Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Термоэлектрический эффект
Термоэлектрический силовой модуль Seebeck.jpg
Принципы
Приложения

Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье для создания теплового потока на стыке двух разных типов материалов. Охладитель Пельтье, нагреватель или термоэлектрический тепловой насос - это твердотельный активный тепловой насос, который передает тепло от одной стороны устройства к другой с потреблением электроэнергии в зависимости от направления тока. Такой инструмент также называют устройство Пельтье , тепловой насос Пельтье , твердотельный холодильник или термоэлектрический охладитель ( TEC ) , а иногда с термоэлектрической батареи. Его можно использовать либо для нагрева, либо для охлаждения [1], хотя на практике основным применением является охлаждение. Его также можно использовать в качестве регулятора температуры, который нагревает или охлаждает.

Эта технология применяется в холодильной технике гораздо реже, чем парокомпрессионное охлаждение . Основными преимуществами холодильника Пельтье по сравнению с парокомпрессионным холодильником являются отсутствие движущихся частей или циркулирующей жидкости, очень долгий срок службы, неуязвимость к утечкам, небольшой размер и гибкая форма. Его основные недостатки - высокая стоимость при заданной холодопроизводительности и низкая энергоэффективность. Многие исследователи и компании пытаются разработать охладители Пельтье, которые были бы дешевыми и эффективными. (См. Термоэлектрические материалы .)

Охладитель Пельтье также можно использовать в качестве термоэлектрического генератора . При работе в качестве охладителя на устройство подается напряжение, и в результате между двумя сторонами возникает разница в температуре. При работе в качестве генератора одна сторона устройства нагревается до температуры, превышающей температуру другой стороны, и в результате между двумя сторонами возникает разница в напряжении ( эффект Зеебека ). Однако хорошо спроектированный охладитель Пельтье будет посредственным термоэлектрическим генератором, и наоборот, из-за различных требований к конструкции и упаковке.

Принцип работы [ править ]

Схема элемента Пельтье. Термоэлектрические ветви термически параллельны и электрически включены последовательно.
Основная статья: Термоэлектрический эффект

Термоэлектрические охладители работают по эффекту Пельтье (одно из трех явлений, составляющих термоэлектрический эффект). Устройство имеет две стороны, и когда через устройство протекает электрический ток постоянного тока, он переносит тепло с одной стороны на другую, так что одна сторона становится холоднее, а другая нагревается. «Горячая» сторона прикреплена к радиатору, чтобы он оставался при температуре окружающей среды, в то время как холодная сторона опускалась ниже комнатной температуры. В специальных приложениях несколько охладителей можно соединить каскадом для снижения температуры, но общая эффективность значительно снизится.

Строительство [ править ]

Дизайн [ править ]

Используются два уникальных полупроводника, один n-типа и один p-типа, потому что они должны иметь разную плотность электронов. Чередующиеся полупроводниковые стойки p & n-типа размещаются термически параллельно друг другу и электрически последовательно, а затем соединяются с теплопроводящей пластиной с каждой стороны, обычно керамической, что устраняет необходимость в отдельном изоляторе. Когда к свободным концам двух полупроводников прикладывается напряжение, через соединение полупроводников протекает постоянный ток, вызывая разницу температур. Сторона с охлаждающей пластиной поглощает тепло, которое затем переносится полупроводником на другую сторону устройства. В этом случае охлаждающая способность всего агрегата пропорциональна общему поперечному сечению всех опор,которые часто подключаются последовательно, чтобы снизить ток до практического уровня. Длина столбов представляет собой баланс между более длинными столбами, которые будут иметь большее тепловое сопротивление между сторонами и позволяют достичь более низкой температуры, но производят более резистивный нагрев, и более короткими столбами, которые будут иметь больший электрический КПД, но позволят больше утечка тепла с горячей стороны на холодную за счет теплопроводности. При больших перепадах температур более длинные опоры гораздо менее эффективны, чем штабелирование отдельных, постепенно увеличивающихся модулей; модули становятся больше, поскольку каждый слой должен отводить тепло, перемещаемое указанным выше слоем, и отходящее тепло слоя.которые будут иметь большее тепловое сопротивление между сторонами и позволят достичь более низкой температуры, но будут производить более резистивный нагрев и более короткие опоры, которые будут иметь больший электрический КПД, но позволят большему количеству тепла просачиваться с горячей стороны на холодную за счет теплопроводности. При больших перепадах температур более длинные опоры гораздо менее эффективны, чем штабелирование отдельных, постепенно увеличивающихся модулей; модули становятся больше, поскольку каждый слой должен отводить тепло, перемещаемое указанным выше слоем, и отходящее тепло слоя.которые будут иметь большее тепловое сопротивление между сторонами и позволят достичь более низкой температуры, но будут производить более резистивный нагрев и более короткие опоры, которые будут иметь больший электрический КПД, но позволят большему количеству тепла просачиваться с горячей стороны на холодную за счет теплопроводности. При больших перепадах температур более длинные опоры гораздо менее эффективны, чем штабелирование отдельных, постепенно увеличивающихся модулей; модули становятся больше, поскольку каждый слой должен отводить тепло, перемещаемое указанным выше слоем, и отходящее тепло слоя.модули становятся больше, поскольку каждый слой должен отводить тепло, перемещаемое указанным выше слоем, и отходящее тепло слоя.модули становятся больше, поскольку каждый слой должен отводить тепло, перемещаемое указанным выше слоем, и отходящее тепло слоя.

Материалы [ править ]

Значения ZT для различных материалов и сплавов висмута. [2]

Требования к термоэлектрическим материалам: [ необходима цитата ]

  • Полупроводники с узкой запрещенной зоной из-за работы при комнатной температуре;
  • Высокая электропроводность (для снижения электрического сопротивления , источник отходящего тепла);
  • Низкая теплопроводность (чтобы тепло не возвращалось с горячей стороны на холодную); это обычно приводит к тяжелым элементам
  • Большая элементарная ячейка, сложная структура;
  • Сильно анизотропный или высокосимметричный;
  • Сложные композиции.

Материалы, подходящие для высокоэффективных систем ТЕС, должны обладать сочетанием низкой теплопроводности и высокой электропроводности. Комбинированный эффект различных комбинаций материалов обычно сравнивается с использованием показателя качества, известного как ZT , показателя эффективности системы. Уравнение для ZT приведено ниже, где альфа - коэффициент Зеебека , сигма - электрическая проводимость, а каппа - теплопроводность. [3]

Существует несколько материалов, которые подходят для применения в ТЭО, поскольку соотношение между теплопроводностью и электропроводностью обычно является положительной корреляцией. Улучшения в снижении теплопередачи с повышенной электропроводностью являются активной областью исследований в области материаловедения. Общие термоэлектрические материалы , используемые в качестве полупроводников включают теллурида висмута , теллурида свинца , кремний-германий и висмут-сурьма сплавы. Из них наиболее часто используется теллурид висмута. Активно исследуются новые высокоэффективные материалы для термоэлектрического охлаждения.

Рабочие элементы должны быть в изолированном кожухе, а лучшая геометрия - плоскость. Обычно они зажаты между парой керамических пластин, запечатаны (или нет).

Идентификация и характеристики [ править ]

Все элементы Пельтье соответствуют универсальной спецификации идентификации.

Подавляющее большинство термоэлектрических охладителей имеют идентификационный номер, напечатанный на охлаждаемой стороне. [4]

Эти универсальные идентификаторы четко указывают размер, количество каскадов, количество пар и номинальный ток в амперах, как показано на диаграмме рядом. [5]

Очень распространенный Tec1-12706, квадрат размером 40 мм и высотой 3–4 мм, можно найти за несколько долларов и продать как способный двигаться около 60 Вт или генерировать разницу температур 60 ° C при токе 6 А. Их электрическое сопротивление будет составлять 1-2 Ом.

Сильные и слабые стороны [ править ]

Есть много факторов, побуждающих к дальнейшим исследованиям в области TEC, включая более низкие выбросы углерода и простоту производства. Однако возникло несколько проблем.

Преимущества [ править ]

Существенным преимуществом систем ТЕС является отсутствие движущихся частей. Отсутствие механического износа и сокращение случаев отказов из-за усталости и разрушения из-за механической вибрации и напряжения увеличивает срок службы системы и снижает требования к техническому обслуживанию. Современные технологии показывают, что средняя наработка на отказ (MTBF) превышает 100 000 часов при температуре окружающей среды. [6]

Тот факт, что системы ТЕС регулируются по току, дает еще один ряд преимуществ. Поскольку поток тепла прямо пропорционален приложенному постоянному току, тепло можно добавлять или удалять с точным контролем направления и величины электрического тока. В отличие от методов, использующих резистивный нагрев или методы охлаждения с использованием газов, TEC позволяет в равной степени контролировать поток тепла (как внутри, так и из контролируемой системы). Благодаря такому точному двунаправленному регулированию теплового потока, температуры контролируемых систем могут быть точными до долей градуса, часто достигая точности в милликельвинах (мК) в лабораторных условиях. [7]Устройства TEC также имеют более гибкую форму, чем их более традиционные аналоги. Их можно использовать в помещениях с меньшим пространством или в более суровых условиях, чем обычный холодильник. Возможность настройки их геометрии позволяет обеспечить точное охлаждение на очень небольших площадях. Эти факторы делают их обычным выбором в научных и инженерных приложениях с высокими требованиями, когда стоимость и абсолютная энергоэффективность не являются первоочередными задачами.

Еще одним преимуществом TEC является то, что он не использует хладагенты в своей работе. До прекращения их использования некоторые ранние хладагенты, такие как хлорфторуглероды (CFC), вносили значительный вклад в разрушение озонового слоя . Многие используемые сегодня хладагенты также оказывают значительное воздействие на окружающую среду с потенциалом глобального потепления [8] или несут с собой другие риски для безопасности. [9]

Недостатки [ править ]

Системы ТЕС имеют ряд заметных недостатков. Прежде всего, это их ограниченная энергоэффективность по сравнению с обычными парокомпрессионными системами и ограничения на общий тепловой поток (тепловой поток), который они могут генерировать на единицу площади. [7] Эта тема более подробно обсуждается в разделе производительности ниже.

Производительность [ править ]

Характеристики Пельтье (термоэлектрические) зависят от температуры окружающей среды, характеристик теплообменника ( радиатора ) с горячей и холодной сторон , тепловой нагрузки, геометрии модуля Пельтье (термобатареи) и электрических параметров Пельтье. [4]

Количество тепла, которое может быть перемещено, пропорционально току и времени.

, где P - коэффициент Пельтье, I - ток, t - время. Коэффициент Пельтье зависит от температуры и материалов, из которых изготовлен охладитель. Величина 10 ватт на ампер является обычным явлением, но это компенсируется двумя явлениями:
  • Согласно закону Ома , модуль Пельтье сам будет производить отходящее тепло,
, где R - сопротивление .
  • Тепло также будет перемещаться с горячей стороны на холодную за счет теплопроводности внутри самого модуля, и этот эффект усиливается по мере увеличения разницы температур.

В результате эффективно перемещаемое тепло уменьшается по мере увеличения разницы температур, и модуль становится менее эффективным. Разница температур возникает, когда отходящее тепло и тепло, возвращающееся назад, преодолевают перемещаемое тепло, и модуль начинает нагревать холодную сторону вместо того, чтобы охладить ее дальше. Одноступенчатый термоэлектрический охладитель обычно обеспечивает максимальную разницу температур 70 ° C между его горячей и холодной сторонами. [10]

Еще одна проблема с производительностью - прямое следствие одного из их преимуществ: небольшого размера. Это означает, что

  • горячая и холодная стороны будут находиться очень близко друг к другу (на расстоянии нескольких миллиметров), что облегчит возврат тепла к прохладной стороне и затруднит изоляцию горячей и холодной стороны друг от друга.
  • обычный 40 мм x 40 мм может генерировать 60 Вт или более, то есть 4 Вт / см 2 или более, требуя мощного радиатора для перемещения пути тепла

В холодильных установках термоэлектрические соединения имеют примерно 1/4 КПД по сравнению с традиционными средствами: они предлагают около 10-15% эффективности идеального холодильника с циклом Карно по сравнению с 40-60%, достигаемой в обычных системах с циклом сжатия (обратные системы Ренкина ). с использованием сжатия / расширения). [11] Из-за этой более низкой эффективности термоэлектрическое охлаждение обычно используется только в средах, где твердотельный характер (отсутствие движущихся частей ), низкие эксплуатационные расходы, компактный размер и нечувствительность к ориентации перевешивают чистую эффективность.

Хотя эффективность ниже, чем у обычных средств, она может быть достаточно высокой при условии

  • разница температур сохраняется как можно меньше, и,
  • ток поддерживается на низком уровне, потому что соотношение перемещенного тепла к отходящему теплу (при одинаковой температуре на горячей и холодной стороне) будет равным .

Однако, поскольку низкий ток также означает небольшое количество перемещаемого тепла, для всех практических целей коэффициент полезного действия будет низким.

Использует [ редактировать ]

Охладитель напитков с питанием от USB

Термоэлектрические охладители используются там, где требуется отвод тепла от милливатт до нескольких тысяч ватт. Они могут быть изготовлены как для небольших холодильников для напитков, так и для подводных лодок или железнодорожных вагонов. Элементы ТЕС имеют ограниченный срок службы. Их здоровье можно измерить по изменению их сопротивления переменному току (ACR). По мере износа охлаждающего элемента ACR будет увеличиваться. [ необходима цитата ]

Потребительские товары [ править ]

Элементы Пельтье обычно используются в потребительских товарах. Например, они используются в кемпингах , портативных холодильниках, охлаждающих электронных компонентах и ​​небольших инструментах. Их также можно использовать для удаления воды из воздуха в осушителях . Электрический охладитель для кемпинга / автомобиля обычно может снизить температуру до 20 ° C (36 ° F) ниже температуры окружающей среды, которая составляет 25 ° C, если в автомобиле температура достигает 45 ° C под солнцем. Куртки с климат-контролем начинают использовать элементы Пельтье. [12] [13] Термоэлектрические охладители используются для увеличения радиаторов микропроцессоров.

Промышленное [ править ]

Термоэлектрические охладители используются во многих областях промышленного производства и требуют тщательного анализа производительности, поскольку они проходят испытание на прохождение тысяч циклов, прежде чем эти промышленные продукты будут выпущены на рынок. Некоторые из приложений включают лазерное оборудование, термоэлектрические кондиционеры или охладители, промышленную электронику и телекоммуникации, [14] автомобильную промышленность, мини-холодильники или инкубаторы, военные шкафы, IT-шкафы и многое другое.

Наука и изображения [ править ]

Элементы Пельтье используются в научных приборах. Они являются обычным компонентом термоциклеров , используемых для синтеза ДНК с помощью полимеразной цепной реакции ( ПЦР ), обычного молекулярно-биологического метода, который требует быстрого нагрева и охлаждения реакционной смеси для денатурационного отжига праймеров и циклов ферментативного синтеза.

Благодаря схеме обратной связи элементы Пельтье могут использоваться для реализации высокостабильных регуляторов температуры, которые поддерживают заданную температуру в пределах ± 0,01 ° C. Такая стабильность может использоваться в точных лазерных приложениях, чтобы избежать дрейфа длины волны лазера при изменении температуры окружающей среды.

Эффект используется в спутниках и космических кораблях для уменьшения разницы температур, вызванной прямым солнечным светом на одной стороне корабля, путем рассеивания тепла по холодной затененной стороне, где оно рассеивается в виде теплового излучения в космос. [15] С 1961 года на некоторых беспилотных космических аппаратах (включая марсоход Curiosity) используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи), которые преобразуют тепловую энергию в электрическую с помощью эффекта Зеебека. Эти устройства могут прослужить несколько десятилетий, так как они работают за счет распада высокоэнергетических радиоактивных материалов.

Элементы Пельтье также используются для изготовления камер Вильсона для визуализации ионизирующего излучения . Просто пропуская электрический ток, они могут охлаждать пары до температуры ниже -26 ° C без сухого льда и движущихся частей, что упрощает создание и использование камер Вильсона.

Детекторы фотонов, такие как ПЗС в астрономических телескопах , спектрометрах или цифровых камерах очень высокого класса , часто охлаждаются элементами Пельтье. Это уменьшает количество темноты из-за теплового шума . Темный счет происходит, когда пиксель регистрирует электрон, вызванный тепловыми колебаниями, а не фотон. На цифровых фотографиях, сделанных при слабом освещении, они появляются в виде пятен (или «пиксельного шума»). [ необходима цитата ]

Термоэлектрические охладители могут использоваться для охлаждения компонентов компьютера, чтобы поддерживать температуру в пределах проектных ограничений или для поддержания стабильной работы при разгоне . Охладитель Пельтье с радиатором или водяным блоком может охладить чип до температуры значительно ниже окружающей. [16]

В волоконно-оптических приложениях, где длина волны лазера или компонента сильно зависит от температуры, охладители Пельтье используются вместе с термистором в контуре обратной связи для поддержания постоянной температуры и, таким образом, стабилизации длины волны устройства.

Некоторое электронное оборудование, предназначенное для использования в полевых условиях в военных целях, имеет термоэлектрическое охлаждение. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Термоакустика
  • Термотоннельное охлаждение

Ссылки [ править ]

  1. ^ Тейлор, РА; Солбреккен, GL (2008). «Комплексная оптимизация термоэлектрических устройств на системном уровне для электронного охлаждения». IEEE Transactions по компонентам и технологиям упаковки . 31 : 23–31. DOI : 10,1109 / TCAPT.2007.906333 . S2CID  39137848 .
  2. ^ DiSalvo, Фрэнсис (июль 1999). «Термоэлектрическое охлаждение и производство электроэнергии» . Наука . 285 (5428): 703–6. DOI : 10.1126 / science.285.5428.703 . PMID 10426986 . 
  3. ^ Poudel, Кровать (май 2008). «Высокотермоэлектрические характеристики наноструктурированных сплавов теллурида висмута и сурьмы в массе» . Наука . 320 (5876): 634–8. DOI : 10.1126 / science.1156446 . PMID 18356488 . S2CID 206512197 .  
  4. ^ a b «PCB Heaven - Объяснение элементов Пельтье» . PCB Heaven . PCB Heaven . Проверено 1 мая 2013 года .
  5. ^ Верстег, Оуэн. «Идентификация элемента Пельтье» . Проверено 14 октября 2013 года .
  6. ^ Ghoshal, Uttam (2001-07-31). «Высоконадежные термоэлектрические устройства и способ охлаждения» . patents.google.com . Проверено 12 марта 2019 .
  7. ^ а б Чжао, Дунлян (май 2014 г.). «Обзор термоэлектрического охлаждения: материалы, моделирование и приложения». Прикладная теплотехника . 66 (1-2): 15-24. DOI : 10.1016 / j.applthermaleng.2014.01.074 .
  8. ↑ Калифорнийский университет (18 апреля 2017 г.). «Хлорфторуглероды и разрушение озонового слоя» . Американское химическое общество . Проверено 11 марта 2019 .
  9. ^ «Модуль 99: Пропан как хладагент для использования в чиллерах для систем кондиционирования воздуха» . Журнал CIBSE . Сентябрь 2016 . Проверено 22 января 2020 .
  10. ^ «Руководство по радиатору» . Дата обращения 3 мая 2013 .
  11. ^ Браун, DR; Н. Фернандес; Дж. А. Диркс; TB Stout (март 2010 г.). «Перспективы альтернатив технологии сжатия пара для систем охлаждения помещений и пищевых холодильников» (PDF) . Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория (PNL) . Министерство энергетики США . Проверено 16 марта 2013 года .
  12. ↑ Сюй, Джереми (14.06.2011). «Холодно? Наденьте эту куртку. Горячо? Наденьте эту куртку на Термоконтролируемое пальто с температурой от нуля до 100 градусов Цельсия« одним нажатием кнопки » » . NBC News . NBC . Проверено 16 марта 2013 года .
  13. ^ Ferro, Shaunacy (2013-03-15). «Как зимние беды вдохновили нанотехнологии на все, от холода в шее до боли в коленях» . Популярная механика . Bonnier Corp . Проверено 16 марта 2013 года .
  14. ^ Использование модулей Пельтье для терморегулирования электронных систем . Electronics Weekly, 4 октября 2017 г.
  15. ^ Котляров, Евгений; Питер де Кром; Рауль Воетен (2006). «Некоторые аспекты оптимизации охладителя Пельтье применительно к контролю температуры воздуха в перчаточном ящике». SAE International . Серия технических статей SAE. 1 : 1. DOI : 10,4271 / 2006-01-2043 .
  16. ^ Fylladitakis, E. (26 сентября 2016) Фононными HEX 2,0 TEC CPU Cooler Обзор . Anandtech.com. Проверено 31 октября 2018.