Термоэлектрическое охлаждение.

Термоэлектрический способ охлаждения основан на так называемом эффекте Пельтье. В 1834 г. французский физик Пельтье установил, что в замкнутой цепи, спаянной из двух разных металлов, при нагреве одного из спаев начинает течь электрический (постоянный) ток (этот принцип использован в термопарах для измерения температуры). Следовательно, если по такой цепи пропускать постоянный ток, один из спаев бу- дет нагреваться, а другой охлаждаться. Однако количество те- пла, переносимое от одного спая к другому, при использова- нии металлических проводников настолько незначительно, что долгое время этот эффект не находил практического при- менения. Советским академиком А.Ф. Иоффе с сотрудниками в 1949 г. было установлено, что перенос тепла от одного спая к другому значительно увеличивается при использовании замк- нутой цепи из двух разных полупроводников. Это открытие положило начало практическому использованию термоэлек- трического охлаждения. Такой метод оказался незаменимым для локального (местного) охлаждения в медицине, при раз- личных лабораторных исследованиях и др. Аппарат термоэлектрического охлаждения представля- ет собой батарею, состоящую из отдельных последовательно спаянных между собой полупроводниковых термоэлементов. Термоэлемент (рис. 1.1.) имеет два полупроводника, которые изготовлены в виде прямоугольных или цилиндриче- ских брусков. Один из полупроводников обычно сделан из сплава свинца и теллура, другой - из сплава теллура и сурьмы.

Полупроводники последовательно соединены спаян- ными с ними медными пластинами.

При прохождении постоянного тока через спаи одни из них (верхние или нижние в зависимости от направления тока) будут поглощать, а другие выделять некоторое количество те- пла. Таким образом, тепло переносится электрическим током, т.е. движущимися электронами. Объясняется это тем, что энергия электронов, участвующих в переносе тока в различ- ных полупроводниках, различна. При переходе из одного по- лупроводника в другой электроны либо передают избыточную энергию окружающим атомам, либо пополняют (в зависимо- сти от направления тока и свойств полупроводников) недоста- ток энергии за их счет. Если направление тока таково, что электроны, обладающие большей энергией, переходят в полу- проводник, где энергия электронов меньшая, то избыток энер- гии в месте перехода (спая) выделяется в виде тепла и спаи, т.е. медные пластины, будут нагреваться. В то же время про- тивоположные концы полупроводников с припаянными к ним пластинами будут охлаждаться. При перемене направления тока нагрев и охлаждение спаев соответственно изменяются. Поток электронов переносит тепло от одного спая к другому, выполняя те же функции, что и холодильный агент в холо- дильной машине. Термобатарею располагают таким образом, чтобы хо- лодные спаи находились в объекте, подлежащем охлаждению, а горячие - снаружи. Для лучшей передачи тепла от охлаждае- мого тела к холодным спаям и от горячих спаев окружающему воздуху (или воде) теплопередающие поверхности увеличи- вают за счет большого количества ребер. Получение качественных термоэлектрических элемен- тов позволило изготовителям бытовых холодильников создать термоэлектрические бытовые агрегаты. Были сделаны попыт- ки создать бытовые холодильники большого объема (100-150 дм 3) с морозильным отделением и без него, но они не выдер- жали конкуренции с компрессионными и абсорбционными холодильниками из-за высокого энергопотребления. При объ- еме 120-140 дм 3 холодильник с термоэлектрическим материа- лом высокого качества потребляет в 3 раза больше электро- энергии, чем компрессионный. В то же время, наряду с тенденцией к увеличению объ- ема домашних холодильников, появился спрос на холодиль- ники небольших объемов, в том числе для эксплуатации на транспорте. Эти холодильники должны быть небольшого объ- ема, работать в условиях транспортной тряски при напряже- нии 12В или 24В. В этих условиях термоэлектрические холо- дильники незаменимы. Следует учесть, что продукты в транспортных холо- дильниках хранятся недолго. Это позволяет повысить темпе- ратуру охлаждения до -8-100С и при окружающей температуре +30-320С перепад температур должен быть 25-270С. Это об- стоятельство существенно, так как с уменьшением разности температур холодопроизводительность термоэлектрических агрегатов увеличивается больше, чем у компрессионных и особенно абсорбционных. Это, а также преимущества термо- электрических холодильников по надежности, уровню звука, удельной материалоемкости, позволяет сделать вывод, что це- лесообразно создавать термоэлектрические холодильники только малых объемов (до 40-50 дм 3). Недавние разработки (2001 г.) американских инжене- ров в области поиска новых термопар, позволяющих реализо вать эффект Пельтье с более высоким КПД, увенчались успе- хом. Они предложили использовать термопары из двух солей теллуроводородной кислоты - теллурида висмута и теллурида сурьмы. Многослойная конструкция из таких термопар обра- зует сверхрешётку, способную поглощать теплоту в 2,5 раза эффективнее, чем все известные сегодня устройства такого рода. Исследователи надеются, что их разработка также ляжет в основу новых устройств для охлаждения компьютерных процессоров и других микроэлектронных компонентов.