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.