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

Конструкционное оформление термоэлектрических модулей Керамические материалы

Большинство термоэлектрических модулей состоит из батареи термопар, помещенных между двумя теплопереходами, выполненными, как правило, из керамических пластин (рис. 1, 2). Материал, из которого изготавливаются такие пластины, должен являться хорошим электроизо-лятором, иметь достаточно высокую механическую прочность, обладать высокой теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью меди (386 Вт/м К). Размер керамических пластин определяет геометрические параметры всего модуля, поскольку площадь поверхности блока термоэлементов составляет лишь около 40 % от поверхности пластины.

В качестве керамических теплопереходов в основном используется материал на основе оксида алюминия (Al₂O₃) с теплопроводностью порядка 25 Вт/м К. Оксид бериллия обладает гораздо более высокой теплопроводностью – 250 Вт/мК, но он является слишком дорогим сегодня, и, кроме того, токсичным. Прекрасными свойствами и очень высокой теплопроводно-стью – 180 Вт/мК, характеризуется нитрид алюминия (AlN). Стоимость этого материала, которая несколько лет назад была сравнительно высокой, в настоящее время снижается в связи с массовым его производством, и это уже довольно распространённый материал.

Модули, производимые без керамических теплопереходов, являются более компактными, поскольку элементы в них разделены лишь тонким слоем электроизолятора толщиной около 0.1 мм. В таких модулях, тем не менее, необходима электроизоляция между медными контактами и теплообменником. В основном для этого используется тонкий органический изолятор, такой как мулар или кэптон [8].

Эффективность термоэлектрического модуля зависит в первую очередь от качества материала полупроводника, и, в меньшей степени, от теплопроводности электроизолятора, будь то керамический, или органический изоляционный материал.

Тепловое сопряжение термобатареи (модульный интерфейс)

Минимальным тепловым сопротивлением обладает паяный интерфейс. Сегодня производители термоэлектрических холодильных устройств сопрягают модули с керамикой при помощи так называемой “термосмолы” (эпоксидная смола) – порошка оксида цинка в жидком стекле. Существуют также термоподложки [8]. Такое сопряжение позволяет проводить значительные тепловые потоки, что существенно снижает тепловое сопротивление поверхности между керамической пластиной и металлическим теплообменником, которое составляет порядка 0.35 Ксм²/Вт. Керамика на основе оксида алюминия толщиной 0.6 мм имеет тепловое сопротивление 0.24 Ксм²/Вт (порядка сопротивления её интерфейса). Лист кэптона толщиной 50 мкм обладает сопротивлением 0.5 Ксм²/Вт и имеет два интерфейса сопротивлением 0.35 Ксм²/Вт каждый.

Теплообменники

До настоящего времени рынок термоэлектрических модулей существовал для “универсальных” модулей, которые могли различными способами монтироваться на практически любой теплообменник. Сегодня растёт доля рынка термоэлектрических модулей, которые производятся для конкретных целей с уже встроенными теплообменниками [8].

Две подобные технологии представляются наиболее перспективными.

Специальные алюминиевые теплообменники с электроизоляцией контактов

По данной технологии термоэлектрические модули монтируются непосредственно на теплообменник, оребрённый алюминиевыми пластинами. Основным недостатком здесь является различие коэффициентов теплопроводности в алюминиевых и медных контактах. Данная технология, возможно очень экономичная, требует подтверждения с точки зрения надежности.

Теплообменники из нитрида алюминия

Преимущество такой технологии в том, что нитрид алюминия является прекрасным проводником тепла и отличным электроизолятором, наряду с тем, что он обладает высокой механической прочностью. Следовательно, при использовании данной технологии можно значительно упростить интерфейс термоэлектрического модуля.

Применения термоэлектрического охлаждения

Важные преимущества термоэлектрического метода получения холода в сравнении с другими типами охлаждения обусловили широкую сферу приложений этого метода.

В зависимости от холодопроизводительности можно выделить три класса использования термоэлектрических холодильных машин [3].

1. Маломощные охладители (Q₀ < 100 Вт). Подавляющее число термоэлектрических холодильников относятся именно к этому классу. При таких мощностях они сравнимы с компрессионными машинами с экономической точки зрения.

2. Термоэлектрические холодильники средней мощности (100 < Q₀ < 500 Вт). При таких мощностях экономическая эффективность термоэлектрических холодильников, как правило, ниже, чем компрессионных.

3. Высокомощные охладители (Q₀ > 500 Вт). Применение термоэлектрических холодильников для создания таких мощностей может быть оправдано при выполнении каких-либо специфических требований, таких как повышенные требования к весу, размерам, устойчивости к перегрузкам, необходимости автономной работы и т. п. Например, в США разработана термоэлектрическая микроклиматическая установка для пилотов вертолетов с Q₀ = 1 кВт.

Кроме того, приложения термоэлектрического охлаждения могут быть классифицированы по областям применения.

К термоэлектрическим холодильникам потребительского назначения относятся портативные пикник-боксы, переносные домашние холодильники, охладители для напитков (соков, вина), стационарные охладители-фильтры воды, нагреватели-охладители детского питания, холодильники для гостиничных номеров.

Использование постоянного тока делает очень удобным применение термоэлектрических охладителей на транспорте. Разработаны автомобильные мини-холодильники, автомобили с термостатированным кузовом, охладители автомобильных сидений и мотоциклетных шлемов, охладители питьевой воды для самолетов и пассажирских железнодорожных вагонов. Созданы термоэлектрические блоки для кондиционеров на поездах шведских и французских железных дорог [3]. Проходят испытания термоэлектрические кондиционеры на российских железных дорогах. Представляются весьма перспективными автомобильные локальные кондиционеры для комфортного охлаждения водителя или одного пассажира.

Использование термоэлектрического охлаждения в промышленности и системах телекоммуникаций – это управление температурными процессами, в том числе точное поддержание температуры различных электронных блоков, жесткая защита критических систем от внешних тепловых воздействий, термостатирование микропроцессоров вычислительных систем и систем автоматики, охлаждение волоконно-оптических систем и лазерных диодов с целью стабилизации их параметров.

На предприятиях торговли и питания используются охлаждаемые бары для напитков и охлаждаемые витрины, устройства для охлаждения и взбивания масла, мороженого и сливок, индивидуальные порционные охладители блюд, охладители молока и т. п.

Применения термоэлектрического охлаждения в медицине. Это приборы для анализа крови, стационарные и переносные холодильники для лекарств, в том числе домашние охладители инсулина, оборудование для препарирования и хранения тканей, биостимуляторы, криогенные пинцеты для офтальмологии, криогенные скальпели, охлаждаемые предметные столики для микроскопов, охлаждаемые подложки для зубоврачебного цемента, термостатированные терапевтические одеяла, персональные больничные холодильники.

Далеко не полный список лабораторного и научного оборудования с использованием термоэлектрических охладителей включает: охлаждаемые инфракрасные детекторы, рефрактометры, лазерные коллиматоры, фотоумножители, ПЗС матрицы, интегральные схемы, электронные платы, спектрофотометры, термопрограмматоры, охлаждаемые камеры и мешалки, детекторы точки замерзания и точки росы, эталоны абсолютно черного тела, ячейки для электрофореза, осмометры, анализаторы загрязнения воздуха, приборы определения температуры застывания нефти.

Расчёт термоэлектрических охлаждающих устройств Расчёт охлаждающей термобатареи в режиме максимального холодильного коэффициента

Иногда требуется произвести расчёты основных параметров термобатареи при заданных условиях эксплуатации и заданной холодопроизводительности при использовании полупроводникового вещества с известными характеристиками. Такими параметрами являются:

– холодильный коэффициент;

– мощность, которую будет потреблять термобатарея из сети;

– теплота, выделяемая на горячих спаях;

– падение напряжения на одном термоэлементе;

– число термоэлементов;

– сопротивление одного термоэлемента и всей термобатареи;

– соотношение между длиной и сечением ветвей.

В табл. 1 представлены результаты и порядок расчёта конкретной термобатареи на основании следующих исходных данных: добротность материала Z = 2.810 K; коэффициент термоЭДС  = 3.710 B/K; коэффициент электропроводности  = 810⁴ Ом м; требуемая холодопроизводительность Q₀ = 20 Вт; условия эксплуатации Т_х = 280 K, Т_г = 310 K; источник питания U_п = 12 В.

Таблица 1