Термоэлектрическое охлаждение
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июль 2015 г. ) |
Термоэлектрический эффект |
---|
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 основное применение — 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 .)
можно также использовать охладитель Пельтье 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, 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.
Принцип работы
[ редактировать ]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 снизится. 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.
Строительство
[ редактировать ]Дизайн
[ редактировать ]два уникальных полупроводника, один n-типа и один p-типа Используются , поскольку они должны иметь разную электронную плотность. Чередующиеся полупроводниковые столбики p и 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.
Материалы
[ редактировать ]Требования к термоэлектрическим материалам: [4]
- Полупроводники с узкой запрещенной зоной из-за работы при комнатной температуре;
- Высокая электропроводность (для снижения электрического сопротивления , источника отходящего тепла);
- Низкая теплопроводность (чтобы тепло не возвращалось с горячей стороны на холодную); обычно это означает тяжелые элементы
- Большая элементарная ячейка, сложная структура;
- Сильно анизотропный или сильно симметричный;
- Сложные композиции.
Материалы, подходящие для высокоэффективных систем ТЭО, 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 , это электропроводность и это 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 антимонида висмута сплавы . Из них наиболее часто используется теллурид висмута. Активно исследуются новые высокоэффективные материалы для термоэлектрического охлаждения. [6]
узкозонные полупроводники, такие как висмут , теллур и их соединения На протяжении десятилетий в качестве материалов термопар использовались .
Идентификация и характеристики
[ редактировать ]Подавляющее большинство термоэлектрических охладителей имеют идентификационный номер, напечатанный на охлаждаемой стороне. [7] Эти универсальные идентификаторы указывают размер, количество ступеней, количество пар и номинальный ток в амперах, как показано на диаграмме рядом. [8]
Например, обычный термоэлектрический элемент TEC1-12706 имеет квадратную форму размером 40 мм и высотой 3–4 мм и стоит несколько долларов. Он способен развивать мощность около 60 Вт или генерировать разницу температур в 60 °C при токе 6 А. Их электрическое сопротивление составляет около 1–2 Ом.
Сильные и слабые стороны
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( март 2019 г. ) |
Существует множество факторов, мотивирующих дальнейшие исследования TEC, включая более низкие выбросы углекислого газа и простоту производства. Однако возникло несколько проблем.
Преимущества
[ редактировать ]Значительным преимуществом систем TEC является отсутствие движущихся частей. Отсутствие механического износа и уменьшение 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] Состояние термоэлектрических элементов можно измерить по изменению их сопротивления переменному току (ACR); по мере его износа ACR будет увеличиваться. [ нужна ссылка ]
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 миллиКельвинах (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.
он не использует хладагенты Еще одним преимуществом ТЭЦ является то, что при работе . 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 и могут привести к глобальному потеплению. [11] или нести с собой другие риски для безопасности. [12]
Недостатки
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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.
- , где P — коэффициент Пельтье, I — ток, а t — время. Коэффициент Пельтье зависит от температуры и материалов, из которых изготовлен охладитель. Величина мощности 10 Вт на ампер является обычным явлением, но это компенсируется двумя явлениями:
- Согласно закону Ома , модуль Пельтье сам будет производить отходящее тепло.
- , где R — сопротивление .
- Тепло также будет перемещаться от горячей стороны к холодной за счет теплопроводности внутри самого модуля, и этот эффект усиливается по мере увеличения разницы температур.
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, а не охлаждать ее дальше. 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 означает, что:
- горячая и холодная стороны будут очень близки друг к другу (на расстоянии нескольких миллиметров), что облегчит возвращение тепла на холодную сторону и усложнит изолировать горячую и холодную стороны друг от друга.
- обычный размер 40 × 40 мм может генерировать 60 Вт или более, то есть 4 Вт/см. 2 или более — требуется мощный радиатор для отвода тепла
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 с циклом Карно холодильника 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:
- разница температур должна быть как можно меньше, и,
- ток поддерживается низким, поскольку соотношение передаваемого тепла к отходящему теплу (при одинаковой температуре на горячей и холодной стороне) будет .
Однако, поскольку низкий ток также означает небольшое количество передаваемого тепла, для всех практических целей коэффициент полезного действия будет низким.
Использование
[ редактировать ]Термоэлектрические охладители используются в приложениях, требующих отвода тепла в диапазоне от милливатт до нескольких тысяч ватт. Они могут быть изготовлены для применения как в маленьких холодильниках для напитков, так и в таких больших, как подводная лодка или железнодорожный вагон.
Потребительские товары
[ редактировать ]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 . кемпингового/автомобильного типа (12 В) Электрический холодильник 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]
Промышленный
[ редактировать ]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, компьютерные шкафы 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 ссылка ]
Наука и визуализация
[ редактировать ]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 Curiosity марсоход ) используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ), которые преобразуют тепловую энергию в электрическую 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 использования сухого льда и движущихся частей, что упрощает изготовление и использование камер Вильсона.
Детекторы фотонов, такие как ПЗС-матрицы в астрономических телескопах , спектрометрах очень высокого класса, или цифровых камерах часто охлаждаются элементами Пельтье, которые могут быть расположены в многоступенчатом порядке. [21] Каскадная конфигурация охлаждения. Это уменьшает количество темноты 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 ссылка ]
Они также используются в энергодисперсионных спектрометрах для охлаждения сенсорных кристаллов, что устраняет необходимость в больших сосудах Дьюара с жидким азотом.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Тейлор, РА; Солбреккен, Г.Л. (2008). «Комплексная оптимизация термоэлектрических устройств на уровне системы для электронного охлаждения». Транзакции IEEE по компонентам и технологиям упаковки . 31 : 23–31. дои : 10.1109/TCAPT.2007.906333 . S2CID 39137848 .
- ^ Перейти обратно: а б Лундгаард, Кристиан (2019). Проектирование сегментных термоэлектрических охладителей Пельтье методом оптимизации топологии . ОКСФОРД: Elsevier Ltd., с. 1.
- ^ ДиСальво, Фрэнсис (июль 1999 г.). «Термоэлектрическое охлаждение и производство электроэнергии» . Наука . 285 (5428): 703–6. дои : 10.1126/science.285.5428.703 . ПМИД 10426986 .
- ^ Голдсмид, Х. Джулиан (2016). Введение в термоэлектричество . Серия Спрингера по материаловедению. Том. 121. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. Бибкод : 2016inh..book.....G . дои : 10.1007/978-3-662-49256-7 . ISBN 978-3-662-49255-0 .
- ^ Пудель, Кровать (май 2008 г.). «Высокие термоэлектрические характеристики наноструктурированных объемных сплавов теллурида висмута и сурьмы» . Наука . 320 (5876): 634–8. Бибкод : 2008Sci...320..634P . дои : 10.1126/science.1156446 . ПМИД 18356488 . S2CID 206512197 .
- ^ Снайдер, Дж.Дж.; Тоберер, ES (2008). «Сложные термоэлектрические материалы» . Природные материалы . 7 (2): 105–114. Бибкод : 2008NatMa...7..105S . дои : 10.1038/nmat2090 . ПМИД 18219332 .
- ^ Перейти обратно: а б «Небеса печатных плат – объяснение элементов Пельтье» . Печатная плата Небеса . Проверено 1 мая 2013 г.
- ^ Верстег, Оуэн. «Идентификация элемента Пельтье» . Архивировано из оригинала 30 апреля 2019 года . Проверено 14 октября 2013 г.
- ^ Гошал, Уттам (31 июля 2001 г.). «Высоконадежное термоэлектрическое охлаждающее устройство и способ» . патенты.google.com . Проверено 12 марта 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б Чжао, Дунлян (май 2014 г.). «Обзор термоэлектрического охлаждения: материалы, моделирование и применение». Прикладная теплотехника . 66 (1–2): 15–24. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2014.01.074 .
- ^ Калифорнийский университет (18 апреля 2017 г.). «Хлорфторуглероды и разрушение озона» . Американское химическое общество . Проверено 11 марта 2019 г.
- ^ «Модуль 99: Пропан в качестве хладагента для использования в охладителях для систем кондиционирования воздуха» . Журнал CIBSE . Сентябрь 2016 года . Проверено 22 января 2020 г.
- ^ «Руководство по радиаторам» . Проверено 3 мая 2013 г.
- ^ Браун, доктор медицинских наук; Н. Фернандес; Дж. А. Диркс; ТБ Стаут (март 2010 г.). «Перспективы альтернатив технологии сжатия пара для охлаждения помещений и охлаждения пищевых продуктов» (PDF) . Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (PNL) . Министерство энергетики США . Проверено 16 марта 2013 г.
- ^ Сюй, Джереми (14 июня 2011 г.). «Холодно? Надень эту куртку. Жарко? Надень эту куртку. Пальто с климат-контролем позволяет нагреваться от нуля до 100 градусов по Цельсию одним нажатием кнопки » . Новости Эн-Би-Си . НБК . Проверено 16 марта 2013 г.
- ^ Ферро, Шонаси (15 марта 2013 г.). «Как зимние беды вдохновили на нанотехнологическое решение всего: от простуды в шее до боли в коленях» . Популярная механика . Компания Боннер . Проверено 16 марта 2013 г.
- ^ Fylladitakis, E. (26 сентября 2016 г.) anandtech.com Обзор процессорного кулера Phononic HEX 2.0 TEC. Проверено 31 октября 2018 г.
- ^ «Обзор технологии охлаждения Intel Cryo» . Проверено 20 ноября 2022 г.
- ^ Использование модулей Пельтье для терморегулирования электронных систем . Еженедельник электроники, 4 октября 2017 г.
- ^ Котляров Евгений; Питер де Кром; Рауль Воетен (2006). «Некоторые аспекты оптимизации охладителя Пельтье, применяемые для контроля температуры воздуха в перчаточном боксе». САЭ Интернешнл . Серия технических документов SAE. 1 : 1. doi : 10.4271/2006-01-2043 .
- ^ Воллмер, Майкл; Мёлльманн, Клаус-Петер (20 февраля 2018 г.). Инфракрасное тепловидение: основы, исследования и приложения . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9783527413515 .