Hướng phát triển mới của ngành công nghiệp làm mát nhiệt điện

Hướng phát triển mới của ngành công nghiệp làm mát nhiệt điện

Bộ làm mát nhiệt điện, còn được gọi là mô-đun làm mát nhiệt điện, có những ưu điểm không thể thay thế trong các lĩnh vực cụ thể nhờ các đặc điểm như không có bộ phận chuyển động, kiểm soát nhiệt độ chính xác, kích thước nhỏ và độ tin cậy cao. Trong những năm gần đây, chưa có bước đột phá nào về vật liệu cơ bản trong lĩnh vực này, nhưng đã có những tiến bộ đáng kể trong việc tối ưu hóa vật liệu, thiết kế hệ thống và mở rộng ứng dụng.

Dưới đây là một số hướng phát triển chính mới:

I. Những tiến bộ trong vật liệu và thiết bị lõi

Tối ưu hóa liên tục hiệu suất của vật liệu nhiệt điện

Tối ưu hóa vật liệu truyền thống (dựa trên Bi₂Te₃): Các hợp chất bismuth tellurium vẫn là những vật liệu có hiệu suất tốt nhất ở gần nhiệt độ phòng. Trọng tâm nghiên cứu hiện nay nằm ở việc nâng cao hơn nữa giá trị hiệu năng nhiệt điện của chúng thông qua các quy trình như thu nhỏ kích thước nano, pha tạp và tạo cấu trúc. Ví dụ, bằng cách chế tạo các dây nano và cấu trúc siêu mạng để tăng cường tán xạ phonon và giảm độ dẫn nhiệt, hiệu suất có thể được cải thiện mà không ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn điện.

Khám phá các vật liệu mới: Mặc dù chưa được thương mại hóa trên quy mô lớn, các nhà nghiên cứu đã và đang khám phá các vật liệu mới như SnSe, Mg₃Sb₂ và CsBi₄Te₆, có thể có tiềm năng cao hơn Bi₂Te₃ trong các vùng nhiệt độ cụ thể, mở ra khả năng đạt được những bước tiến vượt bậc về hiệu năng trong tương lai.

Đổi mới trong cấu trúc thiết bị và quy trình tích hợp

Thu nhỏ và đóng gói: Để đáp ứng yêu cầu tản nhiệt của các thiết bị siêu nhỏ như thiết bị điện tử tiêu dùng (như kẹp tản nhiệt phía sau điện thoại di động) và thiết bị truyền thông quang học, quy trình sản xuất các mô-đun làm mát nhiệt điện siêu nhỏ (micro-TEC, mô-đun nhiệt điện thu nhỏ) ngày càng trở nên tinh vi. Có thể sản xuất các mô-đun Peltier, bộ làm mát Peltier, thiết bị Peltier, thiết bị nhiệt điện với kích thước chỉ 1×1 mm hoặc thậm chí nhỏ hơn, và chúng có thể được tích hợp linh hoạt thành các mảng để đạt được khả năng làm mát cục bộ chính xác.

Mô-đun TEC linh hoạt (mô-đun Peltier): Đây là một chủ đề đang nổi lên rất được quan tâm. Bằng cách sử dụng các công nghệ như điện tử in và vật liệu linh hoạt, các mô-đun TEC không phẳng, các thiết bị Peltier có thể uốn cong và dán được chế tạo. Điều này mở ra triển vọng rộng lớn trong các lĩnh vực như thiết bị điện tử đeo được và y sinh học tại chỗ (như túi chườm lạnh di động).

Tối ưu hóa cấu trúc đa tầng: Đối với các trường hợp yêu cầu chênh lệch nhiệt độ lớn hơn, mô-đun TEC đa tầng, mô-đun làm mát nhiệt điện đa tầng vẫn là giải pháp chính. Sự tiến bộ hiện nay được thể hiện trong thiết kế cấu trúc và quy trình liên kết, nhằm mục đích giảm điện trở nhiệt giữa các tầng, nâng cao độ tin cậy tổng thể và chênh lệch nhiệt độ tối đa.

II. Mở rộng các ứng dụng và giải pháp cấp hệ thống

Đây hiện là lĩnh vực năng động nhất, nơi có thể trực tiếp quan sát được những phát triển mới.

Sự cùng tiến hóa của công nghệ tản nhiệt đầu nóng

Yếu tố chính hạn chế hiệu suất của mô-đun TEC, mô-đun nhiệt điện, mô-đun Peltier thường là khả năng tản nhiệt ở đầu nóng. Việc cải thiện hiệu suất của TEC gắn liền với sự phát triển của công nghệ tản nhiệt hiệu quả cao.

Kết hợp với buồng chân không/ống dẫn nhiệt: Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, mô-đun TEC và thiết bị Peltier thường được kết hợp với buồng chân không. Mô-đun TEC và bộ làm mát Peltier chịu trách nhiệm chủ động tạo ra vùng nhiệt độ thấp, trong khi buồng chân không tản nhiệt hiệu quả từ đầu nóng của mô-đun TEC và phần tử Peltier đến các cánh tản nhiệt lớn hơn, tạo thành giải pháp hệ thống “làm mát chủ động + dẫn và tản nhiệt hiệu quả”. Đây là xu hướng mới trong các mô-đun tản nhiệt cho điện thoại chơi game và card đồ họa cao cấp.

Kết hợp với hệ thống làm mát bằng chất lỏng: Trong các lĩnh vực như trung tâm dữ liệu và laser công suất cao, mô-đun TEC được kết hợp với hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Bằng cách tận dụng dung tích nhiệt riêng cực cao của chất lỏng, nhiệt lượng ở đầu nóng của mô-đun nhiệt điện TEC được loại bỏ, đạt được hiệu quả làm mát chưa từng có.

Điều khiển thông minh và quản lý hiệu quả năng lượng

Các hệ thống làm mát nhiệt điện hiện đại ngày càng tích hợp nhiều cảm biến nhiệt độ độ chính xác cao và bộ điều khiển PID/PWM. Bằng cách điều chỉnh dòng điện/điện áp đầu vào của mô-đun nhiệt điện, mô-đun TEC, mô-đun Peltier trong thời gian thực thông qua các thuật toán, có thể đạt được độ ổn định nhiệt độ ±0,1℃ hoặc thậm chí cao hơn, đồng thời tránh hiện tượng quá tải và dao động, tiết kiệm năng lượng.

Chế độ hoạt động xung: Đối với một số ứng dụng, việc sử dụng nguồn điện xung thay vì nguồn điện liên tục có thể đáp ứng yêu cầu làm mát tức thời đồng thời giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng tổng thể và cân bằng tải nhiệt.

III. Các lĩnh vực ứng dụng mới nổi và có tốc độ tăng trưởng cao

Tản nhiệt cho thiết bị điện tử tiêu dùng

Điện thoại chơi game và phụ kiện thể thao điện tử: Đây là một trong những điểm tăng trưởng lớn nhất trong thị trường mô-đun làm mát nhiệt điện, mô-đun TEC, mô-đun Pletier trong những năm gần đây. Ốp lưng tản nhiệt chủ động được trang bị mô-đun nhiệt điện (mô-đun TEC) tích hợp, có thể trực tiếp giảm nhiệt độ của SoC điện thoại xuống dưới nhiệt độ môi trường, đảm bảo hiệu năng cao liên tục trong khi chơi game.

Máy tính xách tay và máy tính để bàn: Một số máy tính xách tay và card đồ họa cao cấp (như các card tham chiếu dòng NVIDIA RTX 30/40) đã bắt đầu thử nghiệm tích hợp các mô-đun TEC, mô-đun nhiệt điện để hỗ trợ làm mát các chip lõi.

Truyền thông quang học và trung tâm dữ liệu

Mô-đun quang 5G/6G: Các laser (DFB/EML) trong các mô-đun quang tốc độ cao cực kỳ nhạy cảm với nhiệt độ và yêu cầu TEC để duy trì nhiệt độ ổn định chính xác (thường trong phạm vi ±0,5℃) nhằm đảm bảo độ ổn định bước sóng và chất lượng truyền dẫn. Khi tốc độ dữ liệu phát triển lên tới 800G và 1,6T, nhu cầu và yêu cầu đối với các mô-đun TEC, mô-đun nhiệt điện, bộ làm mát Peltier và các phần tử Peltier đều tăng lên.

Làm mát cục bộ trong trung tâm dữ liệu: Tập trung vào các điểm nóng như CPU ​​và GPU, sử dụng mô-đun TEC để làm mát tăng cường có mục tiêu là một trong những hướng nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu quả năng lượng và mật độ tính toán trong trung tâm dữ liệu.

Điện tử ô tô

Hệ thống lidar gắn trên xe: Bộ phát laser cốt lõi của lidar yêu cầu nhiệt độ hoạt động ổn định. TEC là một thành phần quan trọng đảm bảo hoạt động bình thường của nó trong môi trường khắc nghiệt khi gắn trên xe (-40℃ đến +105℃).

Buồng lái thông minh và hệ thống thông tin giải trí cao cấp: Với sức mạnh tính toán ngày càng tăng của các chip trong xe, nhu cầu tản nhiệt của chúng đang dần tương đồng với các thiết bị điện tử tiêu dùng. Mô-đun TEC và bộ làm mát TE dự kiến ​​sẽ được ứng dụng trong các mẫu xe cao cấp tương lai.

Khoa học y tế và sinh học

Các thiết bị y tế di động như máy PCR và máy giải trình tự DNA yêu cầu chu kỳ nhiệt độ nhanh và chính xác, và mô-đun TEC/Peltier là thành phần điều khiển nhiệt độ cốt lõi. Xu hướng thu nhỏ và tính di động của thiết bị đã thúc đẩy sự phát triển của bộ làm mát TEC/Peltier siêu nhỏ và hiệu quả.

Thiết bị làm đẹp: Một số thiết bị làm đẹp cao cấp sử dụng hiệu ứng Peltier của thiết bị TEC để đạt được chức năng chườm nóng và lạnh chính xác.

Hàng không vũ trụ và môi trường đặc biệt

Làm mát đầu dò hồng ngoại: Trong lĩnh vực quân sự, hàng không vũ trụ và nghiên cứu khoa học, các đầu dò hồng ngoại cần được làm mát đến nhiệt độ cực thấp (chẳng hạn như dưới -80℃) để giảm nhiễu. Mô-đun TEC đa tầng, mô-đun Peltier đa tầng, mô-đun nhiệt điện đa tầng là một giải pháp thu nhỏ và có độ tin cậy cao để đạt được mục tiêu này.

Kiểm soát nhiệt độ thiết bị trên vệ tinh: Cung cấp môi trường nhiệt ổn định cho các thiết bị chính xác trên vệ tinh.

IV. Những thách thức gặp phải và triển vọng tương lai

Thách thức cốt lõi: Hiệu suất năng lượng tương đối thấp vẫn là nhược điểm lớn nhất của mô-đun TEC (mô-đun nhiệt điện) so với phương pháp làm mát bằng máy nén truyền thống. Hiệu suất làm mát nhiệt điện của nó thấp hơn nhiều so với chu trình Carnot.

Triển vọng tương lai

Đột phá về vật liệu là mục tiêu cuối cùng: nếu có thể phát hiện hoặc tổng hợp được các vật liệu mới có giá trị ưu thế nhiệt điện từ 3.0 trở lên ở gần nhiệt độ phòng (hiện tại, Bi₂Te₃ thương mại có giá trị xấp xỉ 1.0), điều đó sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trong toàn bộ ngành công nghiệp.

Tích hợp hệ thống và trí tuệ nhân tạo: Cạnh tranh trong tương lai sẽ chuyển trọng tâm từ “hiệu suất TEC riêng lẻ” sang khả năng của một giải pháp hệ thống tổng thể gồm “TEC + tản nhiệt + điều khiển”. Kết hợp với trí tuệ nhân tạo để điều khiển nhiệt độ dự đoán cũng là một hướng đi.

Giảm chi phí và thâm nhập thị trường: Với sự hoàn thiện của quy trình sản xuất và sản xuất quy mô lớn, chi phí của TEC dự kiến ​​sẽ tiếp tục giảm, từ đó thâm nhập sâu hơn vào thị trường tầm trung và thậm chí cả thị trường đại chúng.

Tóm lại, ngành công nghiệp làm mát nhiệt điện toàn cầu hiện đang trong giai đoạn phát triển đổi mới dựa trên ứng dụng và hợp tác. Mặc dù không có những thay đổi mang tính cách mạng trong các vật liệu cơ bản, nhưng thông qua sự tiến bộ của công nghệ kỹ thuật và sự tích hợp sâu rộng với các công nghệ thượng nguồn và hạ nguồn, mô-đun TEC, mô-đun Peltier, bộ làm mát Peltier đang tìm được vị trí không thể thiếu trong ngày càng nhiều lĩnh vực mới nổi và có giá trị cao, thể hiện sức sống mạnh mẽ.