đến tủ lạnh.
2. Lĩnh vực y học và sinh học
Thiết bị điều khiển nhiệt độ chính xác: chẳng hạn như máy PCR (máy phản ứng chuỗi polymerase) và tủ lạnh bảo quản máu, yêu cầu môi trường nhiệt độ thấp ổn định. Các linh kiện làm lạnh bán dẫn có thể đạt được khả năng điều khiển nhiệt độ chính xác trong phạm vi ±0,1℃, và không có nguy cơ nhiễm bẩn chất làm lạnh.
Các thiết bị y tế di động: chẳng hạn như hộp làm lạnh insulin, có kích thước nhỏ và thời lượng pin dài, phù hợp cho bệnh nhân tiểu đường mang theo khi ra ngoài, đảm bảo nhiệt độ bảo quản insulin.
Kiểm soát nhiệt độ thiết bị laser: Các thành phần cốt lõi của thiết bị điều trị laser y tế (như laser) rất nhạy cảm với nhiệt độ, và các linh kiện làm mát bán dẫn có thể tản nhiệt theo thời gian thực để đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị.
3. Lĩnh vực công nghiệp và hàng không vũ trụ
Thiết bị làm lạnh công nghiệp quy mô nhỏ: chẳng hạn như buồng thử nghiệm lão hóa linh kiện điện tử và bể ổn định nhiệt độ cho dụng cụ chính xác, yêu cầu môi trường nhiệt độ thấp cục bộ, các thiết bị làm lạnh nhiệt điện, các linh kiện nhiệt điện có thể được tùy chỉnh công suất làm lạnh theo nhu cầu.
Thiết bị hàng không vũ trụ: Các thiết bị điện tử trong tàu vũ trụ gặp khó khăn trong việc tản nhiệt trong môi trường chân không. Hệ thống làm mát nhiệt điện, các bộ phận làm mát nhiệt điện, các linh kiện nhiệt điện, là các thiết bị bán dẫn, có độ tin cậy cao và không rung, có thể được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ của các thiết bị điện tử trong vệ tinh và trạm vũ trụ.
4. Các kịch bản mới nổi khác
Các thiết bị đeo được: Mũ bảo hiểm làm mát thông minh và bộ quần áo làm mát, với các tấm làm mát nhiệt điện linh hoạt tích hợp, có thể cung cấp khả năng làm mát cục bộ cho cơ thể người trong môi trường nhiệt độ cao và phù hợp cho người lao động ngoài trời.
Logistics chuỗi lạnh: Các hộp đóng gói chuỗi lạnh nhỏ, sử dụng hệ thống làm mát nhiệt điện, làm mát Peltier và pin, có thể được dùng để vận chuyển vắc-xin và nông sản tươi sống trong khoảng cách ngắn mà không cần đến các xe tải đông lạnh cỡ lớn.
IV. Hạn chế và xu hướng phát triển của các thiết bị làm mát nhiệt điện, các thành phần làm mát Peltier
Những hạn chế hiện có
Hiệu suất làm mát tương đối thấp: Hệ số hiệu suất năng lượng (COP) thường nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,8, thấp hơn nhiều so với làm mát bằng máy nén (COP có thể đạt từ 2 đến 5), và không phù hợp với các kịch bản làm mát quy mô lớn và công suất cao.
Yêu cầu tản nhiệt cao: Nếu nhiệt lượng ở đầu tản nhiệt không được thải ra kịp thời, nó sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả làm mát. Do đó, nó phải được trang bị hệ thống tản nhiệt hiệu quả, điều này hạn chế ứng dụng trong một số trường hợp cần không gian nhỏ gọn.
Chi phí cao: Chi phí chuẩn bị các vật liệu nhiệt điện hiệu suất cao (như Bi₂Te₃ pha tạp nano) cao hơn so với các vật liệu làm lạnh truyền thống, dẫn đến giá thành tương đối cao của các linh kiện cao cấp.
2. Xu hướng phát triển trong tương lai
Bước đột phá về vật liệu: Phát triển vật liệu nhiệt điện giá rẻ, có giá trị ZT cao, với mục tiêu nâng cao giá trị ZT ở nhiệt độ phòng lên trên 2.0 và thu hẹp khoảng cách hiệu suất với hệ thống làm lạnh bằng máy nén.
Tính linh hoạt và tích hợp: Phát triển các mô-đun làm mát nhiệt điện linh hoạt, mô-đun TEC, mô-đun nhiệt điện, thiết bị Peltier, mô-đun Peltier, bộ làm mát Peltier, để thích ứng với các thiết bị có bề mặt cong (như điện thoại di động màn hình linh hoạt và thiết bị đeo thông minh); Thúc đẩy việc tích hợp các thành phần làm mát nhiệt điện với chip và cảm biến để đạt được “kiểm soát nhiệt độ ở cấp độ chip”.
Thiết kế tiết kiệm năng lượng: Bằng cách tích hợp công nghệ Internet vạn vật (IoT), việc khởi động/dừng thông minh và điều chỉnh công suất của các linh kiện làm mát được thực hiện, giúp giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng.
V. Tóm tắt
Các thiết bị làm mát nhiệt điện, thiết bị làm mát Peltier, hệ thống làm mát nhiệt điện, với những ưu điểm độc đáo như hoạt động ở trạng thái rắn, không gây tiếng ồn và kiểm soát nhiệt độ chính xác, chiếm vị trí quan trọng trong các lĩnh vực như điện tử tiêu dùng, chăm sóc y tế và hàng không vũ trụ. Với sự nâng cấp liên tục của công nghệ vật liệu nhiệt điện và thiết kế cấu trúc, các vấn đề về hiệu quả làm mát và chi phí sẽ dần được cải thiện, và dự kiến sẽ thay thế công nghệ làm mát truyền thống trong nhiều trường hợp cụ thể hơn trong tương lai.
Thời gian đăng bài: 12/12/2025
