Полупроводниковые термобатареи.

Физическими основами построения полупроводниковых термобатарей являются контактные явления, основанные на эффектах:

Эффект Пельтье (1884 г.). При прохождении электри­ческого тока I через цепь, составленную из разнородных проводни­ков, в местах их соединений (спаях) поглощается или выделяется поток теплоты:

Ф_п = ±П·I;

где П- коэффициент Пельтье, в; знаки «±» указывают на свойства материалов поглощать или выделять энергию.

Эффект Зеебека. Если спай двух разнородных материалов имеет температуру Т отличную от окружающей Т_с, то на концах проводников возникает термоэлектродвижущая сила:

Е = ±γΔТ;

где ΔТ = Т – Т_с, γ – коэффициент Зеебека, В/К.

Эффект Томсона. Если в однородном материале существу­ет градиент температур, то при пропускании тока через него будут появляться термо-э.д.с. между отдельными его частями. Выделяю­щейся при этом тепловой поток определяется соотношением:

Ф_т0 = ±k_Т IΔТ;

где k_Т – коэффициент Томсона, В/к.

При соединении (полупроводников р- и n- типа имеет место сле­дующая связь между введенными коэффициентами:

П = γТ, γ = γ_р – γ_n.

где γ_р, γ_n – соответственно коэффициенты Зеебека для материалов проводимости p- и n- типа.

Современная термобатарея представляет собой совокупность пар, состоящих из полупроводниковых материалов р- и n- типа. При пропускании электрического тока через такую систему на одних cпаях происходит поглощение теплоты Пельтье («холодные» спаи), а на других — выделение («горячие» спаи). Конструктивно батарея выполнена так, что холодные спаи вынесены на одну ее поверх­ность, а горячие — на другую. Если при этом температуру «горяче­го» спая поддерживать на определенном уровне, то температура холодного спая понизится.

Единичный полупроводниковый термоэле­мент (ТЭ), схематически изображен на рис. 19.1. К холодному спаю 1 подводится поток Ф_х от окружающей среды или охлаждае­мого объекта, от спая 2 за счет теплопроводности приходит поток Ф_т; при прохождении тока через ТЭ часть энергии электрического тока переходит в тепловую (джоулевы потери). Соответствующий поток теплоты обозначим Ф_д.

Поскольку тепло в таких элементах отводится частицами, то данный эффект связан с большими токами: I ~ 1÷10n [A].

В современных работах показано, что можно создавать конструкции ПТБ с дополнительным нанесением сегнетоэлектриков, где могут происходить фазовые переходы, и тем самым получать более эффективный отвод тепла.

Достоинства ПТБ:

Малогабаритность, достаточно низкие температуры (холодный спай – 60 ÷ –70^оС, горячий – до +100^оС), реверсивность, отсутствие механических частей, унифицированность применения.

Недостатки ПТБ:

Большие токи, низкий к.п.д.

Характеристики ПТБ:

Термоэлектрическая добротность термоэлемента:

Z = γ²σ/λ;

где γ – коэффициент Зеебека, σ – удельная электропроводность материала, λ - коэффициент теплопроводности.

Коэффициент полезного действия η, равный отно­шению снимаемой нагрузки Ф_х к полной электрической мощности Ф, потребляемой ТЭ:

η = Ф_х/Ф, Ф = UI, U = IR + γΔТ,

где второе слагаемое γΔТ описывает разность потенциалов, необхо­димую на преодоление э. д. с. Зеебека.

Различают два экстремальных режима работы ТЭ: максималь­ного к.п.д. η_max и максимальной холодопроизводительности Ф_{х max}.

Первый из режимов наиболее экономичен (минимальные затраты энергии), второй — позволяет при прочих равных условиях снимать большую тепловую нагрузку или при прежней нагрузке уменьшить габариты и массу системы охлаждения.

При конструировании термобатарей рассчитывают и сопоставля­ют следующие параметры: холодопроизводительность, массу, объем, энергозатраты, вероятность безотказной работы и т. п. Для отдель­ных систем охлаждения тот или иной параметр является преобла­дающим.

Термобатареи служат как для локального (на них, например, могут крепиться диоды), так и для общего охлаждения. В отдель­ных случаях применяют каскады термобатарей, что обеспечивает значительные перепады температур, вплоть до криогенных (по от­ношению к нормальным условиям). В настоящее время термобата­реи выпускаются универсальной формы в виде модулей, которые могут быть встроены в готовую конструкцию. Число ТЭ в модуле и применяемые материалы могут быть различными, что связано с эффективностью работы в том или ином диапазоне температуры.

Криогенное охлаждение.

Охлаждение с помощью фазовых переходов. Такие устройства просты по конструкции, надежны, потребляют мало энергии и по некоторым показателям (массе, габаритам, стабильности температуры) могут быть конкурентоспособными-и даже превосходить другие технические решения. Обычно используют два режима работы рассматриваемых устройств: хранение криогенной жидкости в теплоизолированном контейнере и отвод теплоты от объекта при испарении хладоагента. В качестве хладоагентов используют в основном обычные для криогенной техники вещества. Выбор оптимального хладоагента зависит от диапазона температур охлаждения и других факторов. Например, для 3-40К перспективен жидкий неон, который обладает, кроме того, высокой плотностью. Жидкостные системы чаще используют з устройствах с ограниченным сроком предварительного хранения и малой длительностью рабочего цикла, а системы с твердым хлздоагентом применяют в случае ограниченного энергопотребления.

Жидкостные системы охлаждения применяют в виде трех конструктивных схем:

- совмещеные — объект охлаждения представляет одно целое с сосудом, содержащим хладагент;

- дистанционные — хладогент передается от сосуда к объекту, по специальному трубопроводу;

- дистанционные с испарением хладогент а, который затем в виде сжатого газа подается на вход дроссельного микроохладителя.

В последние годы разработаны различные конструкции криогенных установок с использованием твердого криогенного вещества. Появление таких устройств вызвано рядом причин: меньшей по сравнению с жидкостной массой (теплота фазового перехода при сублимации имеет более высокое значение, чем при кипении); нет проблемы разделения фаз в условиях невесомости.

 

Рисунок 20.1 Схема микрокриогенного устройства с твердым хладоагентом

 

Основные элементы криогенной установки с твердым хладоагентом показаны на рис. 20.1 и содержат теплоизолированный контейнер 4 с отверждеиным хладоагентом 5, устройство для отвода паров и поддержания в контейнере постоянного давления 6, хладопровод 7 к объекту охлаждения; внешний контейнер 2 теплоизолирован с помощью эффективной изоляции 3. Выбор хладоагента во многом определяет характеристики и конструкцию установки.

Классификация термостатов.

При определении базовой конструкции термостата необходимо установить вид исполнительного устройства (элемента) и функциональную схему реализации теплового воздействия исполнительного устройства, число ступеней термостатирования, закон регулирования, а также тип и место установки датчика. Остановимся на особенностях выбора базовой конструкции, опираясь на ряд классификационных признаков термостатов.

Рассмотрим объекты с пренебрежимо малыми собственными тепловыделениями. По расположению заданной температуры стабилизации относительно диапазона изменения температуры окружающей среды термостаты для этих объектов делятся на подогревные , реверсивные и охлаждающие

В качестве исполнительных элементов применяются: в подогревных термостатах — электронагревательные устройства, в реверсивных — термобатареи или холодильные машины с электронагревателями, в охлаждающих — термобатареи или холодильные машины. При этом различают термостаты, у которых основное тепловое взаимодействие исполнительного элемента происходит либо с высокотеплопроводной камерой, либо с газообразной или жидкой средой.

Рисунок 21.1 Базовые функциональные схемы термостатов при взаимодействии исполнительного элемента с камерой

В термостатах первого вида теплообмен между камерой 3 и объектом 1 может быть реализован различными способами, которым соответствуют базовые функциональные схемы, представленные на рис. 21.1.

Теплообмен между объектом 1 и камерой 3 происходит в основном благодаря теплопроводности через элементы крепления 2 объекта 1 к камере 3 (рис. 21.1,а); на рис. 21.1,б объект 1 отделен от камеры 3 газовой или жидкостной прослойкой 7; на рис. 21.1,в для увеличения интенсивности теплообмена между камерой и объектом и степени равномерности теплового воздействия на объект организовано перемешивание газа или жидкости в прослойке 7 между объектом и камерой; на рис. 21.1,г для увеличения равномерности теплового воздействия объект 1 может помещаться в дополнительную теплопроводную камеру 8; на рис. 21.1,д прослойка 7 между основной и дополнительной камерами может быть заполнена кипящим хладагентом.

В термостатах второго вида исполнительное устройство воздействует на газообразную или жидкую среду, которая, в свою очередь, взаимодействует либо непосредственно с объектом, либо с окружающей его теплопроводной камерой. В последнем случае могут быть использованы способы организации теплообмена между камерой и объектом, аналогичные представленным на рис. 21.1, а,б,в.

При непосредственном взаимодействии среды с объектом возможны базовые функциональные схемы, изображенные на рис.21.2: теплообмен между средой 7 и объектом 1происходит благодаря свободной конвекции (рис. 21.2, а), перемешиванию газа или жидкости (рис. 21.2,6), процессу кипения (рис. 21.2, е), прокачке теплоносителя через рабочую камеру (рис. 21.2, г).

Рисунок 21.2 Базовые функциональные схемы термостатов при взаимодействии исполнительного элемента с газообразной или жидкой средой

В реверсивных и охлаждающих термостатах в рабочей камере иногда располагается используемый в качестве холодильного устройства теплообменник 6, в который подается хладагент с низкой температурой из постороннего независимого источника рисунок 21.3. В этом случае изменение управляющего воздействия может осуществляться путем регулирования расхода хладагента. С целью интенсификации теплообмена в термостатах может производиться оребрение объекта или окружающей его дополнительной камеры.

Рисунок 21.2 Реверсивный термостат с хладагентом из независимого источника