Термоэлектрическое охлаждение конструкций ЭС.

При охлаждении и термостатировании приборов и отдельных узлов эффективно применяются термоэлектрические элементы. Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании ряда эффектов.

Эффекта Пельтье (1884). Заключается в том, что на границе (спае) двух различных проводников при протекании электрического тока в зависимости от его направления выделяется или поглощается тепло.

P _п = ±П J,

где П – коэффициент Пельтье, В; знаки () указывают на свойство материалов поглощать или выделять энергию.

Эффект Зеебека. Если спай двух разнородных материалов имеет температуру T, отличную от окружающей T _c, то на концах проводника возникает термо- э.д.с.

E = ±γΔ T,

где Δ T = T -T _с, γ- коэффициент Зеебека, В/К.

При соединении полупроводников р- и n типов, имеет место следущая связь между введенными коэффициентами:

П = γ T, γ = γ_p - γ_n

γ_p,γ_n -коэффициенты Зеебека для материалов проводимости р и n типов.

Кроме указанных эффектов при описании явлений, происходящих в термобатарее, будут использоваться законы Фуре и Джоуля.

Эффект Пельтье проявляется тем сильнее, чем больше термоэлектродвижущая сила в контакте выбранных материалов. Наибольшая термоэлектродвижущая сила возникает на спае двух полупроводников с р- и n -проводимостью. Поэтому спай полупроводников с электронной и дырочной проводимостью является термоэлементом (рис.). Объединение термоэлементов в батарею позволяет получить термоэлектрические холодильники.

Если источник напряжения включен в соответствии с рис. 3, то верхний спай 1поглощает тепло (холодный спай), на нижнем спае 2тепло выделяется (горячий спай). К холодному спаю подводится поток Р_х от окружающей среды или охлаждаемого объекта, от горячего спая за счет теплопроводности передается поток Р_Т. При протекании электрического тока через термоэлемент часть электрической энергии преобразуется в тепловую Р_Д (джоулевы потери).

Рис.2 Полупроводниковый термоэлемент

В стационарном режиме сумма поступающих к холодному спаю тепловых потоков компенсируется за счет эффекта Пельтье, т.е.

Р_П = Р _х + Р _т + Р _д.

Если пренебречь теплопередачей в окружающее пространство с боковых поверхностей термоэлемента, то

P _т = σ_тΔ t,

где σ_т — тепловая проводимость термоэлемента между горячим и холодным спаями; Δ t — разность температур горячего и холодного спаев.

Учитывая, что коэффициенты теплопроводности р- и п- полупроводника приблизительно равны

σ_т = (λ_p S _p /l + λ_n S _n /l) = 2λ S/l,

где S — площадь поперечного сечения полупроводниковых элементов; l — их длина.

Предполагая, что джоулево тепло распределяется поровну между холодным и горячим спаями, можно записать Р _д = 0,5 J ² R, где J - ток, протекающий через термоэлемент; R - электрическое сопротивление термоэлемента.

Поскольку P _п = ±П· J, где П – коэффициент Пельтье, холодопроизводительность термоэлемента

P_x = П J - 0,5 J ² R - σ_тΔ t;

тепловой поток, который требуется отводить с горячего спая,

P _г = П J + 0,5 J ² R - σ_тΔ t.

Коэффициент полезного действия термоэлемента определяют как ή = Р_х / Р, где Р — полная электрическая мощность, отбираемая от источника электропитания. Ввиду того что

Р = UI, U = IR + E _т,

где Е _т = γΔ t — термоэлектродвижущая сила, возникающая на спае при разности температур горячего и холодного спаев Δ t (γ— коэффициент Зеебека), коэффициент полезного действия

ή = (П I - 0,5 I²R - σ_тΔ t)/(γ I σ_тΔ t + I ² R).

Различают два экстремальных режима работы термоэлемента: максимального коэффициента полезного действия и максимальной холодопроизводительности. Первый из режимов обеспечивает минимальные затраты энергии, второй — позволяет при прочих равных условиях снимать большую тепловую нагрузку. Как следует из графического решения уравнения, представленного на рис. 3, максимальной холодопроизводительности соответствует некоторое оптимальное значение тока I _орt, протекающего через термоэлемент.

Рис.4 Определение I _орt Рис.5 Использование термобатареи

Термоэлектрические батареи получают путем последовательного или параллельного включения отдельных элементов. При создании системы охлаждения объекта с помощью термоэлектрической батареи предусматривается электрическая изоляция объекта 2и теплообменника 4 диэлектрическими прокладками 3,выполненными из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (рис. 4).

Разработанные в настоящее время конструкции термобатарей рассчитаны на площадь охлаждаемых объектов 2...31 мм; имеют массу 0,01...62 г, объем — 2...760 мм³. Потребление от источников электропитания составляет 0,15...8 Вт. Время выхода термобатареи на рабочий режим лежит в пределах 2...5 с.

Термобатареи выпускаются в виде модулей, которые могут быть встроены в готовую конструкцию.

Достоинства термоэлектрического охлаждения: возможность осуществлять термостатирование на уровне выше и ниже температуры окружающей среды; реверсировать системы охлаждения (легкий переход от нагрева к охлаждению);отсутствие подвижных частей, надежность и долговечность, бесшумность работы, простота эксплуатации; малогабаритное исполнение. Указанные особенности объясняют широкое внедрение термоэлектрического охлаждения в приборостроении.

Тепловые трубы.

Тепловая труба (ТТ) — испарительно-конденсационное герметичное устройство с использованием капиллярных сил, служащее для передачи тепла и работающее по замкнутому циклу. Конструктивно представляет собой герметичный объем, ограниченный корпусом трубы (рис. 1), внутренняя поверхность которого выложена капиллярно-пористой структурой, насыщенной смачивающей жидкостью. Капиллярно-пористая структура может быть реализована в виде металлической сетки, спеченных гранулированных материалов, металловолокна, стеклоткани и системы канавок на внутренней стенке корпуса. Смачивающая жидкость является теплоносителем, и в зависимости от уровня температуры в зоне источника тепла в качестве теплоносителя выбираются жидкие металлы, ртуть, аммиак, вода, ацетон, спирты, фреоны и др.

Рис. 5. Конструкция тепловой трубы

При температурах свыше 750 К используются жидкие металлы, для диапазона температур 550 К < Т< 750 К — ртуть (высокотемпературные ТТ). В области средних температур (200 К< T <550 К) в качестве теплоносителя применяются органические жидкости, вода (низкотемпературные ТТ), при температурах ниже 200 К теплоносителем служат сжиженные газы (криогенные ТТ).

Тепловая труба делится на три зоны: (рис.1) испарительную а, транспортную б и конденсационную в. При подводе тепла к испарительной зоне теплоноситель в этой части капиллярно-пористой структуры начинает испаряться. Пары теплоносителя, пройдя транспортную зону, поступают в конденсационную зону, где в результате конденсации паров выделяется тепло, а жидкость под действием капиллярных и гравитационных сил возвращается в зону испарения. При конденсации пара выделяется тепло, которое отводится в теплообменник.

Таким образом, ТТ является элементом системы охлаждения, способным транспортировать тепло из одной части конструкции в другую при минимальной разности температур между источником тепла и теплостоком. Другими словами, ТТ аналогична стержню, передающему тепло кондукцией, изготовленному из материалов с коэффициентом теплопроводности λ = 10⁴ Вт/(м • К). Высокая эффективность ТТ обеспечивается при условии, что в конденсационной зоне осуществляется отбор тепла, выделяемого при конденсации, с помощью теплообменника, а тепловые сопротивления между источником тепла и трубой в зоне испарения, а также между трубой и теплообменником в конденсационной зоне малы.

Тепловые трубы могут быть круглые, плоские, гибкие, У-образные, змеевидные и др. В конструкциях ЭС тепловые трубы выполняют следующие функции: снижение теплового сопротивления между источником и стоком тепла; отвода тепла из труднодоступных зон конструкций с высокой плотностью тепловых потоков; выравнивание тепловых потоков в пределах конструкции ЭВС, сбор тепла от многих источников, расположенных в различных зонах конструкции, к единому стоку тепла, где созданы оптимальные условия теплообмена, и др.

Пример. Пусть весь прибор охлаждается благодаря свободной конвекции, но при этом возникает необходимость разместить внутри прибора теплонагруженный блок, требующий для нормальной работы принудительное воздушное охлаждение, а место для размещения вентилятора отсутствует. В этом случае с помощью ТТ тепловой поток может быт отведен на часть оребренного корпуса прибора (рис.6).

Рис.6 Охлаждение отдельного теплонагруженного блока

а – в условиях свободной конвекции; б – с помощью ТТ; 1- теплонагруженный блок; 2 – тепловая труба; 3 – наружное оребрение корпуса (радиатор)