Термоэлектрическое охлаждение использует электрическую энергию для создания разницы температур между двумя типами материалов. В основе термоэлектрического охлаждения лежит термоэлектрический эффект. Он также используется в термоэлектрических нагревателях и генераторах.
Термоэлектрическое охлаждение (основанное на эффекте Пельтье) в настоящее время является доминирующей технологией твердотельного охлаждения, и оно может охлаждать от комнатной температуры до примерно 170 К (-103,1 °C). Такие системы охлаждения используются в авиации, космических исследованиях и военных проектах, то есть везде, где важны высокая эффективность, надежность и низкие требования к обслуживанию.
Термоэлектрический охлажадющий модуль
Как работают термоэлектрические устройства
Эффекты Зеебека и Пельтье представляют собой взаимные корреляции между электричеством и теплом, переносимыми электронами в твердых телах. Когда коэффициент Зеебека и электропроводность велики в материале, такой материал может преобразовывать электрическую энергию в тепло и наоборот. Это схематически показано на рисунке ниже.
Стержень из материала, находящегося под действием градиента температуры, создает на образце термоэлектрическое напряжение
U = S х dT,
где dT – разность температур между краями образца, а S – коэффициент Зеебека.
Если напряжение U достаточно велико, стержень работает как гальваническая батарея и вырабатывает электрическую энергию при внешней нагрузке, подключенной к стержню.
В этой ситуации термоЭДС соответствует напряжению холостого хода батареи, а сопротивление стержня соответствует внутреннему сопротивлению батареи. Такой материал называется термоэлектрическим материалом, а устройство, изготовленное из него, называется термоэлектрическим устройством.
Коэффициент Зеебека характеризует эффективность этих материалов как отношение электрического потенциала к градиенту температуры.
На самом деле устройство на рисунке представляет собой упрощенную картину термоэлектрического устройства. Поскольку токоподвод обычно является хорошим проводником тепла, тепло, приложенное к левому краю, будет проходить через вывод и не будет создавать достаточную разницу температур. Чтобы избежать этого, следует сделать пару стержней.
Такая структура представляет собой не что иное, как термопару, и тепло, приложенное к соединению, теперь проходит через пару термоэлектрических ветвей. В этом отношении термоэлектрическое устройство представляет собой термоэлектрический преобразователь (термопару), способную генерировать электрическую энергию.
Два проводника, соединенные металлической перемычкой, образуют ножки. термопары, которую можно использовать для термоэлектрических применений.
Очевидно, что пара должна быть парой материалов n- и p-типа, чтобы максимизировать термоэлектрическое напряжение. Еще одно требование заключается в том, чтобы теплопроводность была как можно ниже, чтобы максимизировать разницу температур.
Термопарные спаи играют полезную роль как в качестве контактных датчиков температуры для обработки пластин, так и в качестве эталонов температуры для калибровки датчиков.
Термоэлектрический прибор не только вырабатывает электроэнергию из тепла, но и преобразует электроэнергию в тепло посредством эффекта Пельтье, то есть охлаждает спай внешним током. Это явление известно как термоэлектрическое охлаждение или охлаждение Пельтье.
Коэффициент Пельтье равен коэффициенту Зеебека, умноженному на абсолютную температуру. Таким образом, материалы с большим коэффициентом Зеебека при температуре, близкой к комнатной или ниже комнатной, можно использовать для термоэлектрического охлаждения.
Термоэлектрические твердотельные холодильники
Термоэлектричество было открыто Зеебеком в девятнадцатом веке. Современные же исследования в области термоэлектричества начались в 1930-х годах А. Ф. Иоффе.
Он заметил, что легированные полупроводники являются лучшими термоэлектриками и предложил использовать термоэлектричество для изготовления твердотельных холодильников. Такие холодильники не имели бы движущихся частей и служили бы бесконечно долго.
Предложение Иоффе вызвало бурную деятельность во всем мире. В период 1957–1965 гг. были проведены измерения всех известных полупроводников, полуметаллов и многих сплавов. В то время были открыты лучшие холодильные материалы: теллурид висмута, теллурид свинца и сплавы висмута с сурьмой.
В тот же период была проделана очень хорошая теоретическая работа и построены модели, которые очень хорошо описывали существующие материалы. Однако на практике даже из лучших термоэлектрических материалов производились холодильники с низкой эффективностью.
Изготовление бытовых холодильников из термоэлектриков казалось несбыточной мечтой. Одно эссе того времени удачно подытожило эти начинания под заголовком «Термоэлектричество: прорыв, которого так и не произошло».
Развитие технологий стимулировало поиск лучших материалов для термоэлектрического охлаждения и производства электроэнергии и в наше время интерес к термоэлектрикам возрадился. Инвесторы снова готовы поддержать эту область, чтобы увидеть, может ли современная наука о материалах улучшить результаты 50-летней давности.
На данный момент эталон эффективности систем охлажения — фреоновый компрессор в каждом доме и на производстве. Термоэлектрические твердотельные холодильники имеют примерно треть эффективности фреоновой технологии, поэтому такие холодильники не являются конкурентоспособной технологией для большинства применений.
Основными преимуществами охладителя Пельтье по сравнению с обычным холодильником являются отсутствие в нем движущихся частей или циркулирующей жидкости, очень долгий срок службы, неуязвимость к утечкам, небольшие размеры и гибкая форма.
Термоэлектрическое охлаждение — это чисто электрофизический процесс, не требующий охлаждающей среды. В результате устройство не нужно устанавливать в определенном положении — оно может работать даже в невесомом состоянии. Горизонтально, вертикально, под наклоном или даже вверх ногами.
Благодаря модульной конструкции блоков мощность охлаждения можно масштабировать и увеличивать по мере необходимости. Поэтому, если мощности охлаждения в 100 Вт недостаточно, не нужно отказываться от преимуществ термоэлектрического охлаждения.
Легко интегрируя несколько отдельных блоков рядом друг с другом, можно легко повысить эффективность охлаждения. Единственными движущимися частями этих агрегатов являются два вентилятора для внутренней и внешней циркуляции воздуха. Таким образом, не требующая технического обслуживания эксплуатация этих агрегатов является неоспоримым преимуществом.
Основными недостатками охладителя Пельтье являются высокие затраты на заданную холодопроизводительность и низкая энергоэффективность.
Термоэлектрические охлаждающие устройства занимают нишу на рынке, где надежность важнее эффективности. Небольшие термоэлектрические холодильники используются для охлаждения компьютерных микросхем и инфракрасных детекторов. Четырехступенчатое термоэлектрическое устройство может охлаждать от комнатной температуры до чуть 170 К.
В настоящее время самый большой потребительский рынок приходится на термоэлектрические холодильники для пикника: они подключаются к прикуривателю автомобиля.
Также термоэлектрические стройства также могут использоваться для выработки электроэнергии. Если электрический ток идет в одном направлении, термоэлектрический материал ведет себя как холодильник, а если в другом направлении, он действует как генератор энергии. Благодаря этому свойству холодильники для пикника также можно использовать для разогрева обеда.
Устройство термоэлектрического холодильника
На следующем фото показан холодильник для автомобиля с кружкой на 250 мл внутри. С правой стороны (на фото не видно) находится переключатель, который меняет направление электрического тока на противоположное, благодаря чему устройство может работать как термоэлектрический холодильник либо как термоэлектрический обогреватель. Четыре винта в центре внутренней стенки удерживают модуль Пельтье.
На следующем фото видна внутренняя часть с другой стороны, сняв заднюю крышку (НИКОГДА не снимайте крышку холодильника, пока он подключен к электрической сети!). С правой стороны находится алюминиевый радиатор, а с левой стороны крышки — вентилятор, способствующий передаче тепла за счет принудительной конвекции между окружающей средой и радиатором.
Устройство термоэлектрического охладителя
На рисунке показан традиционный термоэлектрический охладитель. Контакты обеспечиваются припаиванием термоэлектрических блоков к металлическим межсоединениям, обычно медным контактным площадкам, которые непосредственно соединены с керамическими пластинами.
Керамические пластины обеспечивают механическую структуру, низкое термическое сопротивление и плоскую поверхность для сопряжения с пластинами теплопередачи.
Наиболее распространенной керамикой являются Al2O3, AlN и BeO.
Al2O3 является наименее дорогим выбором подложки и имеет достаточную теплопроводность для многих применений. BeO имеет самую высокую теплопроводность этой группы при ~ 220 Вт м-1 К-1, но менее популярен из-за стоимости.
Имея теплопроводность примерно вдвое меньше, чем у BeO, AlN является наиболее распространенной керамикой для приложений с высоким тепловым потоком. AlN также имеет низкий коэффициент теплового расширения, что является преимуществом, поскольку сжатие и расширение керамических пластин во время термоциклирования в конечном итоге вызывает растрескивание термоэлектрического материала или паяного соединения.
В индустрии термоэлектрического охлаждения используются различные припои. Как правило, эти припои используются в других электронных приложениях и выбираются по схожим причинам, таким как простота изготовления, прочность и пластичность при низких температурах.
Единственным исключением является группа припоев, которые содержат более 90% висмута. Эти припои обладают очень хорошей устойчивостью к термоциклированию и могут наноситься непосредственно на термоэлектрические материалы с приемлемыми результатами.
Чтобы использовать другие припои, как правило, необходимо защитить термоэлектрические материалы металлическим слоем, обычно никелем, для предотвращения взаимодействий.
Как уже говорилось ранее, одно и то же термоэлектрическое устройство может использоваться как для охлаждения, так и для выработки электроэнергии, и в обоих случаях максимальную эффективность определяют только температура и качество материала. Однако в действительности охлаждающее устройство подходит для генерации только в том случае, если разница температур относительно мала, а источник тепла имеет умеренную температуру.
Кулер для воды с модулями Пельтье
Современные материалы для термоэлектрических холодильников
Термоэлектрические материалы для твердотельных устройств без движущихся частей всегда вызывали большой технологический интерес.
Термоэлектрические материалы характеризуются ZT (термоэлектрической эффективностью), т. е. имеют одновременно большой коэффициент Зеебека, высокую проводимость и низкую теплопроводность. Такие требования трудно удовлетворить, потому что эти три параметра являются функциями концентрации носителей, которые нельзя настроить независимо.
Ранние термоэлектрические исследования были сосредоточены на полупроводниках. Тем не менее соединения редкоземельных элементов могут стать новыми термоэлектрическими материалами и в настоящее время они активно исследуются.
Традиционно термоэлектрическое охлаждение в твердом теле осуществляется устройствами на основе охладителей Bi2Te3, которые при комнатной температуре имеют параметр эффективности, близкий к единице. Однако конкурентоспособные термоэлектрики должны иметь значения эффективности значительно выше.
Bi2Te3 широко используются в микроэлектронных и оптоэлектронных устройствах для охлаждения и стабилизации температуры. Поликристаллические сплавы SiGe также используются в качестве термоэлектрических материалов.
В течение последних 30 лет, после очень активного периода 1955–1965 гг., исследования в области термоэлектричества в мире были незначительными. Основная деятельность заключалась в создании источников энергии для космических спутников и станций.
В рамках этой деятельности были разработаны новые термоэлектрические-материалы для производства электроэнергии. Эти материалы хорошо работают при высоких температурах: TAGS, сплавы Si-Ge 18–28, 29–35 и LaCl3.
Недавние исследования обнаружили еще один материал, обладающий хорошими термоэлектрическими свойствами при высоких температурах: скуттерудиты, которые хорошо работают при 700 K. CoAs3, обнаруженный в Скуттеруде, Норвегия, служит прототипом для этого класса материалов.
Несмотря на кубическую форму, кристаллическая структура сложна. На элементарную ячейку приходится 16 или 32 атома, в зависимости от того, как считать. В решетке есть пустые узлы, в которые могут быть вставлены другие атомы.
Это приводит к родственному классу материалов, называемых наполненными скуттерудитами, открытым Джейчко и Брауном. Если атомы в узлах клетки малы и могут вибрировать, теплопроводность значительно снижается.
Эти материалы находятся в стадии активного изучения.
Новые высокотемпературные термоэлектрические материалы хорошо работают при высоких температурах, что привело к постепенному прогрессу в технологии производства электроэнергии с использованием термогенераторов.
Ситуация совершенно иная для охлаждающих материалов при температуре ниже комнатной. На данный момент известны только два достойных материала: теллурид висмута-сурьмы и сплавы висмута-сурьмы. Их недостаточно, чтобы построить все холодильники и охлаждающие устройства, необходимые для техники.
Сегодня невозможно построить термоэлектрический холодильник, охлаждающий от комнатной температуры до температуры перехода сверхпроводника. Самая насущная потребность – найти новые термоэлектрические материалы, работающие при температурах ниже 200 К.
Тем не менее даже при продемонстрированных рабочих температурах и эффективности современное поколение материалов для термоэлектрического охлаждения обладает значительным потенциалом в ряде важных областей науки и техники.