Файл: Курсовая на тему Термоэлектрическое охлаждение элементов и устройств ЭВС . РС-71.docx

Применяется в воздушных холодильных машинах.

Дросселирование реального газа и жидкостей. Дросселированием называют процесс создания искусственного сопротивления на пути движения газа или жидкости, который протекает без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой.

Термоэлектрическое охлаждение. Возможность получения холода путем непосредственной затраты электрической энергии было доказано в 1834 г. французским физиком Пельтье, который установил, что при прохождении тока в замкнутой цепи, спаянной из двух разных металлов (термопары), один спай нагревается, а другой охлаждается. Чтобы холодный спай постоянно имел низкую температуру и был источником охлаждения, теплый спай необходимо охлаждать, иначе теплота от него будет передаваться путем теплопроводности к холодному спаю. В 1949 г., благодаря работам советских ученых во главе с академиком А. Ф. Иоффе, термоэлектрическое охлаждение стали применять в технике.

Если термоэлементы последовательно соединить в батарею, то верхняя поверхность такой батареи будет холодной, а нижняя — горячей. Разместив верхнюю поверхность батареи в герметичном объеме (шкафу), воздух в шкафу будет охлаждаться, а теплота, выводимая из шкафа, будет передаваться в окружающий воздух через нижнюю поверхность батареи.

Термоэлектрические охлаждающие устройства

Термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) применяются для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов радиоэлектронной и оптической аппаратуры, а также в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, медикобиологических приборах и др. Эти устройства имеют ряд принципиальных преимуществ перед обычными системами принудительного охлаждения:

• компактность,

• легкость регулировки температуры,

• малую инерционность.

ТОУ обладают удобной и гибкой характеристикой и несложным переводом из режима охлаждения в режим нагревания. Они отличаются простотой управления, возможностью точного регулирования температуры, бесшумностью, хорошими массо-габаритными показателями, высокой надежностью работы и имеют практически неограниченный срок службы.

ТОУ — это устройства для переноса тепловой энергии от теплопередатчика с низкой температурой к теплоприемнику с высокой температурой, действие которых основано на эффекте Пельтье. Основным функциональным узлом ТОУ является термоэлектрическая батарея, набранная из электрически соединенных между собой термоэлементов. При прохождении электрического тока (от внешнего источника) через термоэлемент возникает разность температур между горячим и холодным спаями термоэлемента. При этом на холодном спае теплота поглощается из охлаждаемого вещества и передается горячему спаю и далее в окружающую среду.

Эффект Пельтье объясняется тем, что в разнородных проводниках кинетическая энергия электронов различна. Если направление тока таково, что электроны с большей энергией переходят в проводник с меньшей энергией электронов, то происходит выделение тепла на контакте за счет передачи избыточной энергии электрона кристаллической решетке. Если же направление тока таково, что электроны с меньшей энергией переходят в проводник с большей энергией электронов, происходит охлаждение контакта, так как пришедший электрон должен восполнить недостающую энергию за счет энергии решетки.

Количество выделенного или поглощенного тепла

Q = P·I·t, где:

• P — коэффициент Пельтье (ЭДС Пельтье);

• I — сила тока;

• t — время.

Одновременно в цепи термоэлемента выделяется теплота, которая передается к холодному спаю за счет теплопроводности.

Особенно ярко эффект Пельтье проявляется на границе полупроводников с дырочной и электронной проводимостью (рис. 1). Разница кинетической энергии носителей по обе стороны контакта при этом особенно велика. При движении электронов из электронного полупроводника в дырочный в месте контакта (конт. 2) происходит рекомбинация электронов и дырок. Электрон при этом из зоны проводимости попадает в валентную зону и энергия взаимодействия электрона и дырки переходит в тепло. Оно выделяется на контакте, и температура контакта становится больше температуры окружающей среды Т₀, то есть Т₂> Т₀.

Рис. 1. Зонная диаграмма контакта полупроводника с металлом

Электроны в n-области и дырки в p-области оттягиваются от конт. 1. При этом электроны из валентной зоны дырочного полупроводника втягиваются полем p-n перехода в зону проводимости электронного полупроводника. Возникающие в результате термогенерации электроны и дырки движутся в сторону от контакта, а поскольку на создание электроннодырочных пар была затрачена энергия De, то она восполняется за счет энергии решетки. Это приводит к охлаждению контакта.

Термоэлементы характеризуются эффективностью охлаждения

Z = a²·s/l, где:

• a — термоэлектрический коэффициент;

• s и l — удельные электро и теплопроводности соответственно.

Очевидно, что КПД термоэлемента тем больше, чем выше электропроводность полупроводникового материала, так как при этом уменьшается внутреннее сопротивление и потери на тепло, и тем меньше, чем больше его теплопроводность, так как при этом увеличивается поток тепла от горячего спая к холодному. Параметр Z является функцией температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Наибольшей эффективностью охлаждения обладают полупроводники. При изготовлении термоэлементов обычно используют такие полупроводниковые материалы как халькогениды висмута и сурьмы. Такие соединения являются узкозонными полупроводниками с высокой подвижностью носителей.

Тепловой баланс контактов термоэлемента складывается из теплоты Пельтье, поглощаемой на них, и джоулева тепла, выделяемого при прохождении тока. При этом температура охлаждаемого спая будет понижаться при отборе тепла до тех пор, пока поток тепла, вызванного эффектом Пельтье, не уравновесится встречным потоком, вызванным теплопроводностью и стремящимся выровнять температуры холодного и горячего спаев. Максимальная разность температур, получаемая на концах термоэлемента при пропускании через него тока, связана с величиной эффективности выражением

DT_макс = ZT²₀/2,где:

• T_{0 —} температура холодного спая термоэлемента.

Современные полупроводниковые ТОУ обеспечивают снижение температуры от +20 до –200°С, их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.

От правильного конструктивного решения единичного термоэлемента в значительной степени зависит качественная работа всего термоохлаждающего устройства. Основным требованием, которому должна удовлетворять рациональная конструкция термоэлемента, является устранение или значительное уменьшение механических напряжений, возникающих в последнем в результате сжатия холодных и расширения горячих коммутационных пластин.

При подключении к термоэлементу питающего напряжения верхняя коммутационная пластина начинает охлаждаться и соответственно сжиматься. Нижняя, наоборот, начинает нагреваться и расширяться. В результате этого возникает пара сил. Под влиянием этих сил в термоэлементе создаются значительные механические напряжения, которые могут привести к разрушению последнего.

Поскольку полностью устранить механические напряжения не представляется возможным, было разработано несколько конструкций термоэлементов, в которых механические напряжения снижены настолько, что они не приводят к выходу термоэлемента из строя. Одна из них предусматривает использование возможно более короткой холодной коммутационной пластины. В соответствии с этим ветви термоэлемента не должны быть далеко разнесены одна от другой.

Рис. 2. Конструкции термоэлементов, предусматривающие снижение механических напряжений

Второй из возможных конструктивных вариантов термоэлемента состоит в том, что холодная коммутационная пластина изготавливается в виде рессоры (рис. 2, а). В этом случае под влиянием возникающих в термоэлементе механических напряжений она будет изгибаться, не выходя за пределы упругой деформации. Естественно, что сечение рессоры должно быть таким, чтобы проходящий через нее рабочий ток не выделял заметного количества джоулева тепла.

На рис. 2, бизображена другая конструкция холодной коммутационной пластины, в которой сделано два идущих навстречу друг другу смещенных тонких пропила. В местеАобразуется достаточно тонкая перемычка небольшой длины, выполняющая роль упругой пластины. Благодаря незначительной длине перемычка не вносит значительного сопротивления в электрическую цепь термоэлемента.

Другой путь уменьшения вредного влияния механических напряжений, возникающих в термоэлементе, предусматривает создание демпфирующих слоев между ветвями термоэлемента и коммутационными пластинами. Демпфирующий слой должен быть изготовлен из материала, обладающего достаточной пластичностью и малым омическим сопротивлением.

На рис. 2, визображена конструкция подобного термоэлемента. К обеим ветвям 3, предварительно залуженным легкоплавким коммутационным припоем, припаиваются свинцовые пластинки 2 и 4. Затем к ним припаиваются верхняя 1 и нижняя 5 коммутационные пластины. В результате хорошей пластичности свинца применение таких демпфирующих прокладок практически полностью снимает механические напряжения, возникающие в термоэлементе.

На рис. 2, г показан термоэлемент, в котором роль демпфера выполняют сравнительно толстые прослойки висмута 3 и 5,нанесенные на ветви термоэлемента 4 и 8.Припайка ветвей к коммутационным пластинам 1 и 7 осуществляется легкоплавким коммутационным сплавом 2 и 6.

Термоэлектрические батареи собираются из последовательно соединенных термоэлементов, состоящих из ветвей р и n-типа, связанных через коммутационные пластины, при этом количество термоэлементов может достигать нескольких сотен. Обычно термоэлементы располагаются таким образом, чтобы все холодные спаи выходили на одну сторону батареи, а все горячие — на другую (рис. 3, а-б).

Рис. 3. Виды соединений термоэлементов в термобатарею

Иногда термоэлементы соединяются в батарею так, что ток проходит по ним, не меняя своего направления (рис. 3,в). Коммутационные пластины, служащие ребрами, выводятся в разные стороны для холодных и горячих спаев соответственно. Эта схема позволяет уменьшить потери от выделения тепла в коммутационных пластинах, так как длина пути тока в этом случае минимальна. Напряжения изгиба в полупроводниках, возникающие от различного расширения холодной и горячей сторон батареи, которые бывают довольно значительными в обычной схеме, в этом случае отсутствуют.

Однако при такой схеме больше потери от перетекания тепла с горячей стороны на холодную по теплоизоляции вокруг термоэлементов. Кроме того, более длинный путь для теплового потока вдоль коммутационной пластины, при меньшем поперечном сечении для одинаковых коммутационных пластин, вызывает повышенные перепады температур по сравнению с обычной схемой. Термоэлектрическая батарея может быть создана и без коммутационных пластин из одного монокристалла (рис. 3, г).

Полупроводниковые термоэлектрические модули (ПТМ) представляют собой унифицированные одно или многокаскадные батареи из последовательно или параллельно-последовательно включенных термоэлементов. Многокаскадные (многоуровневые) модули позволяют получить перепад температур значительно больший, чем однокаскадные. В ряде приборов, где тепловая нагрузка на термоэлементы невелика, широко используются двухкаскадные модули. При конструировании их основные задачи сводятся к осуществлению токоподвода ко второму каскаду и созданию электроизоляционного перехода между горячими спаями второго каскада и холодным спаем первого каскада.