Jump to content

Термоэлектрическое охлаждение

Термоэлектрическое охлаждение использует эффект пельтье для создания теплового потока на соединении двух различных типов материалов. Охладитель, нагреватель или термоэлектрический тепловой насос-это твердотельный активный тепловой насос , который переносит тепло с одной стороны устройства на другую, с потреблением электрической энергии , в зависимости от направления тока. Такой инструмент также называется устройством пельтьер , тепловым насосом пельтье , холодильником твердого состояния или термоэлектрическим холодильником ( TEC ) и иногда термоэлектрической батареи . Его можно использовать либо для отопления, либо для охлаждения, [ 1 ] Хотя на практике основным применением является охлаждение. [ Цитация необходима ] Его также можно использовать в качестве контроллера температуры, который либо нагревается, либо охлаждается.

Эта технология гораздо реже применяется к охлаждению, чем охлаждение пары . Основными преимуществами охладителя пельтье по сравнению с холодильником пары-сжатия является отсутствие движущихся частей или циркулирующую жидкость, очень длительный срок службы, неутешание утечек, небольшой размер и гибкая форма. Его основные недостатки стоят высокой стоимостью для данной охлаждающей способности и плохой эффективности энергоэффективности (низкий коэффициент производительности или полицейского). Многие исследователи и компании пытаются разработать кулеры, которые дешевы и эффективны. (См. Термоэлектрические материалы .)

Кулер Peltier также может быть использован в качестве термоэлектрического генератора . При работе в качестве охладителя на устройство применяется напряжение, и в результате разница в температуре будет расти между двумя сторонами. При работе в качестве генератора одна сторона устройства нагревается до температуры, превышающей другую сторону, и в результате разница в напряжении будет расти между двумя сторонами ( эффект Зебека ). Тем не менее, хорошо продуманным кулером Пельтье будет посредственным термоэлектрическим генератором и наоборот, из-за различных требований к конструкции и упаковке.

Операционный принцип

[ редактировать ]
Пельтье -элемент схема. Термоэлектрические ноги термически параллельно и электрически серии.
Видео от тепловой камеры элемента Пельтье

Термоэлектрические охлаждения работают под действием эффекта Пельтье (одно из трех явлений, которые составляют термоэлектрический эффект). [ 2 ] Термоэлектрический модуль изготовлен из трех компонентов; Проводники, ноги и субстрат, и многие из этих модулей подключены электрически последовательно, но термически параллельно. [ 2 ] Когда электрический ток постоянного тока протекает через устройство, он приносит тепло с одной стороны на другую, так что одна сторона становится прохладнее, а другая становится горячей.

«Горячая» сторона прикреплена к радиатору, так что она остается при температуре окружающей среды, в то время как прохладная сторона опускается ниже комнатной температуры. В специальных приложениях несколько охладителей могут быть каскадны или организованы вместе для более низкой температуры, но общая эффективность (COP) значительно падает. Максимальный COP любого холодильного цикла в конечном итоге ограничен разницей между желаемой (холодной стороной) и температурой окружающей среды (горячая сторона) (температура радиатора). Чем выше разность температур (дельта), тем ниже максимальный теоретический полицейский.

Строительство

[ редактировать ]

Два уникальных полупроводника, один N-тип и один P-тип , используются потому, что они должны иметь разные плотности электронов. Чередующиеся полупроводниковые столбы P & N-типа расположены в термически параллельно друг другу и электрически последовательно, а затем соединяются с термопроводной пластиной с каждой стороны, обычно керамической, удаляя необходимость в отдельном изоляторе. Когда на свободные концы двух полупроводников применяется напряжение, существует поток тока постоянного тока по соединению полупроводников, вызывая разность температуры. Сторона с охлаждающей пластиной поглощает тепло, которое затем транспортируется полупроводником на другую сторону устройства.

Способность охлаждения общей единицы затем пропорциональна общему поперечному сечению всех столбов, которые часто подключены последовательно, чтобы электрически электрически подключено, чтобы уменьшить ток, необходимый для практических уровней. Длина столбов представляет собой баланс между более длинными столпами, которые будут иметь большую термостойкость между сторонами и позволить более низкой температуре, но приводит к большему количеству резистивного нагрева и более коротких колонн, которые будут иметь большую электрическую эффективность, но позволяют больше Нагрейте протекайте от горячей до холодной стороны теплопроводом. Для больших температурных различий, более длинные столбы гораздо менее эффективны, чем укладка отдельных, постепенно более крупных модулей; Модули увеличиваются, так как каждый слой должен удалять как тепло, перемещенное при вышеуказанном слое, так и тепло отходов слоя.

Материалы

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

Требования к термоэлектрическим материалам: [ 4 ]

  • Узкие полосовые полупроводники из-за тематической операции;
  • Высокая электрическая проводимость (для снижения электрической сопротивления , источника тепла отходов);
  • Низкая теплопроводность (так что тепло не возвращается с горячей стороны к прохладной стороне); Это обычно переводится на тяжелые элементы
  • Большая единица ячейка, сложная структура;
  • Высокоанизотропный или очень симметричный;
  • Сложные композиции.

Материалы, подходящие для высокоэффективных систем TEC, должны иметь комбинацию низкой теплопроводности и высокой электропроводности. Комбинированный эффект различных комбинаций материалов обычно сравнивается с использованием фигуры заслуг, известной как ZT , мера эффективности системы. Уравнение для ZT приведено ниже, где это коэффициент Зебека , электрическая проводимость и это теплопроводность. [ 5 ]

Существует несколько материалов, которые подходят для применений TEC, поскольку взаимосвязь между тепловой и электрической проводимостью обычно является положительной корреляцией. Улучшения в снижении теплового транспорта с увеличением электропроводности являются активной областью исследований в области материала. Общие термоэлектрические материалы, используемые в качестве полупроводников, включают в себя теллурид , теллурид свинца , кремниевые сплавы и антимонид -сплавы висмута . Из них наиболее часто используется висмут теллурид. Новые высокопроизводительные материалы для термоэлектрического охлаждения активно исследуются. [ 6 ]

В течение десятилетий узкие полупроводники, такие как висмут , теллур и их соединения , использовались в качестве материалов термопалей.

Идентификация и характеристики

[ редактировать ]
Элементы Пельтье все соответствуют универсальной идентификационной спецификации.

Подавляющее большинство термоэлектрических охладителей имеют идентификатор, напечатанный на охлажденной стороне. [ 7 ] Эти универсальные идентификаторы указывают размер, количество стадий, количество пар и тока в усилителях, как видно на соседней диаграмме. [ 8 ]

Например, общий термоэлектрический элемент TEC1-12706 имеет квадратную форму размера 40 мм и высотой 3–4 мм, и они найдены за несколько долларов. Он способен двигаться около 60 Вт или генерировать разницу температуры 60 ° C с током 6 A. Их электрическое сопротивление составляет около 1–2 Ом.

Сильные и слабые стороны

[ редактировать ]

Есть много факторов, мотивирующих дальнейшие исследования TEC, включая более низкие выбросы углерода и простоту производства. Тем не менее, возникли несколько проблем.

Преимущества

[ редактировать ]

Значительным преимуществом систем TEC является то, что они не имеют движущихся частей. Это отсутствие механического износа и уменьшенные случаи отказа из -за усталости и перелома от механической вибрации и напряжения увеличивает срок службы системы и снижает требования к обслуживанию. Текущие технологии показывают среднее время между сбоями (MTBF), превышающим 100 000 часов при температуре окружающей среды. [ 9 ] Состояние термоэлектрического электрического может быть измерено с помощью изменения их сопротивления переменного тока (ACR); Когда он изнашивается, ACR увеличится. [ Цитация необходима ]

Тот факт, что системы TEC контролируются током, приводит к другой серии преимуществ. Поскольку поток тепла прямо пропорционален приложенному току постоянного тока, тепло может быть добавлен или удален с точным управлением направлением и количеством электрического тока. В отличие от методов, которые используют резитивные методы нагрева или охлаждения, которые включают газы, TEC допускает одинаковую степень контроля над потоком тепла (как в контрольной системе, так и из -за контроля). Из -за этого точного двунаправленного контроля теплового потока температура контролируемых систем может быть точностью до фракций степени, часто достигая точности Милли Кельвина (MK) в лабораторных условиях. [ 10 ]

Устройства TEC также более гибкие по форме, чем их более традиционные аналоги. Они могут использоваться в средах с меньшим пространством или более тяжелыми условиями, чем обычный холодильник. Способность адаптировать их геометрию позволяет поставить точное охлаждение в очень мелкие области. Эти факторы делают их общим выбором в научных и инженерных приложениях с требовательными требованиями, когда стоимость и абсолютная энергоэффективность не являются основными проблемами.

Еще одним преимуществом TEC является то, что он не использует хладагенты в своей работе. До самопоставления некоторые ранние хладагенты, такие как хлорфторуглероды (CFC), внесли значительный вклад в истощение озона . Многие хладагенты, используемые сегодня, также оказывают значительное влияние на окружающую среду с потенциалом глобального потепления [ 11 ] или нести другие риски безопасности с ними. [ 12 ]

Недостатки

[ редактировать ]

Системы TEC имеют ряд заметных недостатков. Прежде всего, их ограниченная энергоэффективность по сравнению с обычными системами паров-сжатия и ограничениями на общий тепловой поток (тепловой поток), которые они способны генерировать на единицу площади. [ 10 ] Эта тема далее обсуждается в разделе «Производительность ниже».

Производительность

[ редактировать ]

Пельтье (термоэлектрическое) производительность является функцией температуры окружающей среды, характеристик теплообменника горячих и холодных боковых теплообменника ( радиатора ), тепловой нагрузки, геометрии пельтья (термопийного) и электрических параметров пельтье. [ 7 ]

Количество тепла, которое может быть перемещено, пропорционально току и времени.

где P - коэффициент Пельтье, я ток, а T - время. Коэффициент Пельтье зависит от температуры и материалов, из которых изготовлен холодильник. Величина 10 Вт на ампер распространена, но это компенсируется двумя явлениями:
  • Согласно закону Ома , модуль Пельтиер будет производить саму тепло отходов,
, где r - это сопротивление .
  • Тепло также будет перемещаться от горячей стороны к прохладной стороне путем теплопроводности внутри самого модуля, эффект, который становится все сильнее по мере роста разности температур.

Результатом является то, что тепло эффективно перемещают падения по мере роста разности температур, а модуль становится менее эффективным. Поступает разница температуры, когда тепло и движение от отходов нагревает назад, преодолевает перемещенное тепло, и модуль начинает нагревать прохладную сторону вместо того, чтобы охлаждать ее дальше. Одностадийный термоэлектрический охладитель обычно дает максимальную разницу температуры 70 ° C между его горячими и холодными сторонами. [ 13 ]

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

  • Горячая сторона и прохладная сторона будут очень близки друг к другу (в нескольких миллиметрах), что облегчает возвращение тепла к прохладной стороне, и труднее изолировать горячую и прохладную сторону друг от друга
  • Общий 40 мм × 40 мм может генерировать 60 Вт или более, то есть 4 Вт/см 2 или больше - реквизит мощного радиатора, чтобы отодвинуть тепло

В приложениях охлаждения термоэлектрические соединения имеют около 1/4 эффективности по сравнению с обычными средствами (охлаждение паров): они обеспечивают эффективность около 10–15% (COP 1,0–1,5) идеального Carnot Cycle холодильника , по сравнению с 40–60 % [ 14 ] Благодаря этой более низкой эффективности термоэлектрическое охлаждение обычно используется только в средах, где твердотельный характер (без движущихся деталей ), низкое обслуживание, компактный размер и нечувствительность ориентации перевешивают чистую эффективность.

Несмотря на то, что они ниже обычных средств, эффективность может быть достаточно хорошей, при условии:

  • Разница температуры сохраняется как можно меньше, и,
  • Ток сохраняется низким, потому что соотношение перемещенного тепла на тепло отходов (для той же температуры на горячей и прохладной стороне) будет .

Однако, поскольку низкий ток также означает низкое количество перемещенного тепла, для всех практических целей коэффициент производительности будет низким.

Использование

[ редактировать ]
Кулер для напитков с USB

Термоэлектрические охладители используются для применений, которые требуют удаления тепла в диапазоне от милливатта до нескольких тысяч Вт. Они могут быть сделаны для применений такими же небольшими, как кулер для напитков, или столь же большие, как подводная лодка или железнодорожный автомобиль.

Потребительские товары

[ редактировать ]

Элементы Пельтье обычно используются в потребительских продуктах. Например, они используются в кемпинге , портативных кулерах, охлаждающих электронных компонентах, спальных системах на матрасах и небольших инструментах. Они также могут быть использованы для извлечения воды из воздуха в осушителях . типа кемпинга/автомобиля (12 В) Электрический охладитель обычно снижает температуру до 20 ° C (36 ° F) ниже температуры окружающей среды, которая составляет 25 ° C, если автомобиль достигает 45 ° C под солнцем. Климатические куртки начинают использовать элементы Пельтье. [ 15 ] [ 16 ]

Термоэлектрические охладители могут использоваться для охлаждения компьютерных компонентов , чтобы поддерживать температуру в пределах конструкции или для поддержания стабильного функционирования при разгрузке . Художник из пельтье с радиатором или водяным блоком может охладить чип, намного ниже температуры окружающей среды. [ 17 ] Некоторые процессоры Intel Core с 10 -го поколения и далее способны использовать технологию Intel Cryo, которая использует комбинацию термоэлектрического охлаждения и жидкого теплообменника для обеспечения гораздо большей производительности охлаждения, чем обычно, при стандартном жидком охлаждении . Местные условия окружающей среды контролируются в электронном виде, чтобы предотвратить конденсацию. [ 18 ]

Промышленное

[ редактировать ]

Термоэлектрические охладители используются во многих областях промышленного производства и требуют тщательного анализа производительности, поскольку они сталкиваются с испытанием на пропуск тысяч циклов до того, как эти промышленные продукты будут запущены на рынок. Некоторые из применений включают лазерное оборудование, термоэлектрические кондиционеры или кулеры, промышленная электроника и телекоммуникации, [ 19 ] Автомобильные, мини -холодильники или инкубаторы, военные шкафы, ограждения и многое другое.

В волоконно-оптических приложениях, где длина волны лазера или компонента сильно зависит от температуры, используются охладители пельтьер вместе с термистором в цикле обратной связи, чтобы поддерживать постоянную температуру и тем самым стабилизировать длину волны устройства.

Некоторое электронное оборудование, предназначенное для военного использования в поле, имеет термоэлектрически охлаждение. [ Цитация необходима ]

Наука и визуализация

[ редактировать ]

Элементы Пельтье используются в научных устройствах. Они являются общим компонентом у термоциклистов , используемых для синтеза ДНК с помощью полимеразной цепной реакции ( ПЦР ), общей молекулярной биологической методики, которая требует быстрого нагрева и охлаждения реакционной смеси для денатурации, отжига праймера и циклов синтеза Полем

При схеме обратной связи элементы Пельтье могут использоваться для реализации высоко стабильных температурных контроллеров, которые сохраняют желаемую температуру в пределах ± 0,01 ° C. Такая стабильность может быть использована в точных лазерных приложениях, чтобы избежать длина длины волны лазерной волны при изменении температуры среды.

Эффект используется в спутниках и космическом корабле для уменьшения температурных различий, вызванных прямым солнечным светом на одной стороне ремесла, путем рассеивания тепла на холодную затененную сторону, где он рассеивается в качестве термического излучения в пространство. [ 20 ] С 1961 года в некоторых невидимых космических аппаратах (включая любопытство Марс -Ровер) используют радиоэкотопные термоэлектрические генераторы (RTG), которые преобразуют тепловую энергию в электрическую энергию с использованием эффекта Seebeck. Устройства могут длиться несколько десятилетий, так как они подпитываются распадом высокоэнергетических радиоактивных материалов.

Элементы Пельтье также используются для создания облачных камер для визуализации ионизирующего излучения . Просто пропустив электрический ток, они могут охлаждать пары ниже -26 ° C без сухого льда или движущихся деталей, что делает облачные камеры легко производить и использовать.

Детекторы фотонов, такие как CCD в астрономических телескопах , спектрометрах или очень высококачественных цифровых камеры, часто охлаждаются элементами Пельтье, которые могут быть расположены в многоэтапных, [ 21 ] Каскадная конфигурация охлаждения. Это уменьшает темные количества из -за теплового шума . Темный счет возникает, когда пиксель регистрирует электрон, вызванный термическими колебаниями, а не фотоном. На цифровых фотографиях, сделанных при слабом освещении, они встречаются в виде спецлей (или «пиксельный шум»). [ Цитация необходима ]

Они также используются в энергетических спектрометрах для охлаждения кристаллов датчика, что устраняет необходимость крупных жидких азотных деварцев.

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ Тейлор, Ра; Solbrekken, GL (2008). «Комплексная оптимизация системного уровня термоэлектрических устройств для электронного охлаждения». IEEE транзакции на компонентах и ​​технологиях упаковки . 31 : 23–31. doi : 10.1109/tcapt.2007.906333 . S2CID   39137848 .
  2. ^ Подпрыгнуть до: а беременный Lundgaard, Christian (2019). Проектирование сегментированных термоэлектрических кулеров пельтье путем оптимизации топологии . Оксфорд: Elsevier Ltd. p. 1
  3. ^ Disalvo, Фрэнсис (июль 1999 г.). «Термоэлектрическое охлаждение и выработка электроэнергии» . Наука . 285 (5428): 703–6. doi : 10.1126/science.285.5428.703 . PMID   10426986 .
  4. ^ Голдсмид, Х. Джулиан (2016). Введение в термоэлектричество . Серия Springer в области материаловедения. Тол. 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. ^ Пудель, кровать (май 2008 г.). «Высокоэлектрические характеристики наноструктурированных сплавов на наноструктурированные сплавы висмута теллурида» . Наука . 320 (5876): 634–8. Bibcode : 2008sci ... 320..634p . doi : 10.1126/science.1156446 . PMID   18356488 . S2CID   206512197 .
  6. ^ Снайдер, GJ; Toberer, ES (2008). «Сложные термоэлектрические материалы» . Природные материалы . 7 (2): 105–114. Bibcode : 2008natma ... 7..105s . doi : 10.1038/nmat2090 . PMID   18219332 .
  7. ^ Подпрыгнуть до: а беременный «Небесной рая - Элементы Пельтье объясняют» . Печата небеса . Получено 1 мая 2013 года .
  8. ^ Верстиг, Оуэн. «Идентификация элемента Пельтье» . Архивировано с оригинала 30 апреля 2019 года . Получено 14 октября 2013 года .
  9. ^ Ghoshal, Uttam (2001-07-31). «Очень надежный аппарат термоэлектрического охлаждения и метод» . Patents.google.com . Получено 2019-03-12 .
  10. ^ Подпрыгнуть до: а беременный Чжао, Донглиан (май 2014 г.). «Обзор термоэлектрического охлаждения: материалы, моделирование и применение». Прикладная тепловая инженерия . 66 (1–2): 15–24. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2014.01.074 .
  11. ^ Калифорнийский университет (18 апреля 2017 г.). «Хлорофторуглероды и истощение озона» . Американское химическое общество . Получено 2019-03-11 .
  12. ^ «Модуль 99: пропан в качестве хладагента для использования в чиллерах для применения кондиционера» . Cibse Journal . Сентябрь 2016 г. Получено 2020-01-22 .
  13. ^ «Руководство для радиатора» . Получено 3 мая 2013 года .
  14. ^ Браун, доктор; Н. Фернандес; Ja Dirks; TB Stout (март 2010 г.). «Перспективы альтернатив технологии сжатия пара для применения в космическом охлаждении и продовольственном охлаждении» (PDF) . Тихоокеанская северо -западная национальная лаборатория (PNL) . Министерство энергетики США . Получено 16 марта 2013 года .
  15. ^ HSU, Джереми (2011-06-14). «Холодно? Наденьте эту куртку. Горячий? Поместите эту куртку на контролируемое климат слой, переходит от нуля до 100 градусов C 'в переворот кнопки » . NBC News . NBC . Получено 16 марта 2013 года .
  16. ^ Ferro, Shanacy (2013-03-15). «Как зимние проблемы вдохновили на нанотехнологию все, от холодной шеи до боли в колене» . Популярная механика . Bonnier Corp. Получено 16 марта 2013 года .
  17. ^ Fylladitakis, E. (26 сентября 2016 г.) Anandtech.com. Обзор CPU CPU Phononic Hex 2.0 TEC. Получено на 2018-10-31.
  18. ^ «Обзор технологии Cryo Cryo Intel» . Получено 20 ноября 2022 года .
  19. ^ Использование модулей Пельтье для теплового управления электронными системами . Electronics Weekly, 4 октября 2017 г.
  20. ^ Котлиаров, Евгений; Питер де Кром; Рауль Воэтен (2006). «Некоторые аспекты оптимизации пельтье-охладителя применяются для контроля температуры воздуха в перчаточном поле». SAE International . SAE Технические бумаги серии. 1 : 1. DOI : 10.4271/2006-01-2043 .
  21. ^ Воллмер, Майкл; Möllmann, Klaus-Peter (20 февраля 2018 года). Инфракрасная тепловая визуализация: основы, исследования и применения . Джон Уайли и сыновья. ISBN  9783527413515 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: bf3182a385c254834d038f27c6072695__1727021580
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/bf/95/bf3182a385c254834d038f27c6072695.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Thermoelectric cooling - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)