Эффективность применения термоэлектрического охлаждения Выбор материала для элементов

Экономичность термоэлемента, а также максимальное снижение температуры на спаях зависят от эффективности (добротности) полупроводникового веществаz, в которую входят удельная электропроводностьσ,коэффициенттермоЭДСαи удельнаятеплопроводностьκ. Эти величины взаимосвязаны, так как зависят от концентрации свободных электронов или дырок. Такая зависимость представлена на рис. 2. Из рисунка видно, что электропроводностьσпропорциональна числу носителейn, термоЭДС стремится к нулю с увеличениемnи возрастает при уменьшенииn. Теплопроводность к состоит из двух частей: теплопроводности кристаллической решеткиκ_p, которая практически не зависит отn, и электронной теплопроводностиκ_э, пропорциональнойn.Эффективность металлови металлических сплавов мала из-за низкого коэффициента термоЭДС, а в диэлектриках — из-за очень малой электропроводимости. По сравнению с металлами и диэлектрикамиэффективность полупроводниковзначительно выше, чем и объясняется их широкое применение в настоящее время в термоэлементах. Эффективность материалов также зависит от температуры.

Термоэлемент состоит из двух ветвей: отрицательной (n-тип) и положительной (р-тип). Так как материал с электронной проницаемостью имеет термоЭДС с отрицательным знаком, а материал с дырочной проводимостью — с положительным, то можно получить большее значение термоЭДС.

При увеличении термоЭДС растет z. Для термоэлементов в настоящее время применяют низкотемпературные термоэлектрические материалы, исходными веществами которых являются висмут, сурьма, селен и теллур. Максимальная эффективностьzдля этих материалов при комнатных температурах составляет: 2,6·10^-3°С^-1дляn-типа, 2,6·10^-1°С^-1— дляр-типа. В настоящее время Bi₂Te₃применяют редко, поскольку созданные на его основе твердые растворы Bi₂Te₃-Be₂Se₃и Bi₂Te₃-Sb₂Te₃имеют более высокие значенияz. Эти материалы впервые были получены и исследованы в нашей стране, и на их основе освоен выпуск сплавов ТВЭХ-1 и ТВЭХ-2 для ветвей с электронной проводимостью и ТВДХ-1 и ТВДХ-2 — для ветвей с дырочной проводимостью. Твердые растворы Bi-Se применяют в области температур ниже 250 К. Максимального значения z = 6·10^-3°С^-1достигает при Т≈80÷90 К. Интересно отметить, что эффективность этого сплава значительно повышается в магнитном поле.

Полупроводниковые ветвив настоящее время изготавливают тремя методами: методом порошковой металлургии, литьем с направленной кристаллизацией и вытягиванием из расплава. Метод порошковой металлургии с холодным или горячим прессованием образцов наиболее распространен.

В термоэлектрических охлаждающих устройствах применяют, как правило, термоэлементы, у которых отрицательная ветвь изготовлена методом горячего прессования, а положительная — методом холодного прессования.

Механическая прочностьтермоэлементов незначительна. Так, у образцов сплава Bi₂Te₃-Sb₂Te₃, изготовленных методом горячего или холодного прессования, предел прочности при сжатии составляет 44,6–49,8 МПа. Для повышения прочности термоэлемента между коммутационной пластиной1(рис. 3) и полупроводниковой ветвью6ставится демпфирующая свинцовая пластина3; кроме того, применяют легкоплавкие припои2,4и припой SiSb5. Испытания показывают, что термоэлектрические устройства имеют виброударную стойкость до 20g, термоэлектрические охладители малой холодопроизводительности — до 250g.

Сравнение термоэлектрических охлаждающих устройств с другими способами охлаждения

Термоэлектрические охлаждающие устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами холодильных машин. В настоящее время в системах кондиционирования воздуха на судах применяют теплоиспользующие или паровые холодильные машины. В холодное время года судовые помещения обогревают электро-, паро- или водонагревателями, т. е. применяют раздельные источники теплотыи холода. При помощи термоэлектрических устройств в теплое время года можно охлаждать помещения, а в холодное — обогревать. Режим обогрева изменяют на режим охлаждения путем реверса электрического тока. Кроме того, к преимуществам термоэлектрических устройств следует отнести: полное отсутствие шума при работе, надежность, отсутствие рабочего вещества и масла, меньшие массу и габаритные размеры при той же холодопроизводительности. Сравнительные данные по хладоновым машинам для провизионных камер на судах показывают, что при одинаковой холодопроизводительности масса термоэлектрической холодильной машины в 1,7–1,8 раза меньше.Термоэлектрические холодильные машиныдля систем кондиционирования воздуха имеют объем приблизительно в четыре, а массу в три раза меньше, чем хладоновые холодильные машины.

К недостаткам термоохлаждающих устройств следует отнести их низкую экономичность и повышенную стоимость. Экономичность термоэлектрических холодильных машин по сравнению с паровыми приблизительно на 20-50% ниже. Высокая стоимость термоохлаждающих устройств связана с высокими ценами на полупроводниковые материалы. Однако существуют области, где уже теперь они способны конкурировать с другими типами холодильных машин. Например, начали применять термоэлектрические устройствадля охлаждения газов и жидкостей. Примерами устройств этого класса могут служить охладители питьевой воды, воздушныекондиционеры, охладители реактивов в химическом производстве и др. Для таких холодильных машин образцовымцикломбудет треугольный цикл Лоренца (см. рис. 4). Приближение к образцовому циклу достигается простым путем, так как для этого требуется только видоизменить электрическую схему коммутации, что не вызывает конструктивных трудностей. Это позволяет существенно, в некоторых случаях более чем вдвое, повысить эффективность термоэлектрических холодильных машин. Для реализации этого принципа в паровой холодильной машине пришлось бы применять сложную схему многоступенчатого сжатия.

Весьма перспективным может быть использование термоэлектрических устройств в качестве «интенсификатора теплопередачи». В тех случаях, когда из какого-либо небольшого пространства необходимо отвести теплоту в окружающую среду, а поверхность теплового контакта ограничена, располагаемые на поверхноститермоэлектрические батареимогут значительно интенсифицировать процесс теплопередачи. Как показывают исследования, сравнительно небольшой расход электроэнергии способен существенно увеличить удельный тепловой поток. Можно интенсифицировать теплопередачу и без затраты электроэнергии. В этом случае необходимо замкнуть термобатарею. Наличие разности температур приведет к появлению термоЭДС Зеебека, которая и обеспечит питание термоэлектрической батареи. С помощью термоэлектрических устройств можно изолировать одну из теплообменивающихся сред, т. е. использовать ее в качестве совершенной тепловой изоляции.

Важное обстоятельство, также определяющее область, в которой термоэлектрические холодильные машиныспособны конкурировать с другими типами холодильных машин даже по энергетической эффективности, состоит в том, что уменьшение холодопроизводительности, например, паровых холодильных машин ведет к снижению их холодильного коэффициента. Для термоэлектрической холодильной машины это правило не соблюдается, и ее эффективность практически не зависит от холодопроизводительности. Уже в настоящее время для температурТх= 0°С иТк= 26°С и производительности несколько десятков ватт энергетическая эффективность термоэлектрической машины близка к эффективности паровой холодильной машины.

Широкое внедрение термоэлектрического охлаждения будет зависеть от прогресса в создании совершенных полупроводниковых материалов, а также от серийного производства эффективных в экономическом отношении термобатарей.