1.5. Термоэлектрическое охлаждение

Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) заключается в том, что при прохождении электрического тока через цепь, составленную из разнородных полупроводников, в местах контактов (спаев) выделяется или поглощается теплота.

Рис.8 Принципиальная схема элементарного термоэлемента.

Элементарный термоэлемент состоит из двух последовательно соединенных по­лупроводников (рис. 3.5) произвольного по­перечного сечения. Эффект охлаждения значительно возрастает, если термо­электродвижущие силы полупроводнико­вой пары имеют различные знаки. Поэто­му целесообразно устанавливать один из полупроводников электронный (-), а другой — дырочный (+). Первый носит название n-тип, а второй — р-тип. Если направление тока в цепи таково, что электроны n-полупроводника и дырки р-полупроводника движутся к месту спая, то электрон, пройдя через спай, попадает в свободное место (дырку). При этом отрицательный заряд электрона и положи­тельный заряд ядра атома (дырки) взаимно компенсируют друг друга, а вся сво­бодная энергия пары переходит в тепловую, повышая таким образом температу­ру спая.

Если изменить направление тока на обратное, то процесс пойдет в проти­воположном направлении и в месте спая при температуре Т_х произойдет погло­

щ ение тепла Q₀, затраченное на образо­вание пары электрон-дырка (положи­тельный протон). Если температура хо­лодного конца термоэлемента Т_х дос­тигнет уровня ниже температуры ок­ружающей среды Т_с, то последний мо­жет использоваться в качестве ис­точника холода (холодильной маши­ны). Если Т_х = Т_с , а температура горячего термоэлемента Т_г больше чем температура окружающей среды Т_с, то он может использоваться в качестве теплового насоса.

Рис.9 Конструктивные элементы

термоэлектрической батареи:

п и р - отрицательные и положительные

полупроводниковые звенья термоэлемента;

Х и Г – холодные и горячие стороны;

М – коммутационные медные пластины;

Рис.10 Схема двухкаскадной термобатареи:

S - теплопроводящие пластины. 1-2-нижний каскад;

2-3-верхний каскад.

Полупроводники с помощью медных пластин образуют спаи. Элементарные термоэлементы соединяют последовательно в батареи, как это показано на (рис. 3.6), а батареи могут устанавливать по каскадной схеме (рис. 3.7).

Последовательное соединение термоэлементов диктуется необходимостью получения достаточной холодопроизводительности батареи, а каскадное расположение батарей повышает эффективность работы термоэлектрических охлаждающих приборов, так как с увеличением разности температур на холодном и горячем спаях значительно снижается и энергетическая эффективность. Поэтому применение термоэлементов для охлаждающих устройств перспективно только для небольших производительностей и перепадов температур.

Преимущества: простота устройства, малые габариты и масса, отсутствие движущихся частей, бесшумность, малая тепловая инерционность, надёжность работы, лёгкость осуществления перевода с режима охлаждения на режим обогрева