تطوير وتطبيق وحدات التبريد الكهروحرارية وأنظمة التبريد الكهروحرارية

وحدة التبريد الكهروحرارية، أو مبرد بلتييه (المعروفة أيضًا بمكونات التبريد الكهروحرارية)، هي أجهزة تبريد صلبة تعتمد على تأثير بلتييه. تتميز هذه الوحدات بعدم وجود حركة ميكانيكية، وعدم الحاجة إلى مادة تبريد، وصغر الحجم، وسرعة الاستجابة، والتحكم الدقيق في درجة الحرارة. في السنوات الأخيرة، توسعت تطبيقاتها بشكل مستمر في مجالات الإلكترونيات الاستهلاكية، والرعاية الطبية، والسيارات، وغيرها.

أولاً: المبادئ الأساسية لنظام التبريد الكهروحراري ومكوناته

جوهر التبريد الكهروحراري هو تأثير بلتييه: فعندما تُشكّل مادتان شبه موصلتان مختلفتان (من النوع P والنوع N) زوجًا حراريًا، ويُطبّق تيار مستمر، يمتص أحد طرفي الزوج الحرارة (طرف التبريد)، بينما يُطلق الطرف الآخر الحرارة (طرف تبديد الحرارة). وبتغيير اتجاه التيار، يُمكن تبديل طرفي التبريد وتبديد الحرارة.

يعتمد أداء التبريد بشكل أساسي على ثلاثة معايير رئيسية:

معامل الجدارة الكهروحرارية (قيمة ZT): هو مؤشر رئيسي لتقييم أداء المواد الكهروحرارية. كلما ارتفعت قيمة ZT، زادت كفاءة التبريد.

فرق درجة الحرارة بين الطرفين الساخن والبارد: يؤثر تأثير تبديد الحرارة عند الطرف المُبدد للحرارة بشكل مباشر على قدرة التبريد عند الطرف المُبرد. فإذا لم يكن تبديد الحرارة منتظمًا، سيقل فرق درجة الحرارة بين الطرفين الساخن والبارد، وستنخفض كفاءة التبريد بشكل حاد.

تيار التشغيل: ضمن النطاق المقنن، يؤدي رفع التيار إلى تحسين قدرة التبريد. مع ذلك، بمجرد تجاوز الحد المسموح به، تنخفض الكفاءة نتيجة لزيادة الحرارة الناتجة عن عملية التبريد.

ثانياً: تاريخ تطور وحدات التبريد الكهروحرارية (نظام تبريد بلتييه) والاختراقات التكنولوجية فيها.

في السنوات الأخيرة، ركز تطوير مكونات التبريد الكهروحرارية على اتجاهين رئيسيين: ابتكار المواد والتحسين الهيكلي.

البحث والتطوير في مجال المواد الكهروحرارية عالية الأداء

تمت زيادة قيمة ZT للمواد التقليدية القائمة على Bi₂Te₃ إلى 1.2-1.5 من خلال التطعيم (مثل Sb و Se) والمعالجة النانوية.

تُظهر المواد الجديدة مثل تيلوريد الرصاص (PbTe) وسبائك السيليكون والجرمانيوم (SiGe) أداءً جيدًا بشكل استثنائي في سيناريوهات درجات الحرارة المتوسطة والعالية (من 200 إلى 500 درجة مئوية).

من المتوقع أن تساهم المواد الجديدة مثل المواد الكهروحرارية المركبة العضوية وغير العضوية والعوازل الطوبولوجية في خفض التكاليف وتحسين الكفاءة بشكل أكبر.

تحسين بنية المكونات

تصميم التصغير: إعداد مقاييس الميكرون الحرارية من خلال تقنية MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) لتلبية متطلبات التصغير للإلكترونيات الاستهلاكية.

التكامل المعياري: قم بتوصيل وحدات كهروحرارية متعددة على التوالي أو بالتوازي لتشكيل وحدات تبريد كهروحرارية عالية الطاقة، ومبردات بلتيير، وأجهزة بلتيير، تلبي متطلبات التبريد الكهروحراري الصناعية.

هيكل متكامل لتبديد الحرارة: دمج زعانف التبريد مع زعانف تبديد الحرارة وأنابيب الحرارة لتعزيز كفاءة تبديد الحرارة وتقليل الحجم الإجمالي.

ثالثًا: سيناريوهات التطبيق النموذجية لوحدات التبريد الكهروحرارية ومكونات التبريد الكهروحرارية

تكمن الميزة الأكبر لوحدات التبريد الكهروحرارية في طبيعتها الصلبة، وتشغيلها الهادئ، وتحكمها الدقيق في درجة الحرارة. ولذلك، فهي تحتل مكانة لا غنى عنها في الحالات التي لا تكون فيها الضواغط مناسبة للتبريد.

في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية

تبديد حرارة الهاتف المحمول: تم تجهيز هواتف الألعاب المتطورة بوحدات تبريد كهروحرارية دقيقة، ووحدات TEC، وأجهزة بلتيير، ووحدات بلتيير، والتي يمكنها، بالاشتراك مع أنظمة التبريد السائل، خفض درجة حرارة الشريحة بسرعة، مما يمنع انخفاض التردد بسبب ارتفاع درجة الحرارة أثناء اللعب.

ثلاجات السيارات: تعتمد ثلاجات السيارات الصغيرة في الغالب على تقنية التبريد الكهروحراري، التي تجمع بين وظيفتي التبريد والتدفئة (يمكن تحقيق التدفئة عن طريق عكس اتجاه التيار). وهي صغيرة الحجم، ومنخفضة استهلاك الطاقة، ومتوافقة مع مصدر الطاقة 12 فولت في السيارة.

كوب تبريد المشروبات / كوب معزول: تم تجهيز كوب التبريد المحمول بلوحة تبريد صغيرة مدمجة، والتي يمكنها تبريد المشروبات بسرعة إلى 5 إلى 15 درجة مئوية دون الاعتماد على الثلاجة.

2. المجالات الطبية والبيولوجية

تتطلب أجهزة التحكم الدقيق في درجة الحرارة، مثل أجهزة تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) وثلاجات الدم، بيئة مستقرة ذات درجة حرارة منخفضة. تستطيع مكونات التبريد شبه الموصلة تحقيق تحكم دقيق في درجة الحرارة ضمن نطاق ±0.1 درجة مئوية، دون أي خطر لتلوث غاز التبريد.

الأجهزة الطبية المحمولة: مثل صناديق تبريد الأنسولين، وهي صغيرة الحجم ولها عمر بطارية طويل، وهي مناسبة لمرضى السكري لحملها عند الخروج، مما يضمن درجة حرارة تخزين الأنسولين.

التحكم في درجة حرارة معدات الليزر: المكونات الأساسية لأجهزة العلاج بالليزر الطبية (مثل الليزر) حساسة لدرجة الحرارة، ويمكن لمكونات التبريد شبه الموصلة تبديد الحرارة في الوقت الحقيقي لضمان التشغيل المستقر للمعدات.

3. المجالات الصناعية والفضاء

معدات التبريد الصناعية صغيرة الحجم: مثل غرف اختبار تقادم المكونات الإلكترونية وحمامات درجة الحرارة الثابتة للأجهزة الدقيقة، والتي تتطلب بيئة محلية منخفضة الحرارة، ووحدات التبريد الكهروحرارية، ويمكن تخصيص المكونات الكهروحرارية بقدرة التبريد حسب الحاجة.

معدات الفضاء: تواجه الأجهزة الإلكترونية في المركبات الفضائية صعوبة في تبديد الحرارة في بيئة الفراغ. أنظمة التبريد الكهروحرارية، ووحدات التبريد الكهروحرارية، والمكونات الكهروحرارية، باعتبارها أجهزة صلبة، تتميز بموثوقية عالية وخالية من الاهتزازات، ويمكن استخدامها للتحكم في درجة حرارة المعدات الإلكترونية في الأقمار الصناعية ومحطات الفضاء.

4. سيناريوهات ناشئة أخرى

الأجهزة القابلة للارتداء: يمكن لخوذات التبريد الذكية وبدلات التبريد، المزودة بألواح تبريد كهروحرارية مرنة مدمجة، أن توفر تبريدًا موضعيًا لجسم الإنسان في البيئات ذات درجات الحرارة العالية وهي مناسبة للعاملين في الهواء الطلق.

الخدمات اللوجستية لسلسلة التبريد: يمكن استخدام صناديق التعبئة والتغليف الصغيرة لسلسلة التبريد، التي تعمل بالتبريد الكهروحراري، وتبريد بلتيير، والبطاريات، لنقل اللقاحات والمنتجات الطازجة لمسافات قصيرة دون الاعتماد على الشاحنات المبردة الكبيرة.

رابعاً: قيود واتجاهات تطوير وحدات التبريد الكهروحرارية ومكونات تبريد بلتييه

القيود الحالية

إن كفاءة التبريد منخفضة نسبياً: فنسبة كفاءة الطاقة (COP) الخاصة بها عادة ما تكون بين 0.3 و 0.8، وهي أقل بكثير من نسبة كفاءة التبريد بالضاغط (يمكن أن تصل نسبة كفاءة الطاقة إلى 2 إلى 5)، وهي غير مناسبة لسيناريوهات التبريد واسعة النطاق وعالية السعة.

متطلبات تبديد الحرارة العالية: إذا لم يتم تصريف الحرارة المتراكمة في نهاية نظام التبديد في الوقت المناسب، فسيؤثر ذلك سلبًا على كفاءة التبريد. لذا، يجب تزويده بنظام تبديد حرارة فعال، مما يحد من استخدامه في بعض التطبيقات الصغيرة.

التكلفة العالية: تكلفة تحضير المواد الكهروحرارية عالية الأداء (مثل Bi₂Te₃ النانوية) أعلى من تكلفة مواد التبريد التقليدية، مما يؤدي إلى ارتفاع سعر المكونات المتطورة نسبيًا.

2. اتجاهات التنمية المستقبلية

اختراق المواد: تطوير مواد كهروحرارية منخفضة التكلفة وعالية القيمة ZT، بهدف زيادة قيمة ZT في درجة حرارة الغرفة إلى أكثر من 2.0 وتضييق فجوة الكفاءة مع التبريد بالضاغط.

المرونة والتكامل: تطوير وحدات تبريد كهروحرارية مرنة، ووحدات TEC، ووحدات كهروحرارية، وأجهزة بلتيير، ووحدات بلتيير، ومبردات بلتيير، للتكيف مع الأجهزة ذات الأسطح المنحنية (مثل الهواتف المحمولة ذات الشاشات المرنة والأجهزة الذكية القابلة للارتداء)؛ تعزيز تكامل مكونات التبريد الكهروحراري مع الرقائق وأجهزة الاستشعار لتحقيق "التحكم في درجة الحرارة على مستوى الرقاقة".

تصميم موفر للطاقة: من خلال دمج تقنية إنترنت الأشياء (iot)، يتم تحقيق التشغيل والإيقاف الذكي وتنظيم الطاقة لمكونات التبريد، مما يقلل من استهلاك الطاقة الإجمالي.

خامساً: ملخص

تحتل وحدات التبريد الكهروحرارية، ووحدات تبريد بلتييه، وأنظمة التبريد الكهروحرارية، بفضل مزاياها الفريدة من كونها صلبة، وهادئة، ودقيقة التحكم في درجة الحرارة، مكانةً هامةً في مجالاتٍ مثل الإلكترونيات الاستهلاكية، والرعاية الطبية، والفضاء. ومع التطور المستمر لتكنولوجيا المواد الكهروحرارية والتصميم الهيكلي، ستتحسن كفاءة التبريد وتكلفتها تدريجيًا، ومن المتوقع أن تحل محل تقنيات التبريد التقليدية في سيناريوهات أكثر تحديدًا في المستقبل.