Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье для создания теплового потока на стыке двух разных типов материалов. Охладитель Пельтье, нагреватель или термоэлектрический тепловой насос представляет собой твердотельный активный тепловой насос , который передает тепло от одной стороны устройства к другой с потреблением электрической энергии в зависимости от направления тока. Такой прибор также называют устройством Пельтье , тепловым насосом Пельтье , полупроводниковым холодильником или термоэлектрическим охладителем ( ТЭО ), а иногда и термоэлектрической батареей . Его можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения [1] , хотя на практике основным применением является охлаждение. [ нужна ссылка ] Его также можно использовать в качестве регулятора температуры, который либо нагревает, либо охлаждает.
Эта технология гораздо реже применяется в охлаждении, чем парокомпрессионное охлаждение . Основными преимуществами охладителя Пельтье по сравнению с парокомпрессионным холодильником являются отсутствие движущихся частей или циркулирующей жидкости, очень длительный срок службы, неуязвимость к утечкам, небольшие размеры и гибкая форма. Его основными недостатками являются высокая стоимость при данной холодопроизводительности и низкая энергоэффективность (низкий коэффициент полезного действия или COP). Многие исследователи и компании пытаются разработать дешевые и эффективные охладители Пельтье. (См. Термоэлектрические материалы .)
В качестве термоэлектрического генератора можно также использовать охладитель Пельтье . При работе в качестве охладителя на устройство подается напряжение, в результате чего между двумя сторонами возникает разница температур. При работе в качестве генератора одна сторона устройства нагревается до температуры, превышающей температуру другой стороны, и в результате между двумя сторонами возникает разница в напряжениях ( эффект Зеебека ). Однако хорошо спроектированный охладитель Пельтье будет посредственным термоэлектрическим генератором и наоборот из-за различных требований к конструкции и упаковке.
Термоэлектрические охладители работают за счет эффекта Пельтье (одного из трех явлений, составляющих термоэлектрический эффект). [2] Термоэлектрический модуль состоит из трех компонентов; проводники, ножки и подложка, и многие из этих модулей электрически соединены последовательно, а термически параллельно. [2] Когда через устройство протекает постоянный электрический ток, он переносит тепло с одной стороны на другую, так что одна сторона становится холоднее, а другая — горячее.
«Горячая» сторона прикреплена к радиатору, поэтому ее температура остается равной температуре окружающей среды, а холодная сторона — ниже комнатной. В особых случаях несколько охладителей можно соединить каскадом или вместе для более низкой температуры, но общая эффективность (COP) значительно падает. Максимальный COP любого холодильного цикла в конечном итоге ограничивается разницей между желаемой (холодной стороной) и температурой окружающей среды (горячей стороны) (температурой радиатора). Чем выше разница температур (дельта), тем ниже максимальный теоретический КПД.
Используются два уникальных полупроводника, один n-типа и один p-типа , поскольку они должны иметь разную электронную плотность. Чередующиеся полупроводниковые столбики p&n-типа термически размещаются параллельно друг другу, а электрически последовательно, а затем соединяются с каждой стороны теплопроводящей пластиной, обычно керамической, что устраняет необходимость в отдельном изоляторе. Когда напряжение прикладывается к свободным концам двух полупроводников, через соединение полупроводников протекает постоянный ток, вызывая разницу температур. Сторона с охлаждающей пластиной поглощает тепло, которое затем переносится полупроводником на другую сторону устройства.
Охлаждающая способность всего блока в этом случае пропорциональна общему поперечному сечению всех столбов, которые часто соединяются последовательно электрически, чтобы снизить необходимый ток до практического уровня. Длина столбов представляет собой баланс между более длинными столбами, которые будут иметь большее тепловое сопротивление между сторонами и позволят достичь более низкой температуры, но будут производить более резистивный нагрев, и более короткими столбами, которые будут иметь больший электрический КПД, но позволять больше Утечка тепла от горячей стороны к холодной за счет теплопроводности. При больших перепадах температур более длинные колонны гораздо менее эффективны, чем штабелирование отдельных, все более крупных модулей; модули становятся больше, поскольку каждый слой должен отводить как тепло, передаваемое вышеуказанным слоем, так и отходящее тепло слоя.
Требования к термоэлектрическим материалам: [4]
Материалы, подходящие для высокоэффективных систем ТЭП, должны обладать сочетанием низкой теплопроводности и высокой электропроводности. Совокупный эффект различных комбинаций материалов обычно сравнивается с использованием показателя качества, известного как ZT , который является мерой эффективности системы. Уравнение для ZT приведено ниже, где – коэффициент Зеебека , – электропроводность, – теплопроводность. [5]
Существует несколько материалов, подходящих для применения в ТЭО, поскольку взаимосвязь между теплопроводностью и электропроводностью обычно имеет положительную корреляцию. Улучшения в снижении теплопереноса при увеличении электропроводности являются активной областью исследований в области материаловедения. Общие термоэлектрические материалы , используемые в качестве полупроводников, включают теллурид висмута , теллурид свинца , кремний-германий и сплавы антимонида висмута . Из них наиболее часто используется теллурид висмута. Активно исследуются новые высокоэффективные материалы для термоэлектрического охлаждения. [6]
На протяжении десятилетий в качестве материалов термопар использовались узкозонные полупроводники, такие как висмут , теллур и их соединения .
Подавляющее большинство термоэлектрических охладителей имеют идентификационный номер, напечатанный на охлаждаемой стороне. [7]
Эти универсальные идентификаторы четко указывают размер, количество ступеней, количество пар и номинальный ток в амперах, как показано на диаграмме рядом. [8]
Очень распространенный Tec1-12706, квадратный размером 40 мм и высотой 3–4 мм, продается за несколько долларов и продается как способный перемещать мощность около 60 Вт или генерировать разницу температур 60 ° C при токе 6 А. Их электрическое сопротивление будет иметь величину 1–2 Ом.
Существует множество факторов, мотивирующих дальнейшие исследования TEC, включая более низкие выбросы углекислого газа и простоту производства. Однако возникло несколько проблем.
Значительным преимуществом систем TEC является отсутствие движущихся частей. Отсутствие механического износа и снижение количества отказов из-за усталости и разрушения из-за механической вибрации и напряжения увеличивают срок службы системы и снижают требования к техническому обслуживанию. Современные технологии показывают, что среднее время наработки на отказ (MTBF) превышает 100 000 часов при температуре окружающей среды. [9]
Тот факт, что системы TEC управляются по току, дает еще один ряд преимуществ. Поскольку поток тепла прямо пропорционален приложенному постоянному току, тепло можно добавлять или удалять с точным контролем направления и количества электрического тока. В отличие от методов, в которых используются методы резистивного нагрева или охлаждения с использованием газов, TEC обеспечивает равную степень контроля над потоком тепла (как в контролируемую систему, так и из нее). Благодаря такому точному двунаправленному управлению тепловым потоком температура контролируемых систем может быть точной до долей градуса, часто достигая точности в милли Кельвинах (мК) в лабораторных условиях. [10]
Устройства TEC также более гибки по форме, чем их более традиционные аналоги. Их можно использовать в помещениях с меньшим пространством или в более суровых условиях, чем обычный холодильник. Возможность настройки их геометрии позволяет обеспечить точное охлаждение очень небольших площадей. Эти факторы делают их распространенным выбором в научных и инженерных приложениях с высокими требованиями, где стоимость и абсолютная энергоэффективность не являются первоочередными задачами.
Еще одним преимуществом ТЭЦ является то, что при работе он не использует хладагенты . До их поэтапного отказа некоторые ранние хладагенты, такие как хлорфторуглероды (ХФУ), внесли значительный вклад в разрушение озона . Многие хладагенты, используемые сегодня, также оказывают значительное воздействие на окружающую среду с потенциалом глобального потепления [11] или несут с собой другие риски для безопасности. [12]
Системы TEC имеют ряд заметных недостатков. Прежде всего, это их ограниченная энергоэффективность по сравнению с традиционными системами сжатия пара и ограничения на общий тепловой поток (тепловой поток), который они способны генерировать на единицу площади. [10] Эта тема более подробно обсуждается в разделе производительности ниже.
Производительность Пельтье (термоэлектрическая) зависит от температуры окружающей среды, производительности теплообменника ( радиатора ) горячей и холодной стороны, тепловой нагрузки, геометрии модуля Пельтье (термобатареи) и электрических параметров Пельтье. [7]
Количество тепла, которое можно перенести, пропорционально силе тока и времени.
В результате эффективно перемещаемое тепло падает по мере роста разницы температур, и модуль становится менее эффективным. Возникает разница температур, когда отходящее тепло и тепло, идущее обратно, преодолевают перемещаемое тепло, и модуль начинает нагревать холодную сторону вместо ее дальнейшего охлаждения. Одноступенчатый термоэлектрический охладитель обычно обеспечивает максимальную разницу температур между горячей и холодной сторонами в 70 °C. [13]
Другая проблема с производительностью является прямым следствием одного из их преимуществ: небольшого размера. Это значит, что:
В холодильных установках термоэлектрические спаи имеют примерно 1/4 эффективности по сравнению с обычными средствами (парокомпрессионное охлаждение): они обеспечивают около 10–15% эффективности (КПД 1,0–1,5) идеального холодильника с циклом Карно по сравнению с 40–60. % достигается с помощью традиционных систем с циклом сжатия (обратных систем Ренкина, использующих сжатие/расширение). [14] Из-за более низкой эффективности термоэлектрическое охлаждение обычно используется только в средах, где твердотельная природа (отсутствие движущихся частей ), низкие эксплуатационные расходы, компактные размеры и нечувствительность к ориентации перевешивают чистую эффективность.
Хотя эффективность ниже, чем у традиционных средств, она может быть достаточно хорошей при условии:
Однако, поскольку низкий ток также означает небольшое количество передаваемого тепла, для всех практических целей коэффициент полезного действия будет низким.
Термоэлектрические охладители используются в приложениях, требующих отвода тепла в диапазоне от милливатт до нескольких тысяч ватт. Они могут быть изготовлены для применения в таких маленьких устройствах, как холодильник для напитков, или таких больших, как подводная лодка или железнодорожный вагон. Элементы ТЭП имеют ограниченный срок службы. Силу их здоровья можно измерить по изменению их сопротивления переменному току (ACR). По мере износа элемента охлаждения ACR будет увеличиваться. [ нужна цитата ]
Элементы Пельтье широко используются в потребительских товарах. Например, они используются в кемпинге , портативных холодильниках, охлаждающих электронных компонентах, спальных системах наматрасников и небольших инструментах. Их также можно использовать для извлечения воды из воздуха в осушителях . Электрический холодильник кемпингового/автомобильного типа (12 В) обычно может снизить температуру на 20 °C (36 °F) ниже температуры окружающей среды, что составляет 25 °C, если температура автомобиля под солнцем достигает 45 °C. В куртках с климат-контролем начинают использовать элементы Пельтье. [15] [16]
Термоэлектрические охладители можно использовать для охлаждения компонентов компьютера , чтобы поддерживать температуру в расчетных пределах или для поддержания стабильной работы при разгоне . Кулер Пельтье с радиатором или водоблоком может охладить чип до температуры, значительно ниже температуры окружающей среды. [17] Некоторые процессоры Intel Core, начиная с 10-го поколения, могут использовать технологию Intel Cryo, которая использует комбинацию термоэлектрического охлаждения и жидкостного теплообменника для обеспечения гораздо большей эффективности охлаждения, чем обычно возможно при стандартном жидкостном охлаждении . Местные условия окружающей среды контролируются электроникой, чтобы предотвратить короткое замыкание из-за конденсации. [18]
Термоэлектрические охладители используются во многих областях промышленного производства и требуют тщательного анализа производительности, поскольку они подвергаются испытанию в тысячах циклов, прежде чем эти промышленные продукты будут выпущены на рынок. Некоторые из областей применения включают лазерное оборудование, термоэлектрические кондиционеры или охладители, промышленную электронику и телекоммуникации, [19] автомобили, мини-холодильники или инкубаторы, военные шкафы, IT-корпуса и многое другое.
В волоконно-оптических приложениях, где длина волны лазера или компонента сильно зависит от температуры, охладители Пельтье используются вместе с термистором в контуре обратной связи для поддержания постоянной температуры и тем самым стабилизации длины волны устройства.
Некоторое электронное оборудование, предназначенное для военного использования в полевых условиях, охлаждается термоэлектрически. [ нужна цитата ]
Элементы Пельтье используются в научных устройствах. Они являются обычным компонентом термоциклеров , используемых для синтеза ДНК с помощью полимеразной цепной реакции ( ПЦР ), обычного молекулярно-биологического метода, который требует быстрого нагрева и охлаждения реакционной смеси для денатурации, отжига праймеров и циклов ферментативного синтеза. .
Благодаря схеме обратной связи элементы Пельтье можно использовать для реализации высокостабильных регуляторов температуры, поддерживающих заданную температуру в пределах ±0,01 °C. Такая стабильность может использоваться в точных лазерных приложениях, чтобы избежать дрейфа длины волны лазера при изменении температуры окружающей среды.
Этот эффект используется на спутниках и космических кораблях для уменьшения разницы температур, вызванной прямым солнечным светом на одной стороне корабля, путем рассеивания тепла на холодной затененной стороне, где оно рассеивается в виде теплового излучения в космос. [20] С 1961 года некоторые беспилотные космические корабли (в том числе марсоход «Кьюриосити» ) используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ), которые преобразуют тепловую энергию в электрическую энергию с помощью эффекта Зеебека. Устройства могут прослужить несколько десятилетий, поскольку их питание происходит за счет распада высокоэнергетических радиоактивных материалов.
Элементы Пельтье также используются для создания камер Вильсона для визуализации ионизирующего излучения . Просто пропуская электрический ток, они могут охлаждать пары ниже -26 °C без сухого льда и движущихся частей, что упрощает изготовление и использование камер Вильсона.
Детекторы фотонов, такие как ПЗС-матрицы в астрономических телескопах , спектрометрах или цифровых камерах очень высокого класса, часто охлаждаются элементами Пельтье, которые могут быть расположены в многоступенчатой, [21] каскадной конфигурации охлаждения. Это уменьшает темновые счетчики из-за теплового шума . Темный отсчет происходит, когда пиксель регистрирует электрон, вызванный тепловыми флуктуациями, а не фотон. На цифровых фотографиях, сделанных при слабом освещении, они появляются в виде пятен (или «пиксельного шума»). [ нужна цитата ]
Они используются в энергодисперсионных спектрометрах для охлаждения сенсорных кристаллов, что устраняет необходимость в больших дьюарах с жидким азотом.
