در تاریخچه توسعه فناوری تبرید،خنک کننده های نیمه هادی، با مزایای منحصر به فرد خود، بی سر و صدا درک مردم از "تبرید" را تغییر می دهند. غرش کمپرسورهای سنتی را ندارد و به سیستم گردش مبرد پیچیده نیاز ندارد. تنها با بهره گیری از ویژگی های مواد نیمه هادی، می تواند به اثر جادویی "سرد کردن و گرمایش همزمان" دست یابد و در سناریوهای بیشتر و بیشتر ظاهر شده است و به یک راه حل تبرید طاقچه اما بسیار بالقوه تبدیل شده است.
I. رمز و راز "تبرید بدون نویز": اصل کار کولرهای نیمه هادی
هسته خنک کننده نیمه هادی از "اثر پلتیه" کشف شده توسط فیزیکدان فرانسوی ژان پلتیه در سال 1834 نشأت می گیرد. هنگامی که دو ماده نیمه هادی مختلف (معمولاً نوع N و نوع P) یک جفت ترموکوپل را تشکیل می دهند و یک جریان مستقیم اعمال می شود، یک سر ترموکوپل، یک سر ترموکوپل، گرما را جذب می کند، در حالی که جفت دیگر دما را جذب می کند. این روش برای دستیابی مستقیم به "انتقال گرما" از طریق انرژی الکتریکی، که به تغییر فاز مبرد متکی نیست و قطعات متحرک مکانیکی ندارد، دقیقاً تفاوت اصلی با تبرید کمپرسور سنتی است.
از نظر ساختاری، خنک کننده های نیمه هادی معمولاً از مجموعه های متعددی از زوج های نیمه هادی، بسترهای سرامیکی و الکترودها تشکیل شده اند. بسترهای سرامیکی دارای رسانایی حرارتی و عایق عالی هستند. آنها نه تنها می توانند به سرعت گرما را انتقال دهند بلکه از اتصال کوتاه در مدارها نیز جلوگیری می کنند. چندین جفت ترموکوپل را می توان به صورت سری یا موازی مرتب کرد. با تنظیم تعداد جفت ها و مقدار جریان عبوری می توان ظرفیت خنک کننده و اختلاف دما را دقیقاً کنترل کرد. هنگامی که جهت جریان تغییر می کند، انتهای خنک کننده و انتهای گرمایش نیز بر این اساس تغییر می کنند. این ویژگی آن را قادر میسازد هم خنک شود و هم گرم شود و به "کاربرد دوگانه در یک ماشین" دست یابد.
در مقایسه با تبرید کمپرسور سنتی، اصل یخچال های نیمه هادی ساده به نظر می رسد، اما مزایای انقلابی را به همراه دارد: هیچ صدایی از عملکرد کمپرسورها ایجاد نمی شود، و نویز در حین کار می تواند کمتر از 30 دسی بل باشد که به صدای محیط نزدیک می شود. اندازه جمع و جور، کوچکترین ماژول خنک کننده نیمه هادی تنها چند سانتی متر مکعب است، که به راحتی در دستگاه های کوچک جاسازی می شود. سبک وزن است، معمولاً فقط 1/5 تا 1/3 اجزای تبرید سنتی است که آن را برای سناریوهای قابل حمل بسیار مناسب می کند. و از مبردهایی مانند فریون که دوستدار محیط زیست و مطابق با روند حفاظت از محیط زیست سبز است استفاده نمی کند.
دوم نفوذ مبتنی بر سناریو: "مرحله کاربرد" کولرهای نیمه هادی
خنک کننده های نیمه هادی با ویژگی های "کوچک، بی صدا و سبز" نقش مهمی در سناریوهایی دارند که پوشش فناوری های تبرید سنتی دشوار است. دامنه کاربرد آنها به طور مداوم در حال گسترش است، از لوازم الکترونیکی مصرفی گرفته تا تولیدات صنعتی و حتی تا مراقبت های پزشکی و بهداشتی.
در زمینه لوازم الکترونیکی مصرفی، خنک کننده های نیمه هادی به ابزار قدرتمندی برای "کنترل دقیق دما" تبدیل شده اند. تلفنهای بازی و تبلتهای با کارایی بالا امروزی هنگام اجرای برنامههای بزرگ گرم میشوند که بر عملکرد و عمر مفید آنها تأثیر میگذارد. ماژول خنک کننده نیمه هادی داخلی می تواند به سرعت گرما را از اجزای اصلی به خارج از بدنه منتقل کند و به "خنک کننده موضعی" دست یابد و دستگاه را به طور مداوم کارآمد نگه دارد. علاوه بر این، یخچال های کوچک و فنجان های خنک کننده خودرو نیز از کاربردهای معمولی کولرهای نیمه هادی هستند. این محصولات از نظر اندازه جمع و جور هستند، نیازی به خطوط لوله خارجی پیچیده ندارند و در صورت اتصال به برق می توانند به سرعت خنک شوند و نیازهای سرمایشی افراد را در فضاهای کوچک مانند ادارات و اتومبیل ها برآورده کنند. علاوه بر این، آنها تقریباً بدون سر و صدا عمل می کنند و مزاحم کار یا استراحت نمی شوند.
در زمینه های صنعتی و تحقیقاتی علمی، خنک کننده های نیمه هادی با مزیت "کنترل پذیری قوی" به "دستیارهای پایدار" در آزمایش ها و تولید تبدیل شده اند. در ساخت ابزار دقیق، برخی از قطعات نوری و حسگرها به شدت به تغییرات دما حساس هستند. حتی یک تفاوت کوچک دما می تواند بر دقت اندازه گیری تأثیر بگذارد. خنک کننده های نیمه هادی می توانند نوسانات دما را در محدوده ± 0.1 ℃ از طریق یک سیستم کنترل دمای حلقه بسته کنترل کنند و یک محیط کاری پایدار برای تجهیزات فراهم کنند. در آزمایشهای تحقیقاتی علمی، مانند نگهداری کوتاهمدت نمونههای بیولوژیکی و کنترل دمای ثابت واکنشهای شیمیایی، خنککنندههای نیمهرسانا فضای زیادی را اشغال نمیکنند و میتوانند به سرعت به دمای مورد نظر دست یابند و کارایی آزمایشها را تا حد زیادی بهبود بخشند.
در زمینه مراقبت های پزشکی و بهداشتی، ویژگی های "ایمن و سازگار با محیط زیست" کولرهای نیمه هادی باعث شده است که آنها بسیار مورد توجه قرار گیرند. در دستگاه های پزشکی قابل حمل مانند جعبه های یخچال دار انسولین و جعبه های انتقال واکسن، خنک کننده های نیمه هادی به مبرد نیاز ندارند و از خطرات احتمالی نشت تجهیزات تبرید سنتی جلوگیری می کنند. در عین حال، آنها می توانند دمای پایین را از طریق لایه های عایق پس از قطع برق حفظ کنند و ایمنی داروها را در طول حمل و نقل و ذخیره سازی تضمین کنند. علاوه بر این، در برخی از سناریوهای درمان خنککننده موضعی، مانند وصلههای خنککننده فیزیکی و دستگاههای کمپرس سرد موضعی بعد از عمل، خنککنندههای نیمهرسانا میتوانند به طور دقیق منطقه خنککننده و دما را کنترل کنند، از هر گونه تاثیری بر بافتهای طبیعی اطراف جلوگیری کنند و راحتی و ایمنی درمان را افزایش دهند.
III. فرصت ها و چالش ها همزیستی: مسیر توسعه کولرهای نیمه هادی
اگرچه خنک کننده های نیمه هادی دارای مزایای قابل توجهی هستند، اما به دلیل ویژگی های فنی آنها، هنوز برخی از تنگناها وجود دارد که در حال حاضر نیاز به رفع فوری دارند. اولاً، نسبت بهره وری انرژی نسبتاً پایین است - در مقایسه با تبرید کمپرسور سنتی، وقتی یخچال های نیمه هادی همان مقدار انرژی الکتریکی مصرف می کنند، گرمای کمتری را منتقل می کنند. به خصوص در سناریوهایی با اختلاف دمای زیاد (مانند اختلاف دما بین انتهای تبرید و محیط بیش از 50 درجه سانتیگراد)، شکاف عملکرد بازده انرژی آشکارتر است. این امر باعث می شود که به طور موقت برای سناریوهایی که نیاز به تبرید در مقیاس بزرگ دارند، مانند تهویه مطبوع خانگی و تاسیسات سردخانه بزرگ، اعمال شود. در مرحله دوم، مسئله اتلاف گرما وجود دارد - در حالی که خنک کننده نیمه هادی در حال خنک شدن است، مقدار زیادی گرما در انتهای گرمایش ایجاد می شود. اگر این گرما نتواند به موقع دفع شود، نه تنها راندمان خنک کننده را کاهش می دهد، بلکه ممکن است به دلیل دمای بیش از حد به ماژول آسیب برساند. بنابراین به یک سیستم اتلاف حرارت کارآمد (مانند فن های خنک کننده و هیت سینک) نیاز است که تا حدودی باعث افزایش حجم و قیمت تمام شده محصول می شود.
با این حال، با پیشرفت تکنولوژی مواد و فرآیندهای تبرید، توسعه خنک کننده های نیمه هادی فرصت های جدیدی را در بر گرفته است. از نظر مواد، محققان مواد نیمه هادی جدیدی (مانند کامپوزیت های مبتنی بر بیسموت تلوراید، نیمه هادی های اکسیدی و غیره) برای افزایش مداوم راندمان تبدیل ترموالکتریک مواد ایجاد کرده اند، که انتظار می رود در آینده نسبت بازده انرژی خنک کننده های نیمه هادی به طور قابل توجهی افزایش یابد. از نظر ساخت، توسعه فن آوری های کوچک سازی و یکپارچه سازی باعث شده است که ماژول های خنک کننده نیمه هادی بیشتر با تراشه ها، حسگرها و سایر اجزاء یکپارچه شوند و اندازه آنها را بیشتر کاهش داده و کاربرد آنها را در دستگاه های میکرو گسترش دهد. علاوه بر این، "نوآوری یکپارچه" با سایر فن آوری های تبرید نیز به یک روند جدید تبدیل شده است - به عنوان مثال، ترکیب تبرید نیمه هادی با فناوری ذخیره سازی انرژی تغییر فاز، استفاده از مواد تغییر فاز برای جذب گرما از انتهای گرمایش، و کاهش بار روی سیستم اتلاف گرما. یا می توان آن را با تبرید کمپرسور سنتی ترکیب کرد تا به "خنک کننده تکمیلی دقیق" در مناطق محلی دست یابد و در نتیجه کارایی سیستم تبرید کلی را افزایش دهد.
Iv. نتیجهگیری: ماژولهای کوچک بازار بزرگی را هدایت میکنند: قدرت «متمایز» فناوری تبرید
خنک کننده های نیمه هادی ممکن است راه حل های تبرید "همه در یک" نباشند، اما با ویژگی های فنی منحصر به فرد خود، افق های جدیدی را در مناطق ویژه ای که فناوری های تبرید سنتی دسترسی به آنها را سخت می دانند، باز کرده اند. از «خنک کردن بیصدا» لوازم الکترونیکی مصرفی گرفته تا «کنترل دمای ایمن» تجهیزات پزشکی، و سپس تا «دمای ثابت دقیق» تحقیقات صنعتی، با مزایای «کوچک اما زیبا» نیازهای متنوع مردم برای تبرید را برآورده کرده است.
با پیشرفت های مداوم تکنولوژیکی، مسائلی مانند بهره وری انرژی و اتلاف گرما کولرهای نیمه هادی به تدریج حل خواهد شد و سناریوهای کاربرد آنها نیز از "نیچ" به "انبوه" تغییر خواهد کرد. در آینده، ممکن است شاهد محصولات بیشتری باشیم که مجهز به فناوری تبرید نیمهرسانا هستند - دستگاههای پوشیدنی هوشمندی که میتوانند سریع و بیصدا خنک شوند، یخچالهای خانگی کوچک که نیازی به مبرد ندارند، و سیستمهای خانه هوشمندی که میتوانند دما را دقیقاً کنترل کنند... این «جادوی سرد و گرم» در یک فضای کوچک، فناوری تبرید را به سمت آیندهای کارآمدتر، سازگار با محیطزیست با «قدرت هوشمند» سوق میدهد.
