Chłodzenie termoelektryczne - Thermoelectric cooling

Efekt termoelektryczny
Zasady Efekt termoelektryczny Efekt Seebecka Efekt Peltiera Efekt Thomsona Współczynnik Seebecka Efekt Ettingshausena Efekt Nernsta
Aplikacje Materiały termoelektryczne Termoelement Termostos Chłodzenie termoelektryczne Generator termoelektryczny Radioizotopowy generator termoelektryczny Samochodowy generator termoelektryczny
v T mi

Chłodzenie termoelektryczne wykorzystuje efekt Peltiera do wytworzenia strumienia ciepła na styku dwóch różnych rodzajów materiałów. Chłodnica, grzałka lub termoelektryczna pompa ciepła Peltiera to półprzewodnikowa aktywna pompa ciepła, która przenosi ciepło z jednej strony urządzenia na drugą, zużywając energię elektryczną w zależności od kierunku prądu. Taki przyrząd jest także nazywany urządzenie Peltiera , pompa ciepła Peltiera , stały stan lodówki lub termoelektryczny element chłodzący ( TEC ) i od czasu do czasu termoelektrycznego baterii . Może być używany zarówno do ogrzewania, jak i do chłodzenia, chociaż w praktyce głównym zastosowaniem jest chłodzenie. Może być również używany jako regulator temperatury, który ogrzewa lub chłodzi.

Technologia ta jest znacznie rzadziej stosowana w chłodnictwie niż chłodnictwo z kompresją pary . Podstawowymi zaletami lodówki Peltiera w porównaniu do lodówki z kompresją pary jest brak części ruchomych lub krążącej cieczy, bardzo długa żywotność, odporność na przecieki, niewielkie rozmiary i elastyczny kształt. Jego główne wady to wysoki koszt przy danej wydajności chłodniczej i słaba wydajność energetyczna (niski COP ). Wielu badaczy i firm próbuje opracować tanie i wydajne chłodnice Peltiera. (Zobacz Materiały termoelektryczne .)

Chłodnica Peltiera może być również używana jako generator termoelektryczny . Podczas pracy jako chłodnica na urządzenie przykładane jest napięcie, w wyniku czego między obiema stronami narasta różnica temperatur. Podczas pracy jako generator jedna strona urządzenia jest podgrzewana do temperatury wyższej niż druga, w wyniku czego między obiema stronami narasta różnica napięcia ( efekt Seebecka ). Jednak dobrze zaprojektowana chłodnica Peltiera będzie przeciętnym generatorem termoelektrycznym i odwrotnie, ze względu na różne wymagania dotyczące konstrukcji i pakowania.

Zasada działania

Schemat elementu Peltiera. Nogi termoelektryczne są termicznie równoległe i elektrycznie połączone szeregowo.

Lodówki termoelektryczne działają na zasadzie efektu Peltiera (jednego z trzech zjawisk składających się na efekt termoelektryczny). Urządzenie ma dwie strony, a kiedy DC prąd elektryczny przepływa przez urządzenie, przynosi ciepło z jednej strony na drugą, tak, że jedna strona staje się chłodniej, podczas gdy drugi robi się goręcej. Strona "gorąca" jest przymocowana do radiatora, dzięki czemu pozostaje w temperaturze otoczenia, podczas gdy strona zimna spada poniżej temperatury pokojowej. W specjalnych zastosowaniach wiele chłodnic można połączyć kaskadowo w celu uzyskania niższej temperatury, ale ogólna wydajność (COP) znacznie spada. Maksymalny COP dowolnego cyklu chłodniczego jest ostatecznie ograniczony przez różnicę między temperaturą pożądaną (strona zimna) a temperaturą otoczenia (strona gorąca) (temperatura radiatora). Im wyższa różnica temperatur (delta), tym niższy maksymalny teoretyczny COP.

Budowa

Projekt

Stosowane są dwa unikalne półprzewodniki, jeden typu n i jeden typu p, ponieważ muszą mieć różne gęstości elektronów. Naprzemienne słupki półprzewodnikowe typu p & n są umieszczone termicznie równolegle do siebie i elektrycznie szeregowo, a następnie połączone z płytą przewodzącą ciepło z każdej strony, zwykle ceramicznej, eliminując potrzebę oddzielnego izolatora. Gdy napięcie jest przyłożone do wolnych końców dwóch półprzewodników, przez złącze półprzewodników przepływa prąd stały, powodując różnicę temperatur. Strona z płytą chłodzącą pochłania ciepło, które następnie jest transportowane przez półprzewodnik na drugą stronę urządzenia. Zdolność chłodzenia całego urządzenia jest wtedy proporcjonalna do całkowitego przekroju wszystkich słupów, które często są połączone szeregowo elektrycznie w celu zmniejszenia potrzebnego prądu do praktycznych poziomów. Długość słupków jest równowagą między dłuższymi słupkami, które będą miały większy opór cieplny między bokami i pozwolą na osiągnięcie niższej temperatury, ale wytwarzają bardziej rezystancyjne ogrzewanie, a krótszymi słupkami, które będą miały większą wydajność elektryczną, ale pozwolą na więcej wyciek ciepła z gorącej na zimną stronę przez przewodnictwo cieplne. W przypadku dużych różnic temperatur dłuższe filary są znacznie mniej wydajne niż układanie oddzielnych, coraz większych modułów; moduły stają się większe, ponieważ każda warstwa musi usuwać zarówno ciepło przenoszone przez powyższą warstwę, jak i ciepło odpadowe warstwy.

Materiały

Wartości ZT dla różnych materiałów i stopów bizmutu.

Wymagania dotyczące materiałów termoelektrycznych:

• Półprzewodniki z wąską przerwą energetyczną ze względu na działanie w temperaturze pokojowej;
• Wysoka przewodność elektryczna (w celu zmniejszenia oporu elektrycznego , źródła ciepła odpadowego);
• Niska przewodność cieplna (aby ciepło nie wracało ze strony gorącej do zimnej); zwykle przekłada się to na ciężkie pierwiastki
• Duża komórka elementarna, złożona struktura;
• Wysoce anizotropowy lub wysoce symetryczny;
• Złożone kompozycje.

Materiały odpowiednie do wysokowydajnych systemów TEC muszą charakteryzować się kombinacją niskiej przewodności cieplnej i wysokiej przewodności elektrycznej. Połączony efekt różnych kombinacji materiałów jest powszechnie porównywany przy użyciu wartości znanej jako ZT , która jest miarą wydajności systemu. Równanie dla ZT podano poniżej, gdzie alfa jest współczynnikiem Seebecka , sigma jest przewodnością elektryczną, a kappa jest przewodnością cieplną.

$${\ Displaystyle \ mathbb {Z} \ operatorname {T} = (\ alfa ^ {2} \ sigma \ operatorname {T})/\ kappa}$$

Istnieje niewiele materiałów, które nadają się do zastosowań TEC, ponieważ związek między przewodnością cieplną i elektryczną jest zwykle korelacją dodatnią. Ulepszenia w zakresie zmniejszonego transportu termicznego przy zwiększonej przewodności elektrycznej są aktywnym obszarem badań materiałoznawczych. Typowe materiały termoelektryczne stosowane jako półprzewodniki obejmują tellurek bizmutu , ołowiu tellurku , germanek krzemu i stopów antymonu i bizmutu. Spośród nich najczęściej stosowany jest tellurek bizmutu. Nowe, wysokowydajne materiały do ​​chłodzenia termoelektrycznego są aktywnie badane.

Elementy robocze muszą znajdować się w izolowanej obudowie, a najlepszą geometrią jest płaszczyzna. Zwykle będą to one wciśnięte między parę płytek ceramicznych, zapieczętowane (lub nie).

Identyfikacja i charakterystyka

Wszystkie elementy Peltiera są zgodne z uniwersalną specyfikacją identyfikacji

Zdecydowana większość lodówek termoelektrycznych ma nadrukowany identyfikator po stronie chłodzonej.

Te uniwersalne identyfikatory wyraźnie wskazują rozmiar, liczbę stopni, liczbę par i prąd znamionowy w amperach, jak widać na sąsiednim schemacie.

Bardzo popularny Tec1-12706, kwadrat o rozmiarze 40 mm i wysokości 3-4 mm, można znaleźć za kilka dolarów i sprzedawany jako zdolny do poruszania się z mocą około 60 W lub generowania różnicy temperatur 60 ° C przy prądzie 6 A. Ich rezystancja elektryczna będzie wynosić 1-2 omów.

Mocne i słabe strony

Istnieje wiele czynników motywujących do dalszych badań nad TEC, w tym niższa emisja dwutlenku węgla i łatwość produkcji. Pojawiło się jednak kilka wyzwań.

Korzyści

Istotną zaletą systemów TEC jest brak ruchomych części. Ten brak mechanicznego zużycia i zmniejszone przypadki awarii z powodu zmęczenia i pęknięć spowodowanych wibracjami i naprężeniami mechanicznymi wydłużają żywotność systemu i obniżają wymagania konserwacyjne. Obecne technologie pokazują, że średni czas między awariami (MTBF) przekracza 100 000 godzin w temperaturach otoczenia.

Fakt, że systemy TEC są sterowane prądem, prowadzi do kolejnych korzyści. Ponieważ przepływ ciepła jest wprost proporcjonalny do przyłożonego prądu stałego, ciepło może być dodawane lub usuwane z dokładną kontrolą kierunku i ilości prądu elektrycznego. W przeciwieństwie do metod wykorzystujących oporowe metody ogrzewania lub chłodzenia wykorzystujące gazy, TEC pozwala na równy stopień kontroli nad przepływem ciepła (zarówno do, jak i z kontrolowanego systemu). Ze względu na tę precyzyjną dwukierunkową kontrolę przepływu ciepła, temperatury kontrolowanych systemów mogą być precyzyjne z dokładnością do ułamków stopnia, często osiągając dokładność milikelwinów (mK) w warunkach laboratoryjnych. Urządzenia TEC mają również bardziej elastyczny kształt niż ich bardziej tradycyjne odpowiedniki. Mogą być używane w środowiskach o mniejszej przestrzeni lub w trudniejszych warunkach niż konwencjonalna lodówka. Możliwość dostosowania ich geometrii pozwala na dostarczenie precyzyjnego chłodzenia do bardzo małych obszarów. Czynniki te sprawiają, że są one powszechnym wyborem w zastosowaniach naukowych i inżynieryjnych o wysokich wymaganiach, w których koszty i bezwzględna efektywność energetyczna nie są głównym problemem.

Kolejną zaletą TEC jest to, że nie wykorzystuje w swojej pracy czynników chłodniczych . Przed ich wycofaniem niektóre wczesne czynniki chłodnicze, takie jak chlorofluorowęglowodory (CFC), znacząco przyczyniły się do zubożenia warstwy ozonowej . Wiele stosowanych obecnie czynników chłodniczych ma również znaczący wpływ na środowisko, przyczyniając się do globalnego ocieplenia lub niesie ze sobą inne zagrożenia bezpieczeństwa.

Niedogodności

Systemy TEC mają szereg istotnych wad. Najważniejsza jest ich ograniczona wydajność energetyczna w porównaniu z konwencjonalnymi systemami sprężania pary oraz ograniczenia dotyczące całkowitego strumienia ciepła (przepływu ciepła), który są w stanie wytworzyć na jednostkę powierzchni. Ten temat jest szczegółowo omówiony w poniższej sekcji wydajności.

Wydajność

Wydajność Peltiera (termoelektrycznego) jest funkcją temperatury otoczenia, wydajności wymiennika ciepła ( radiatora ) po stronie gorącej i zimnej , obciążenia termicznego, geometrii modułu Peltiera (stosu termoelektrycznego) oraz parametrów elektrycznych Peltiera.

Ilość ciepła, którą można przenieść, jest proporcjonalna do prądu i czasu.

${\ Displaystyle Q = PIT}$, gdzie P to współczynnik Peltiera, I to prąd, a t to czas. Współczynnik Peltiera zależy od temperatury i materiałów, z których wykonana jest chłodnica. Powszechne są wielkości 10 watów na amper, ale równoważą to dwa zjawiska:

• Zgodnie z prawem Ohma moduł Peltiera sam będzie wytwarzał ciepło odpadowe,

${\ Displaystyle Q_ {odpady} = RI ^ {2} t}$, gdzie R jest oporem .

• Ciepło będzie również przemieszczać się ze strony gorącej na stronę chłodną przez przewodnictwo cieplne wewnątrz samego modułu, co nasila się wraz ze wzrostem różnicy temperatur.

W rezultacie ciepło skutecznie przenoszone spada wraz ze wzrostem różnicy temperatur, a moduł staje się mniej wydajny. Pojawia się różnica temperatur, gdy ciepło odpadowe i powracające ciepło pokonują przeniesione ciepło, a moduł zaczyna podgrzewać chłodną stronę zamiast dalej ją chłodzić. Jednostopniowa chłodnica termoelektryczna zazwyczaj wytwarza maksymalną różnicę temperatur wynoszącą 70 °C między jej ciepłą i zimną stroną.

Kolejny problem z wydajnością jest bezpośrednią konsekwencją jednej z ich zalet: małego. To znaczy że

• strona gorąca i chłodna będą bardzo blisko siebie (kilka milimetrów od siebie), co ułatwi powrót ciepła do chłodnej strony i utrudni izolację strony gorącej i chłodnej od siebie
• zwykły 40 mm x 40 mm może generować 60 W lub więcej, czyli 4 W/cm ² lub więcej, wymagając mocnego grzejnika do przenoszenia ciepła

W zastosowaniach chłodniczych złącza termoelektryczne mają około 1/4 wydajności (COP) w porównaniu do konwencjonalnych (chłodzenie z kompresją pary), co oznacza: zapewniają około 10-15% wydajności idealnej lodówki cyklicznej Carnota , w porównaniu z 40-60% osiąganą przez konwencjonalną systemy cyklu kompresji (odwrócone systemy Rankine'a wykorzystujące kompresję/rozprężanie). Ze względu na tę niższą wydajność chłodzenie termoelektryczne jest zwykle stosowane tylko w środowiskach, w których natura półprzewodnikowa (brak ruchomych części ), niskie wymagania konserwacyjne, kompaktowy rozmiar i niewrażliwość na orientację przeważają nad czystą wydajnością.

Chociaż niższa niż w przypadku konwencjonalnych środków, pod warunkiem, że wydajność może być wystarczająco dobra

• różnica temperatur jest utrzymywana na jak najmniejszym poziomie, oraz
• prąd jest utrzymywany na niskim poziomie, ponieważ stosunek ciepła przenoszonego do ciepła odpadowego (dla tej samej temperatury po stronie gorącej i zimnej) będzie wynosił .${\ Displaystyle {\ Frac {Q} {Q_ {odpady}}} = {\ Frac {P} {RI}}}$

Ponieważ jednak niski prąd oznacza również małą ilość przenoszonego ciepła, ze względów praktycznych współczynnik wydajności będzie niski.

Zastosowania

Chłodziarka do napojów zasilana przez USB

Chłodnice termoelektryczne są wykorzystywane do zastosowań wymagających odprowadzania ciepła w zakresie od miliwatów do kilku tysięcy watów. Mogą być wykonane do zastosowań tak małych, jak chłodziarka do napojów lub tak dużych, jak łódź podwodna lub wagon kolejowy. Elementy TEC mają ograniczoną żywotność. Ich siłę zdrowia można zmierzyć zmianą ich odporności na AC (ACR). W miarę zużywania się chłodniejszego elementu współczynnik ACR wzrośnie.

Produkty konsumenckie

Elementy Peltiera są powszechnie stosowane w produktach konsumenckich. Na przykład są używane w kempingach , przenośnych lodówkach, chłodzących podzespołach elektronicznych i małych instrumentach. Mogą być również używane do odciągania wody z powietrza w osuszaczach . Rodzaj camping / samochód elektryczny chłodnicy typowo może obniżyć temperaturę o 20 ° C (36 ° F), niższej od temperatury otoczenia, to jest 25 ° C, gdy pojazd osiąga 45 ° C w słońcu. W kurtkach klimatyzowanych zaczynają być stosowane elementy Peltiera. Chłodnice termoelektryczne służą do wzmacniania radiatorów mikroprocesorów.

Przemysłowy

Chłodnice termoelektryczne są stosowane w wielu dziedzinach produkcji przemysłowej i wymagają dokładnej analizy wydajności, ponieważ przechodzą testy tysięcy cykli przed wprowadzeniem tych produktów przemysłowych na rynek. Niektóre z zastosowań obejmują sprzęt laserowy, termoelektryczne klimatyzatory lub chłodnice, elektronikę przemysłową i telekomunikację, motoryzację, mini lodówki lub inkubatory, szafy wojskowe, obudowy IT i inne.

Nauka i obrazowanie

Elementy Peltiera są wykorzystywane w urządzeniach naukowych. Są powszechnym składnikiem termocyklerów , stosowanych do syntezy DNA za pomocą reakcji łańcuchowej polimerazy ( PCR ), powszechnej techniki biologii molekularnej, która wymaga szybkiego ogrzewania i chłodzenia mieszaniny reakcyjnej w cyklach przyłączania starterów denaturujących i syntezy enzymatycznej.

Dzięki obwodom sprzężenia zwrotnego elementy Peltiera można wykorzystać do wdrożenia wysoce stabilnych regulatorów temperatury, które utrzymują żądaną temperaturę w zakresie ±0,01°C. Taka stabilność może być wykorzystana w precyzyjnych zastosowaniach laserowych, aby uniknąć dryftu długości fali lasera wraz ze zmianami temperatury otoczenia.

Efekt jest wykorzystywany w satelitach i statkach kosmicznych w celu zmniejszenia różnic temperatur spowodowanych bezpośrednim działaniem promieni słonecznych po jednej stronie statku poprzez rozpraszanie ciepła na zimną zacienioną stronę, gdzie jest rozpraszane jako promieniowanie cieplne w kosmos. Od 1961 roku niektóre bezzałogowe statki kosmiczne (w tym łazik Curiosity Mars) wykorzystują radioizotopowe generatory termoelektryczne (RTG), które przekształcają energię cieplną w energię elektryczną za pomocą efektu Seebecka. Urządzenia mogą przetrwać kilkadziesiąt lat, ponieważ są zasilane przez rozpad wysokoenergetycznych materiałów radioaktywnych.

Elementy Peltiera są również wykorzystywane do budowy komór chmurowych do wizualizacji promieniowania jonizującego . Wystarczy przepuścić prąd elektryczny, aby schłodzić opary poniżej -26°C bez suchego lodu i ruchomych części, dzięki czemu komory mętnicze są łatwe do wykonania i użytkowania.

Detektory fotonów takie jak CCD w teleskopach astronomicznych , spektrometrach czy bardzo wysokiej klasy aparatach cyfrowych są często chłodzone przez elementy Peltiera. Zmniejsza to liczbę ciemności z powodu szumu termicznego . Ciemna liczba występuje, gdy piksel rejestruje elektron spowodowany fluktuacją termiczną, a nie foton. Na zdjęciach cyfrowych zrobionych przy słabym oświetleniu pojawiają się one jako plamki (lub „szum pikseli”).

Lodówki termoelektryczne mogą być używane do chłodzenia podzespołów komputera w celu utrzymania temperatury w granicach projektowych lub utrzymania stabilnego działania podczas przetaktowywania . Chłodnica Peltiera z radiatorem lub blokiem wodnym może schłodzić chip znacznie poniżej temperatury otoczenia.

W zastosowaniach światłowodowych , w których długość fali lasera lub komponentu w dużym stopniu zależy od temperatury, chłodnice Peltiera są używane wraz z termistorem w pętli sprzężenia zwrotnego, aby utrzymać stałą temperaturę, a tym samym stabilizować długość fali urządzenia.

Niektóre urządzenia elektroniczne przeznaczone do użytku wojskowego w terenie są chłodzone termoelektrycznie.

Zobacz też

• Termoakustyka
• Chłodzenie termotunelowe

Bibliografia