Термоэлектрическое охлаждение

Электрическая теплопередача

Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье для создания теплового потока на стыке двух различных типов материалов. Охладитель Пельтье, нагреватель или термоэлектрический тепловой насос — это твердотельный активный тепловой насос , который переносит тепло с одной стороны устройства на другую, потребляя электрическую энергию в зависимости от направления тока. Такой прибор также называют устройством Пельтье , тепловым насосом Пельтье , твердотельным холодильником или термоэлектрическим охладителем ( TEC ), а иногда и термоэлектрической батареей . Его можно использовать как для нагрева, так и для охлаждения, ^[1] хотя на практике основным применением является охлаждение. ^{[ требуется цитата ]} Его также можно использовать в качестве регулятора температуры, который либо нагревает, либо охлаждает.

Эта технология применяется в охлаждении гораздо реже, чем парокомпрессионное охлаждение . Основными преимуществами охладителя Пельтье по сравнению с парокомпрессионным холодильником являются отсутствие движущихся частей или циркулирующей жидкости, очень долгий срок службы, неуязвимость к утечкам, небольшой размер и гибкая форма. Его основными недостатками являются высокая стоимость для данной охлаждающей способности и низкая энергоэффективность (низкий коэффициент полезного действия или КПД). Многие исследователи и компании пытаются разработать охладители Пельтье, которые были бы дешевыми и эффективными. (См. Термоэлектрические материалы .)

Охладитель Пельтье также может использоваться в качестве термоэлектрического генератора . 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, большей, чем другая сторона, в результате чего между двумя сторонами возникает разница напряжений ( эффект Зеебека ). Однако хорошо спроектированный охладитель Пельтье будет посредственным термоэлектрическим генератором и наоборот из-за различных требований к конструкции и упаковке.

Принцип действия

Схема элемента Пельтье. Термоэлектрические ножки термически параллельны, а электрически последовательны.

Видео с тепловизионной камеры элемента Пельтье

Термоэлектрические охладители работают на основе эффекта Пельтье (одного из трех явлений, составляющих термоэлектрический эффект). ^[2] Термоэлектрический модуль состоит из трех компонентов: проводников, ножек и подложки, и многие из этих модулей соединены электрически последовательно, но термически параллельно. ^[2] Когда через устройство протекает постоянный электрический ток, он переносит тепло с одной стороны на другую, так что одна сторона охлаждается, а другая нагревается.

«Горячая» сторона крепится к радиатору так, чтобы она оставалась при температуре окружающей среды, в то время как холодная сторона опускается ниже комнатной температуры. В особых случаях несколько охладителей могут быть каскадированы или объединены вместе для более низкой температуры, но общая эффективность (COP) значительно падает. Максимальный COP любого холодильного цикла в конечном итоге ограничен разницей между желаемой (холодная сторона) и температурой окружающей среды (горячая сторона) (температурой радиатора). Чем выше разница температур (дельта), тем ниже максимальный теоретический COP.

Строительство

Дизайн

Два уникальных полупроводника, один n-типа и один p-типа , используются, поскольку они должны иметь различную плотность электронов. Чередующиеся столбы полупроводников p и n-типа размещаются термически параллельно друг другу и электрически последовательно, а затем соединяются с теплопроводящей пластиной с каждой стороны, обычно керамической, что устраняет необходимость в отдельном изоляторе. Когда напряжение подается на свободные концы 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 тогда пропорциональна общему поперечному сечению всех столбов, которые часто соединены последовательно электрически, чтобы уменьшить ток, необходимый для практических уровней. 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 большую электрическую эффективность, но позволят большему количеству тепла утекать с горячей стороны на холодную за счет теплопроводности. При больших перепадах температур более длинные столбы гораздо менее эффективны, чем укладка отдельных, постепенно увеличивающихся модулей; модули становятся больше, поскольку каждый слой должен удалять как тепло, перемещаемое вышележащим слоем, так и отработанное тепло слоя.

Материалы

Значения ZT для различных материалов и сплавов висмута ^[3]

Требования к термоэлектрическим материалам: ^[4]

• Полупроводники с узкой запрещенной зоной из-за работы при комнатной температуре;
• Высокая электропроводность (для снижения электрического сопротивления , источника потерь тепла);
• Низкая теплопроводность (чтобы тепло не возвращалось с горячей стороны на холодную); это обычно приводит к тяжелым элементам
• Большая элементарная ячейка, сложная структура;
• Высокоанизотропный или высокосимметричный;
• Сложные композиции.

Материалы, подходящие для высокоэффективных систем TEC, должны обладать сочетанием низкой теплопроводности и высокой электропроводности. Совместный эффект различных комбинаций материалов обычно сравнивается с использованием показателя качества, известного как ZT , меры эффективности системы. Уравнение для ZT приведено ниже, где — коэффициент Зеебека , — электропроводность, — теплопроводность. ^[5] ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \kappa }$

$${\displaystyle \mathbb {Z} \mathrm {T} =(\alpha ^{2}\sigma \mathrm {T} )/\kappa }$$

Существует немного материалов, которые подходят для применения в ТЭО, поскольку связь между тепло- и электропроводностью обычно является положительной корреляцией. Улучшения в снижении теплопередачи при увеличении электропроводности являются активной областью исследований в области материаловедения. Обычные термоэлектрические материалы, используемые в качестве полупроводников, включают теллурид висмута , теллурид свинца , сплавы кремния с германием и антимонидом висмута . Из них наиболее часто используется теллурид висмута. Новые высокопроизводительные материалы для термоэлектрического охлаждения активно исследуются. ^[6]

На протяжении десятилетий в качестве материалов термопар использовались полупроводники с узкой запрещенной зоной, такие как висмут , теллур и их соединения .

Идентификация и характеристики

Все элементы Пельтье соответствуют универсальной спецификации идентификации.

Подавляющее большинство термоэлектрических охладителей имеют идентификатор, напечатанный на охлаждаемой стороне. ^[7] Эти универсальные идентификаторы указывают размер, количество ступеней, количество пар и номинальный ток в амперах, как показано на соседней диаграмме. ^[8]

Например, обычный термоэлектрический элемент TEC1-12706 имеет квадратную форму размером 40 мм и высотой 3–4 мм и продается за несколько долларов. Он способен перемещать около 60 Вт или генерировать разницу температур 60 °C с током 6 А. Их электрическое сопротивление составляет около 1–2 Ом.

Сильные и слабые стороны

Существует много факторов, мотивирующих дальнейшие исследования в области ТЭП, включая снижение выбросов углерода и простоту производства. Однако возникло несколько проблем.

Преимущества

Значительным преимуществом систем TEC является то, что они не имеют движущихся частей. Отсутствие механического износа и уменьшение количества отказов из-за усталости и разрушения от механической вибрации и напряжения увеличивает срок службы системы и снижает требования к техническому обслуживанию. Современные технологии показывают, что среднее время между отказами (MTBF) превышает 100 000 часов при температуре окружающей среды. ^[9] Состояние термоэлектрического электрооборудования можно измерить по изменению его сопротивления переменному току (ACR); по мере износа ACR будет увеличиваться. ^{[ необходима цитата ]}

Тот факт, что системы TEC управляются током, приводит к еще одному ряду преимуществ. Поскольку поток тепла прямо пропорционален приложенному постоянному току, тепло может добавляться или удаляться с точным контролем направления и количества электрического тока. В отличие от методов, использующих резистивный нагрев или методы охлаждения, которые включают газы, TEC позволяет в равной степени контролировать поток тепла (как в контролируемой системе, так и из нее). Благодаря этому точному двунаправленному контролю теплового потока температуры контролируемых систем могут быть точными до долей градуса, часто достигая точности милликельвина (мК) в лабораторных условиях. ^[10]

Устройства TEC также более гибкие по форме, чем их более традиционные аналоги. Их можно использовать в средах с меньшим пространством или в более суровых условиях, чем обычный холодильник. Возможность адаптации их геометрии позволяет доставлять точное охлаждение в очень малые области. Эти факторы делают их распространенным выбором в научных и инженерных приложениях с высокими требованиями, где стоимость и абсолютная энергоэффективность не являются первостепенными проблемами.

Еще одним преимуществом TEC является то, что он не использует хладагенты в своей работе. До их поэтапного отказа некоторые ранние хладагенты, такие как хлорфторуглероды (ХФУ), внесли значительный вклад в истощение озонового слоя . 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]

Недостатки

Системы TEC имеют ряд заметных недостатков. Прежде всего, это их ограниченная энергоэффективность по сравнению с обычными парокомпрессионными системами 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

Эффективность Пельтье (термоэлектрическая) является функцией температуры окружающей среды, эффективности теплообменника ( теплоотвода ) с горячей и холодной стороны, тепловой нагрузки, геометрии модуля Пельтье (термопары) и электрических параметров Пельтье. ^[7]

Количество тепла, которое может быть перемещено, пропорционально силе тока и времени.

${\displaystyle Q=PIt}$, где P — коэффициент Пельтье, I — ток, а t — время. Коэффициент Пельтье зависит от температуры и материалов, из которых изготовлен охладитель. Величина 10 Вт на ампер является обычной, но это компенсируется двумя явлениями:

• Согласно закону Ома , модуль Пельтье сам будет производить отработанное тепло,

${\displaystyle Q_{waste}=RI^{2}t}$, где R — сопротивление .

• Тепло также будет перемещаться от горячей стороны к холодной за счет теплопроводности внутри самого модуля, причем этот эффект усиливается по мере увеличения разницы температур.

Результатом является то, что эффективно перемещаемое тепло падает по мере роста разницы температур, и модуль становится менее эффективным. Возникает разница температур, когда отработанное тепло и тепло, возвращающееся обратно, преодолевают перемещенное тепло, и модуль начинает нагревать холодную сторону вместо того, чтобы охлаждать ее дальше. Одноступенчатый термоэлектрический охладитель обычно создает максимальную разницу температур в 70 °C между его горячей и холодной сторонами. ^[13]

Другая проблема с производительностью является прямым следствием одного из их преимуществ: они маленькие. Это означает, что:

• Горячая и холодная стороны будут находиться очень близко друг к другу (на расстоянии нескольких миллиметров), что облегчит возвращение тепла на холодную сторону и усложнит изоляцию горячей и холодной сторон друг от друга.
• обычный 40 мм × 40 мм может генерировать 60 Вт и более, то есть 4 Вт/см ² и более, требуя мощного радиатора для отвода тепла

В холодильных установках термоэлектрические соединения имеют около 1/4 эффективности по сравнению с традиционными средствами (парокомпрессионное охлаждение): они обеспечивают около 10–15% эффективности (COP 1,0–1,5) идеального холодильника с циклом Карно , по сравнению с 40–60%, достигаемыми традиционными системами компрессионного цикла (обратные системы Ренкина , использующие сжатие/расширение). ^[14] Из-за этой более низкой эффективности термоэлектрическое охлаждение обычно используется только в средах, где твердотельная природа (отсутствие движущихся частей ), низкие эксплуатационные расходы, компактный размер и нечувствительность к ориентации перевешивают чистую эффективность.

Хотя эффективность ниже, чем у традиционных средств, она может быть достаточно высокой, если:

• разница температур поддерживается настолько малой, насколько это возможно, и,
• ток поддерживается на низком уровне, поскольку отношение переданного тепла к отработанному теплу (при одинаковой температуре на горячей и холодной стороне) будет равно . ${\displaystyle {\frac {Q}{Q_{waste}}}={\frac {P}{RI}}}$

Однако, поскольку низкий ток также означает малое количество перемещаемого тепла, для всех практических целей коэффициент полезного действия будет низким.

Использует

Охладитель для напитков с питанием от USB

Термоэлектрические охладители используются для приложений, требующих отвода тепла в диапазоне от милливатт до нескольких тысяч ватт. Они могут быть изготовлены для приложений как малых размеров, таких как охладитель напитков, так и больших, таких как подводная лодка или железнодорожный вагон.

Потребительские товары

Элементы Пельтье обычно используются в потребительских товарах. Например, они используются в кемпингах , портативных охладителях, охлаждающих электронных компонентах, системах сна с матрасами и небольших приборах. Их также можно использовать для извлечения воды из воздуха в осушителях воздуха . Электрический охладитель кемпингового/автомобильного типа (12 В) обычно может снизить температуру до 20 °C (36 °F) ниже температуры окружающей среды, что составляет 25 °C, если автомобиль достигает 45 °C под солнцем. Куртки с климат-контролем начинают использовать элементы Пельтье. ^{[15] [16]}

Термоэлектрические охладители могут использоваться для охлаждения компонентов компьютера , чтобы поддерживать температуру в пределах проектных ограничений или поддерживать стабильную работу при разгоне . Охладитель Пельтье с радиатором или водоблоком может охлаждать чип до температуры значительно ниже температуры окружающей среды. ^[17] Некоторые процессоры Intel Core, начиная с 10-го поколения, способны использовать технологию Intel Cryo, которая использует комбинацию термоэлектрического охлаждения и жидкостного теплообменника для обеспечения гораздо большей производительности охлаждения, чем обычно возможно при стандартном жидкостном охлаждении . Локальные условия окружающей среды контролируются электроникой для предотвращения короткого замыкания из-за конденсации. ^[18]

Промышленный

Термоэлектрические охладители используются во многих областях промышленного производства и требуют тщательного анализа производительности, поскольку они проходят испытание тысячами циклов, прежде чем эти промышленные продукты будут выпущены на рынок. Некоторые из приложений включают лазерное оборудование, термоэлектрические кондиционеры или охладители, промышленную электронику и телекоммуникации, ^[19] автомобилестроение, мини-холодильники или инкубаторы, военные шкафы, корпуса ИТ 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, таким образом, стабилизации длины волны устройства.

Некоторое электронное оборудование, предназначенное для использования в военных целях, охлаждается термоэлектрически. ^{[ необходима ссылка ]}

Наука и визуализация

Элементы Пельтье используются в научных приборах. Они являются обычным компонентом в термоциклерах , используемых для синтеза ДНК с помощью полимеразной цепной реакции ( ПЦР ), распространенной молекулярно-биологической технологии, которая требует быстрого нагрева и охлаждения реакционной смеси для циклов денатурации, отжига праймеров и ферментативного синтеза.

Благодаря схеме обратной связи элементы Пельтье могут использоваться для реализации высокостабильных регуляторов температуры, которые поддерживают желаемую 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.

Эффект используется в спутниках и космических аппаратах для уменьшения разницы температур, вызванной прямым солнечным светом на одной стороне аппарата, путем рассеивания тепла на холодной затененной стороне, где оно рассеивается в виде теплового излучения в космос. ^[20] С 1961 года некоторые беспилотные космические аппараты (включая марсоход Curiosity ) используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), которые преобразуют тепловую энергию в электрическую с помощью эффекта Зеебека. Устройства могут работать несколько десятилетий, поскольку они питаются распадом 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 или движущихся частей, что делает камеры Вильсона простыми в изготовлении и использовании.

Детекторы фотонов, такие как ПЗС в астрономических телескопах , спектрометрах или очень высококлассных цифровых камерах, часто охлаждаются элементами Пельтье, которые могут быть расположены в многоступенчатой ^​​[21] каскадной конфигурации охлаждения. Это уменьшает темные отсчеты из-за теплового шума . Темный отсчет происходит, когда пиксель регистрирует электрон, вызванный тепловой флуктуацией, а не фотон. На цифровых фотографиях, сделанных при слабом освещении, они появляются в виде пятен (или «пиксельного шума»). ^{[ необходима цитата ]}

Они также используются в энергодисперсионных спектрометрах для охлаждения кристаллов датчиков, что устраняет необходимость в больших сосудах Дьюара с жидким азотом.

Экспериментальный

Около 1955 года RCA Laboratories построили холодильник и небольшую комнату, в которой воздух кондиционировался с помощью эффекта Пельтье. ^{[22] [23]} Это были исследовательские демонстрации, не приведшие к появлению продуктов. Кондиционер был одним из «подарков на день рождения», которые попросил генеральный директор Дэвид Сарнофф, чтобы бросить вызов исследователям. Одним из ведущих исследователей был Нильс Э. Линденблад.

Смотрите также

• Термоакустика

Ссылки

1. Тейлор, РА; Солбреккен, ГЛ (2008). «Комплексная системная оптимизация термоэлектрических устройств для электронного охлаждения». Труды IEEE по компонентам и упаковочным технологиям . 31 : 23–31. doi :10.1109/TCAPT.2007.906333. S2CID  39137848.
2. Lundgaard, Christian (2019). Проектирование сегментированных термоэлектрических охладителей Пельтье путем оптимизации топологии . OXFORD: Elsevier Ltd. стр. 1.
3. ДиСальво, Фрэнсис (июль 1999 г.). «Термоэлектрическое охлаждение и генерация электроэнергии». Science . 285 (5428): 703–6. doi :10.1126/science.285.5428.703. PMID  10426986.
4. Голдсмид, Х. Джулиан (2016). Введение в термоэлектричество. Springer Series in Materials Science. Vol. 121. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. Bibcode :2016inh..book.....G. doi :10.1007/978-3-662-49256-7. ISBN 978-3-662-49255-0.
5. Poudel, Bed (май 2008). "Высокие термоэлектрические характеристики наноструктурированных объемных сплавов теллурида висмута-сурьмы". Science . 320 (5876): 634–8. Bibcode :2008Sci...320..634P. doi :10.1126/science.1156446. PMID  18356488. S2CID  206512197.
6. Snyder, GJ; Toberer, ES (2008). «Комплексные термоэлектрические материалы». Nature Materials . 7 (2): 105–114. Bibcode : 2008NatMa...7..105S. doi : 10.1038/nmat2090. PMID  18219332.
7. "PCB Heaven – Объяснение элементов Пельтье". PCB Heaven . Получено 1 мая 2013 г.
8. Versteeg, Owen. "Peltier Element Identification". Архивировано из оригинала 30 апреля 2019 года . Получено 14 октября 2013 года .
9. Гошал, Уттам (2001-07-31). "Высоконадежный термоэлектрический охлаждающий аппарат и метод". patents.google.com . Получено 2019-03-12 .
10. Zhao, Dongliang (май 2014). «Обзор термоэлектрического охлаждения: материалы, моделирование и применение». Applied Thermal Engineering . 66 (1–2): 15–24. doi :10.1016/j.applthermaleng.2014.01.074.
11. Калифорнийский университет (18 апреля 2017 г.). «Хлорфторуглероды и разрушение озонового слоя». Американское химическое общество . Получено 11.03.2019 .
12. "Модуль 99: Пропан как хладагент для использования в чиллерах для кондиционирования воздуха". Журнал CIBSE . Сентябрь 2016 г. Получено 22.01.2020 .
13. "The Heatsink Guide" . Получено 3 мая 2013 г. .
14. Браун, DR; Н. Фернандес; JA Диркс; TB Стаут (март 2010 г.). «Перспективы альтернатив технологии сжатия пара для охлаждения пространства и охлаждения продуктов питания» (PDF) . Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (PNL) . Министерство энергетики США . Получено 16 марта 2013 г. .
15. Хсу, Джереми (14.06.2011). «Холодно? Надень эту куртку. Жарко? Надень эту куртку. Пальто с климат-контролем меняет температуру от нуля до 100 градусов по Цельсию «одним нажатием кнопки». NBC News . NBC . Получено 16 марта 2013 г.
16. Ferro, Shaunacy (2013-03-15). «Как зимние невзгоды вдохновили нанотехнологическое решение для всего: от холодных шей до боли в коленях». Popular Mechanics . Bonnier Corp . Получено 16 марта 2013 г.
17. Филладитакис, Э. (26 сентября 2016 г.) anandtech.com Обзор процессорного кулера Phononic HEX 2.0 TEC. Получено 31 октября 2018 г.
18. "Обзор технологии охлаждения Intel Cryo" . Получено 20 ноября 2022 г. .
19. Использование модулей Пельтье для терморегулирования электронных систем. Electronics Weekly, 4 октября 2017 г.
20. Котляров, Евгений; Питер де Кром; Рауль Воетен (2006). «Некоторые аспекты оптимизации охладителя Пельтье, применяемые для контроля температуры воздуха в перчаточном боксе». SAE International . Серия технических документов SAE. 1 : 1. doi :10.4271/2006-01-2043.
21. Фолльмер, Михаэль; Мёлльманн, Клаус-Петер (20 февраля 2018 г.). Инфракрасное тепловидение: основы, исследования и применение. John Wiley & Sons. ISBN 9783527413515.
22. Сарнофф, Дэвид (31 января 1955 г.). Новые разработки в электронике. стр. 18–23 . Получено 25 сентября 2024 г.
23. "Электроника завтрашнего дня". Popular Electronics . Апрель 1955. Получено 25 сентября 2024 .