Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В
Рис. 3.15. Схематическое изображение термоэлектрического генератора (а), холодильника (б) и нагревателя (в) [24]: 1 – термоэлектрический полупроводниковый материал р-типа проводимости, 2 – термоэлектрический полупроводниковый материал n-типа проводимости, 3 – внешняя нагрузка, 4 – источник тока
Воснове каждого устройства лежит термопарный элемент (термоэлемент), содержащий две ветви из разнородных материалов, как правило, полупроводников р- и n-типа, соединенных
вэлектрическую цепь, и два резервуара тепла. В конструктивном отношении все термоэлементы в каждом типе устройств идентичны. Как правило, они состоят из стержней р- и n-типов, соединенных друг с другом коммутационной пластиной.
Втермоэлектрическом генераторе в термоэлементе, благодаря эффекту Зеебека, происходит преобразование тепловой энергии Q1, подводимой при температуре Т1, в электрическую энергию, которая реализуется на внешней нагрузке R. Эффек-
тивность преобразования описывается коэффициентом полезного действия
|
|
|
1 |
− 2 |
|
|
< Т |
. |
|
отводимое при температуре Т |
|||||||
где Q2 – тепло, |
= |
|
|
1 |
, |
р |
1 |
(3.30) |
|
|
111 |
|
|
|
|
||
В термоэлектрическом холодильнике вследствие действия эффекта Пельтье при протекании электрического тока происходит перенос тепла Q0 от тела с пониженной температурой Т0 к резервуару с температурой Тр. Эффективность термоэлектрического охлаждения определяется холодильным коэффициентом
ε = |
Q0 |
|
, |
(3.31) |
Q −Q |
0 |
|||
|
1 |
|
|
где Q1 – тепло, передаваемое резервуарус температурой Тр. Процесс охлаждения характеризуется также величиной хо-
лодопроизводительности Q0 и максимально достижимым снижением температуры ∆T = Tp - T0.
Аналогичный процесс реализуется в термоэлектрическом нагревателе. Эффективность термоэлектрического нагрева определяется величиной отопительного коэффициента
K = |
|
Q1 |
|
. |
(3.32) |
Q |
−Q |
0 |
|||
1 |
|
|
|
||
В качестве основных преимуществ термоэлектрических источников тока являются:
-функционирование с использованием всех видов топлива;
-бесшумность работы;
-неограниченный срок хранения и постоянная готовность
кработе;
-нечувствительность к короткому замыканию;
-отсутствие в конструкции подвижных и изнашивающихся узлов, а также жидкостей и газов;
-генерация постоянного тока.
Основными преимуществами термоэлектрических холодильников и нагревателей являются:
-возможность инверсии холодильника в нагреватель;
-безынерционность;
-отсутствие хладагентов;
-отсутствие движущихся частей;
112
-бесшумность;
-неограниченный срок хранения.
3.8.Примеры применения термоэлектрических материалов
Холодильные системы на основе термоэлектрических материалов разделяют в зависимости от холодопроизводительности на три группы: маломощные (Q0 < 100 Вт), средней мощности (100 < Q0 < 300 Вт) и высокомощные (Q0 > 300 Вт).
Рассмотрим области применения холодильных систем на основе термоэлектрических материалов.
Быстро растет спрос на холодильники бытового назначения
и охладители/нагреватели (кулеры) для воды с малым энергопотреблением, способных работать как в режиме нагрева, так и охлаждения, нечувствительных к вибрациям.
Для использования на транспорте получают распространение холодильники для хранения продуктов на маломерных судах, малых самолетах, в купе пассажирских поездов; кондиционеры для кабин машинистов локомотивов (рис. 3.16) и пассажирских вагонов с дифференциацией параметров по купе; автомобильные кондиционеры.
Рис. 3.16. Кондиционер для кабины машинистов локомотивов разработки ОА «Корпорация НПО РИФ» [24]
113
Для улучшения их параметров элементов электронной техники используется термостабилизация на основе термоэлектрического охлаждения. Традиционно термоэлектрическое охлаждение используется для термостатирования электронных блоков, размещаемых в специальных шкафах. При этом заданная температура с определенной точностью поддерживается во всем объеме шкафа (рис. 3.17).
Рис. 3.17. Воздухоохладитель для электрошкафов, стоек с электронным оборудованием, лифтов и др. АО «Корпорация
НПО РИФ» [24]
Охлаждение интегральных микросхем (микрочипов) (рис. 3.18), необходимость которого вызвана тенденцией микроминиатюризации элементов электроники при которой возникает необходимость тепла, плотность потоков которого достигает сотен Вт/см2. В этой области термоэлектрическое охлаждение является практически безальтернативным методом. Термостабилизация усилителей, приемников излучения, электронных блоков для систем ночного видения, микропроцессоров вычис-
114
лительных систем и систем автоматики также осуществляется термоэлектрическими системами охлаждения.
Температурная стабилизация лазерных диодов для воло- конно-оптических систем является быстро развивающимся направлением термоэлектрического охлаждения. Эта необходимость продиктована бурным развитием систем телекоммуникаций и интернета.
В лабораторном и научном оборудовании термоэлектриче-
ские охладители используются в оптическом оборудовании (термоэлектрически охлаждаемыех инфракрасных детекторах, фотоумножителях, рефрактометрах, спектрофотометрах), охлаждаемых камерах и мешалках, детекторах точки росы, анализаторах состава воздуха.
Рис. 3.18. Образцы конструкций приборов со встроенными термоэлектрическими модулями [24]
Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) разде-
ляют, в первую очередь, по используемым для его работы источникам тепловой энергии. Такими источниками могут являться горючее топливо (дрова, уголь, газ, бензин и т.д.), солнечная
115