6月28日，三星电子携手美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）在著名科学期刊《自然通讯》上发表了一篇关于下一代Peltier冷却技术的论文。
该团队利用纳米工程技术成功开发了一种高效薄膜半导体Peltier器件，并展示了无制冷剂冷却，突出了在没有传统制冷剂的情况下提供出色性能的潜力。
此前在2024年，三星电子通过推出将Peltier设备与高效压缩机相结合的Bespoke AI混合冰箱，开启了制冷技术的新篇章。就像混合动力汽车一样，该系统根据最适合的情况智能地在两种冷却方法之间切换。
虽然定制人工智能混合冰箱标志着向前迈出了一大步，但与约翰霍普金斯APL合作开发的新薄膜Peltier技术代表了向未来的飞跃。 这项新推出的创新将如何应用于家用电器，以及它将如何塑造未来的冷却技术？为了找到答案，三星新闻编辑室采访了三星研究院的Sungjin Jung，他领导了这项技术的开发，以及三星电子DA（数字家电）业务的Hajin Jeong，他正在努力将其整合到三星的下一代冰箱中。
用半导体器件精确控制温度？了解Peltier冷却技术背后的原理
传统的冰箱使用蒸汽压缩技术操作。在该系统中，制冷剂气体被压缩成液体，然后反复蒸发以吸收和释放热量，从而降低内部温度。
虽然这种广泛使用的冷却方法已被证明是有效的，但制冷剂的使用引起了环境问题，并且在降低功耗方面存在局限性-这使得将这种方法带入未来并使其适应不断变化的需求成为一项挑战。此外，该系统中固有的庞大的压缩机和复杂的机械部件对冰箱设计产生了限制。
相比之下，Peltier冷却技术采用了不同的方法。作为一种基于电容器的方法，使用电力来传递热量，Peltier冷却利用Peltier帕尔贴效应，其中通过帕尔贴装置两端的电流导致一侧吸收热量，而另一侧释放热量。
利用Peltier珀耳帖效应，吸收热量和冷却的表面可以放置在冰箱内部，而释放吸收的热量的表面可以放置在外部-有效地降低内部温度。
这种方法的最大优点是它只使用电力精确控制热流。此外，与基于制冷剂的机械系统相比，其简单的结构允许冰箱设计具有更大的灵活性。
2023年末，与美国约翰霍普金斯APL合作，最终于次年4月启动了为期8个月的全面联合研究项目。
这项联合研究的核心目标是利用约翰霍普金斯大学的纳米薄膜Peltier器件技术，将传统毫瓦级Peltier器件的输出功率提高到几十瓦，为适合集成到家用电器中的高效薄膜Peltier系统铺平道路。
在整个项目过程中，三星电子特别展示了在系统设计和封装技术方面的优势。由于珀耳帖冷却涉及同时在器件的相对侧上同时发生的吸热和发热，如果两侧之间的温差不最小化，则性能可能急剧下降。在将纳米薄膜Peltier器件（与传统器件相比结构不同）直接应用于冰箱的过程中，出现了诸如接触热阻增加（阻碍传热）或性能不稳定等挑战。因此，能够在Peltier器件两侧实现高效传热的封装解决方案成为开发高效Peltier冷却系统的核心组件之一。
Sungjin Jung，三星电子三星研究部：“我们设计了一种新的包装方法，成为世界上第一个将纳米薄膜Peltier器件应用于冰箱的公司。”
这种新开发的下一代薄膜Peltier器件的冷却效率比传统器件高出约75%。通过最大限度地减少Peltier设备每一侧的热损失，联合研究证明了使用新技术开发高效冷却设备的潜力。
在三星于2024年推出的定制人工智能混合冰箱中，压缩机在常规存储和检索等正常条件下运行，而Peltier设备在高负载情况下与压缩机一起激活-例如存储大量杂货或将热食物放入其中-从而提高冷却性能和能源效率。此外，当冷却装置内部除霜时，Peltier装置保持活动状态，最大限度地减少了过程中的内部温度波动。
在两种冷却机制同时运行的部分，最佳效率取决于布局设计。“由于压缩机位于后部较低的位置，我们重新设计了内部结构，将Peltier设备定位在顶部，这样它就不会受到热干扰的影响，”Jeong解释说。
因此，与韩国能源效率等级标签系统的顶级产品相比，该冰箱的耗电量减少了30%，同时还显著提高了保持稳定内部温度的能力。
随着三星下一代Peltier冷却技术的应用，未来的混合动力冰箱有望提供更好的冷却性能和能源效率。Jeong说：“将这种下一代Peltier冷却技术集成到我们现有的混合动力冰箱中，将实现更精确的温度控制，并进一步降低功耗。
迈向完全无制冷剂的未来
Peltier冷却也是一种更好的地球技术。冰箱中常用的制冷剂可能会破坏臭氧层，并导致全球变暖，这促使美国和欧洲的法规越来越严格。在此背景下，Peltier冷却技术作为一种多功能、高能效的解决方案，正得到越来越多的认可。
三星电子已经制定了一个中长期目标，即超越混合结构，开发一种完全由Peltier冷却技术驱动的无制冷剂冰箱。
极客辣评
他们解决了珀尔帖的低效率问题吗？
他们说（珀尔帖制冷）效果好75%。不过我怀疑这说法是否真的比传统压缩机更好。看起来他们瞄准的是一个特殊使用场景——当需要大功率制冷时，高压缩机确实能高效处理高负荷，但只需要轻微制冷时，压缩机就变得非常低效，这时珀尔帖技术就更合适。普通冰箱允许温度波动范围较大，对大多数日常需求来说已经够用了。
普通冰箱的温度波动范围确实很大，这让我特别不爽。专家总说冰箱温度不能超过4°C（否则容易滋生细菌），但也不能低到结冰（0°C以下）。可实际用起来就会发现：想把温度控制在安全范围内简直难如登天——要么调到最热档时，冰箱里最暖的位置轻松突破4°C（甚至飙到5-6°C）；等压缩机一启动，最冷的位置又马上逼近零度。这个死循环根本无解！
与蒸汽压缩系统（COP为2-4）相比，传统的Peltier装置的效率约为10%（COP为0.5-0.7），但热电材料（如碲化铋合金和分段元件）的最新进展已将实验室效率提高到约15- 20%。
典型的半导体（Peltier）制冷设备效率低得可怜——能效比只有3.5%。相当于你花1000瓦的电，只能换来35瓦的制冷效果。
就算未来技术进步，效率翻倍到7%，在我看来还是太浪费了，跟老式蒸汽机车差不多。这种制冷方式只适合特定场景：比如你需要极其精准的温控、不能有机械振动，同时还能忍受巨大的散热系统。
但家用冰箱？我宁愿忍受压缩机的噪音和温度波动，毕竟传统热泵的效率可是半导体制冷的4倍以上，怎么算都更划算！
请记住，Peltier冷却器不会使热量消失-它们只是将热量从冷却器的一侧移动到另一侧，并在此过程中产生大量额外的废热。现在有更好的方法将热量从热IC传递到散热器-例如用于真正高性能系统的液体冷却，或用于更典型需求的毛细管作用热管。