Материал: Д5374П Булат Л.П. Бузин Е.В. Темоэлектрические охлаждающие у

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Кафедра электротехники

Термоэлектрические охлаждающие устройства

Методические указания для студентов специальности 070200 “Техника и физика низких температур”

Санкт-Петербург 2001

УДК 621.565.83

Булат Л.П., Бузин Е.В. Термоэлектрические охлаждающие уст-ройства: Метод. указания для студентов спец. 070200 “Техника и физика низких температур”.  СПб.: СПбГУНиПТ, 2001.  41 с.

Приводятся основные положения теории термоэлектрического охлаждения, описывается конструктивное оформление термоэлектрических модулей, изложены методы расчета термоэлектрических охлаждающих устройств, в том числе с помощью современных программных продуктов. Обсуждаются области приме-нения термоэлектрического охлаждения.

Рецензент

Доктор техн. наук, проф. Н.Н. Бухарин

Одобрены к изданию советом факультета техники пищевых произ-водств

 ^{Санкт-Петербургский государственн}ый

университет низкотемпературных

^{и пищевы}х ^{технологий,} 2001

Введение

Термоэлектрическое преобразование энергии, как метод прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, основан на электронных эффектах, возникающих в твердых телах (эффект Зеебека и другие). Уникальные свойства термоэлектрических источников энергии, такие как отсутствие движущихся частей, возможность использования низкопотенциальной тепловой энергии, полная экологическая чистота и исключительное удобство в управлении, определили неоспоримые преимущества в использовании термоэлектрических генераторов в качестве автономных источников энергии. Такие генераторы применяются на космических объектах и в медицине, в фермерских хозяйствах и на газопроводах, в морских навигационных системах и в информационных технологиях.

Обратный термоэлектрический эффект, наоборот, позволяет использовать электрическую энергию для получения холода. Эффект термоэлектрического охлаждения был впервые обнаружен и описан в 1834 году Жаном Пельтье. Это явление заключается в том, что при протекании через электрическую цепь, составленную из разнородных проводников постоянного электрического тока, в месте соединения проводников поглощается или выделяется некоторое количество тепла и, соответственно, это место цепи охлаждается или нагревается в зависимости от направления тока.

Последующие работы исследователей, пытавшихся объяснить природу явления Пельтье, показали, что количество поглощенного в месте соединения тепла пропорционально силе тока, времени его протекания и некоторому коэффициенту, зависящему от физико-химических свойств материала проводников цепи. При этом роль хладагента в термоэлектрической холодильной машине играет электронно-дырочный газ полупроводников.

Несмотря на то, что со времени открытия эффекта термоэлектрического охлаждения прошло более 165 лет, его практическое использование стало возможным лишь в последнее десятилетие.

Современные исследования в области термоэлектричества начались с работ А.Ф. Иоффе [1], который показал, что лучшими материалами для термоэлектрических преобразователей энергии (термо-электриками) являются полупроводники с примесями атомов других элементов. Он также предложил использовать термоэлектричество для создания холодильных машин совершенно иного типа – на твердотельной основе. Такие холодильники не имеют движущихся элементов и способны работать практически неограниченное время. Положения А.Ф. Иоффе инициировали активные дальнейшие работы в этом направлении [2]. В период с 1957 по 1965 гг. были проведены исследования всех известных в то время полупроводников, полуметаллов и сплавов, обнаружены лучшие материалы для термоэлектрического охлаждения: теллуриды висмута и свинца, сплавы висмут–сурьма. Была проделана огромная теоретическая работа, построены модели, очень хорошо описывающие существующие материалы. Однако даже лучшие материалы не позволяли создавать холодильные системы достаточной эффективности.

В течение последнего десятилетия вновь происходит очевидное оживление в области термоэлектрического охлаждения [3]. Недавние исследования по созданию и поиску материалов для термоэлектриков дают основание в ближайшем будущем ожидать существенного увеличения эффективности термоэлектрических холодильных машин [4]. Возрождение интереса к применению термоэлектрического охлаждения связано также с экологическими проблемами, возникающими при использовании традиционных методов получения холода (разрушение озонового слоя, парниковый эффект и т. д.). Термоэлектрические холодильники абсолютно безопасны с экологической точки зрения, не имеют изнашивающихся и трущихся элементов, а значит бесшумны в работе, характеризуются отсутствием вибраций, не требуют штатных устройств очистки рабочих тел, способны устойчиво работать длительное время. Термоэлектрические преобразователи энергии имеют и другие преимущества:

• возможность не только охлаждения, но и нагрева;

• исключительная надежность компонентов, вырабатывающих холод;

• возможность очень быстрого охлаждения;

• высокая точность регулировки температуры и возможность термостатирования путем изменения тока питания;

• независимость параметров термоэлектрических модулей от силы тяжести и ориентации в пространстве, а также малая чувствительность к высоким механическим нагрузкам;

• отсутствие необходимости в техническом обслуживании.

Все перечисленные преимущества термоэлектрических холодильных машин порой не оставляют выбора разработчикам систем охлаждения для самых различных областей применения.

Некоторые положения теории термоэлектричества Виды проводимости термоэлектриков

Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин зависит от физических свойств материалов (термо-электриков), из которых изготовлены их активные элементы. Простейшую элементарную цепь, состоящую из двух разнородных проводников (полупроводников), которые соединены непосредственно или с помощью коммутационной пластины, обычно называют термоэлементом и используют в качестве простейшего термоэлектрического охладителя. Если же термоэлемент применяется в качестве простейшего термоэлектрического генератора для измерения температуры, то его называют термопарой.

Одним из основных параметров термоэлектриков является их удельное электрическое сопротивления  или удельная электропроводность  = 1/ [5]. В термоэлементах, как правило, используются полупроводники, удельная электропроводность которых зависит от легирующих примесей, температуры, давления, освещения.

Если в кристаллическую решетку полупроводника вводят атомы, внешние электроны которых связаны непрочно, то при их отрыве число свободных электронов проводимости в материале увеличивается, в результате чего электропроводность полупроводника повышается. Такие примеси называются донорами (полупроводники n-типа).

В том случае, когда в чистый материал полупроводника вводят атомы с незаполненной внешней электронной оболочкой, такие атомы укомплектовывают свой незаполненный уровень электронами соседних атомов, у которых связь электронов непрочна. Это приводит к образованию “дырки” на месте утраченного электрона у основного атома. Такой атом теряет электронейтральность и превращается в положительно заряженный ион, который стремится захватить электрон у соседнего атома. Примеси, повышающие ионную проводимость материала полупроводника, называются акцепторными. Если на кристалл такого полупроводника воздействовать внешним электрическим полем, то движение дырок будет противоположно движению электронов. Проводимость, обусловленная передвижением “дырок”, получила название дырочной проводимости (полупроводниковые материалы p-типа).

Таким образом, электропроводностью полупроводников можно управлять, вводя в них незначительное количество примесей. Этот способ является основным и наиболее доступным средством изменения свойств полупроводниковых материалов. При создании в полупроводнике электрического поля возникает движение электронов и дырок, а общий ток представляет собой сумму электронного и дырочного токов. Поэтому целесообразно составлять термоэлементы из материалов с электронной и дырочной проводимостями [5].

Термоэлектрические эффекты

Работа термоэлектрических холодильных машин и генераторов базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны, как с превращением тепловой энергии в электрическую, так и с превращением энергии электрического тока в холод.

Эффект Зеебека состоит в том, что если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Т_г (горячий спай), а на другом температуру Т_х (холодный спай), то при условии Т_г  Т_х на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток.

Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока). Когда электроны переходят из материала p-типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай) [3].

Эффект Томсона состоит в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создан градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты. Физическая причина данного эффекта связана с тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. Тогда на горячем спае электроны приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие чего возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На горячем конце накапливается положительный заряд, на холодном – отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов совсем его останавливает. Аналогично протекают вышеописанные явления и в веществах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце накапливается отрицательный заряд, а на холодном – положительно заряженные дырки. Поэтому в веществах со смешанной проводимостью эффект Томсона оказывается несущественным [5].

Взаимосвязь между рассматриваемыми термоэлектрическими эф-фектами представлена на рис.1.

Рис. 1. Термоэлектрические эффекты:

а – эффект Зеебека; б – эффект Пельтье

Термоэлектрический модуль

Основными элементами любой термоэлектрической холодильной машины являются так называемые термоэлектрические модули (рис. 2) – небольшие устройства, представляющие собой последовательно соединенные в электрическую цепь полупроводниковые термоэлементы, каждый из которых состоит из двух полупроводниковых столбиков p- и n-типа (их называют также ветвями). Иными словами, термоэлектрический модуль представляет собой термоэлектрическую батарею, состоящую из термоэлементов, причем количество термоэлементов в разных модулях может меняться от нескольких штук до нескольких сотен. По тепловому потоку полупроводниковые столбики в модуле соединены параллельно. Столбики, как в сэндвиче, заключены между двумя пластинами (обычно керамическими), которые хорошо проводят тепло, но являются электрическими изоляторами.

Различные фирмы в разных странах мира серийно производят термоэлектрические охлаждающие модули примерно одинаковых типоразмеров, так называемый, мелкоровский ряд (по названию компании Melcor, США, которая первой освоила серийное производство подобных модулей). Подчеркнем, что российские компании «Криотерм», «Норд», «Остерм» и другие занимают лидирующее место в мире по качеству производимых модулей.

Рис. 2. Принципиальная схема термоэлектрического холодильного блока:

1 – объект охлаждения; 2 – источник постоянного тока; 3 – полупроводники р- и n-типов; 4 – электропроводник; 5 – электроизолятор; 6 – теплоотводящий элемент

Модуль – самостоятельный охлаждающий узел. Однако он не может работать без отвода теплоты от горячей стороны. Поэтому термоэлектрический холодильный блок всегда состоит из трех частей [6]:

• термоэлектрического модуля или модулей;

• радиатора горячей стороны модуля;

• охлаждаемого объекта на холодной стороне.

Охлаждаемый объект может находиться в непосредственном тепловом контакте с холодной стороной модуля, однако чаще используется теплопроводящая пластина, либо воздушный или жидкостной теплообменник.

Общий вид термоэлектрического охлаждающего модуля представлен на рис. 3.

Рис. 3. Типичные термо- электрические модули

Основные расчетные соотношения для охлаждающего термоэлемента

Рассмотрим работу термоэлемента, состоящего из двух полупроводниковых ветвей 3 с электронной и дырочной проводимостями и из металлических контактных перемычек 5 (этому случаю соответствует рис. 2, если там оставить только одну пару ветвей). При распространении постоянного тока в указанном направлении нижние перемычки нагреваются, а верхние – охлаждаются. В этом случае верхнюю перемычку называют холодным спаем (температура Т_х), а нижнюю – горячим спаем (температура Т_г).

Количество теплоты, которое выделяет горячий спай, будет больше теплоты, которую поглощает холодный спай, на величину затрат электроэнергии [5]:

Q_г = P + Q₀. (1)

Энергия P расходуется на совершение работы A по перемещению зарядов против разности электрических потенциалов, возникающих в цепи при неравенстве Т_г и Т_х в соответствии с законом Зеебека. Таким образом,