2. Области применения термоэлектрических объектов

Возросший интерес к термоэлектрическому способу охлаждения определяется несколькими причинами. Во-первых, термоэлектрические устройства обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения и термостатирования, например, высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, малыми габаритами и весом, возможностью локального охлаждения, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования и стабилизации температуры. Во-вторых, интенсификация исследований в области термоэлектричества и достигнутые успехи в термоэлектрическом материаловедении значительно расширили область применения термоэлектрических устройств (ТЭУ). В том числе, можно с уверенностью утверждать, что ТЭУ не имеют равных в использовании для стабилизации температуры и охлаждения электронных приборов в интервале температур (150 ÷ 400) К. В-третьих, высокая экологичность и безопасность, несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТЭУ по сравнению с компрессионными и другими системами охлаждения.

Для температурных испытаний и исследований различных объектов и их параметров используются термостаты и термокамеры. Однако в настоящее время практически отсутствуют относительно недорогие и малогабаритные камеры для температурных испытаний в области температур от -60°С до +60°С. Для этих целей оптимальным является термоэлектрический способ получения и стабилизации температуры, обеспечивающий высокую точность поддержания заданных параметров. Такие термостаты (или климатические камеры) необходимы в научных учреждениях и на промышленных предприятиях.

Контроль и измерение температуры является одной из наиболее часто встречаемых задач в науке и технике. Однако развитие современных технологий создает дополнительные требования к качеству измерений. Для обеспечения необходимой точности измерений любые средства измерения температуры должны периодически подвергаться калибровке или поверке. Для этих целей в диапазоне -60  +100°С целесообразно использование термоэлектрических термостатов, обеспечивающих высокую точность и равномерный профиль температуры в рабочей зоне.

Среди современных проблем микроэлектроники особое место занимают проблемы, связанные с обеспечением тепловых режимов электронных компонентов. Увеличение интеграции элементов электронных схем приводит к значительным удельным тепловыделениям и в то же время ограничивает возможность теплоотвода. Использование классических методов охлаждения не дает положительного результата. В связи с этим, есть все основания предполагать, что в ближайшее время термоэлектрический способ охлаждения станет основным в решении этой проблемы. Такие устройства необходимы для охлаждения электронных блоков специального назначения, приемо-передающих устройств, компьютеров и серверов.

В настоящее время не реализована и малая часть тех возможностей, которые дает термоэлектрический способ охлаждения. Анализ современного состояния производства ТЭУ позволяет сделать вывод об интенсификации использования этих устройств. Термоэлектрические приборы находят широкое применение, как в быту, так и во многих областях науки и техники.

Высокие технические характеристики современных термоэлектрических устройств определяются главным образом эффективностью и качеством основного элемента – термоэлектрического модуля или элемента Пельтье. Термоэлектрический модуль (ТЭМ) представляет собой батарею из последовательно соединенных с помощью коммутационных элементов (шин) термоэлементов. ТЭМ может использоваться как индивидуально, так и для изготовления однокаскадных и многокаскадных ТЭУ. Основными конструктивными элементами ТЭМ являются: полуэлементы n- и р-типа, теплопереходы горячего и холодного спаев, коммутационные (шины) и контактные слои, формируемые к термоэлементам. Предпочтительным оказывается применение ТЭМ в качестве терморегулирующего элемента для температурной стабилизации функциональных преобразователей. В этом случае элементы термоэлектрического модуля (рис.2.1) состоит из последовательно соединенных термоэлементов, установленных между коммуникационными матрицами “горячих” и “холодных” спаев ТЭМ.

Рис.2.1. Принцип действия ТЭМ

Коммуникационная матрица представляет собой диэлектрическую подложку, на которой расположены проводники, коммутирующие ветви термоэлементов и сами термоэлементы в ТЭМ. Ветви термоэлементов имеют различный тип проводимости и изготавливаются из твердых растворов на основе Bi₂Te₃. Количество термоэлементов определяется необходимой холодопроизводительностью ТЭМ, но обычно не превышает 127. Модуль с помощью пасты или клея с высокой теплопроводностью одной из коммутационных матриц крепится на теплообменник. На другую коммутационную матрицу устанавливается объект, температуру которого нужно стабилизировать. В зависимости от полярности напряжения питания ТЭМ объект может охлаждаться или нагреваться.

Двухкаскадный термоэлектрический блок используется, в частности, в низкотемпературном термостате, упрощенная конструкция которого приведена на рис. 2.2. В подобном термостате может проводиться поверка и градуировка датчиков температуры в диапазоне от -60С до + 60С.

Рис. 2.2. Конструкция низкотемпературного термостата:

1) теплоизоляция;

2) жидкостной теплообменник;

3) двухкаскадный термоэлектрический блок;

4) теплопровод;

5) термостатируемая ячейка;

6) пробка;

7) контрольный щуп электронного термометра;

8) поверяемый датчик температуры;

9) управляющие датчики.