Введение
Электрический перенос тепла
Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье для создания теплового потока в месте контакта двух различных типов материалов. Термоэлектрический охладитель, нагреватель или тепловой насос Пельтье – это твердотельный активный тепловой насос, который переносит тепло с одной стороны устройства на другую, потребляя электрическую энергию в зависимости от направления тока. Такой прибор также называют устройством Пельтье, тепловым насосом Пельтье, холодильником твердого состояния или термоэлектрическим охладителем (ТЭК) и иногда термоэлектрической батареей. Он может использоваться как для нагрева, так и для охлаждения, хотя на практике основное применение – охлаждение. Он также может использоваться в качестве регулятора температуры, который осуществляет как нагрев, так и охлаждение. Эта технология значительно реже применяется для холодильных установок, чем холодильные установки с компрессией пара. Основными преимуществами охладителя Пельтье по сравнению с холодильником с компрессией пара являются отсутствие движущихся частей или циркулирующей жидкости, очень длительный срок службы, устойчивость к утечкам, малый размер и гибкая форма. Его основными недостатками являются высокая стоимость при заданной холодопроизводительности и низкая энергоэффективность (низкий коэффициент преобразования или COP). Многие исследователи и компании стремятся разработать недорогие и эффективные охладители Пельтье. (См. Термоэлектрические материалы.) Охладитель Пельтье также может использоваться в качестве термоэлектрического генератора. При работе в режиме охлаждения к устройству прикладывается напряжение, в результате чего между двумя сторонами возникает разница температур. При работе в режиме генерации одна сторона устройства нагревается до температуры выше, чем другая сторона, и в результате между двумя сторонами возникает разница напряжений (эффект Зеебека). Однако хорошо спроектированный охладитель Пельтье будет посредственным термоэлектрическим генератором и наоборот, из-за различных требований к конструкции и компоновке.
Определение и характеристики
Большинство термоэлектрических охладителей имеют идентификационный номер, нанесенный на охлаждаемую сторону. Очень распространённые модели Tec1 12706, квадратные размером 40 мм и высотой 3–4 мм, можно приобрести за несколько долларов, и они позиционируются как способные рассеивать около 60 Вт или создавать разницу температур в 60 °C при токе 6 А. Их электрическое сопротивление обычно составляет 1–2 Ома.
Сильные и слабые стороны
Есть множество факторов, стимулирующих дальнейшие исследования в области TEC, включая снижение выбросов углерода и простоту изготовления. Однако возникло несколько проблем.
Преимущества
Значительным преимуществом систем TEC является отсутствие движущихся частей. Это отсутствие механического износа и снижение частоты отказов, вызванных усталостью и разрушением от механических вибраций и напряжений, увеличивает срок службы системы и снижает требования к техническому обслуживанию. Современные технологии показывают, что среднее время наработки на отказ (MTBF) превышает 100 000 часов при комнатной температуре. Тот факт, что системы TEC управляются током, обеспечивает еще один ряд преимуществ. Поскольку тепловой поток прямо пропорционален приложенному постоянному току, тепло можно добавлять или удалять с точным контролем направления и величины электрического тока. В отличие от методов, использующих резистивный нагрев или охлаждение с использованием газов, TEC обеспечивает одинаковую степень контроля над тепловым потоком (как в систему, так и из нее). Благодаря этому точному двунаправленному контролю теплового потока, температура контролируемых систем может регулироваться с точностью до долей градуса, часто достигая милликельвинов (mK) в лабораторных условиях. Устройства TEC также более гибки по форме, чем их традиционные аналоги. Они могут использоваться в условиях ограниченного пространства или более экстремальных условиях, чем обычные холодильники. Возможность адаптировать их геометрию позволяет осуществлять точное охлаждение очень небольших участков. Эти факторы делают их распространенным выбором в научных и инженерных приложениях с высокими требованиями, где стоимость и абсолютная энергоэффективность не являются первостепенными задачами. Еще одним преимуществом TEC является то, что в его работе не используются хладагенты. До их вывода из обращения некоторые ранние хладагенты, такие как хлорфторуглероды (ХФУ), в значительной степени способствовали истощению озонового слоя. Многие хладагенты, используемые сегодня, также оказывают значительное воздействие на окружающую среду, обладая потенциалом глобального потепления или представляя другие риски для безопасности.
Применение
Термоэлектрические охладители применяются в устройствах, требующих отвода тепла в диапазоне от милливатт до нескольких тысяч ватт. Они могут быть изготовлены как для небольших устройств, например, охладителя напитков, так и для крупных, таких как подводные лодки или железнодорожные вагоны. Элементы TEC имеют ограниченный срок службы. Их работоспособность можно оценить по изменению их импеданса переменного тока (ACR). По мере износа охлаждающего элемента ACR увеличивается.
Потребительские товары
Элементы Пельтье широко используются в потребительских товарах. Например, они применяются в туристическом снаряжении, портативных холодильниках, для охлаждения электронных компонентов, в системах сна с матрасным подогревом/охлаждением и небольших приборах. Их также можно использовать для извлечения воды из воздуха в осушителях. Автомобильный/туристический (12 В) электрический холодильник обычно способен понизить температуру на 20 °C (36 °F) ниже температуры окружающей среды, которая составляет 25 °C, если автомобиль нагревается до 45 °C на солнце. Куртки с климат-контролем начинают использовать элементы Пельтье. Термоэлектрические охладители могут использоваться для охлаждения компьютерных компонентов, чтобы поддерживать температуру в пределах допустимых значений или обеспечивать стабильную работу при разгоне. Охладитель Пельтье с радиатором или водоблоком может охладить чип до температуры значительно ниже комнатной. Некоторые процессоры Intel Core 10-го поколения и более поздних версий поддерживают технологию Intel Cryo, которая сочетает в себе термоэлектрическое охлаждение и жидкостный теплообменник для достижения гораздо более высокой эффективности охлаждения, чем при стандартном жидкостном охлаждении. Местные условия окружающей среды контролируются электроникой для предотвращения коротких замыканий из-за конденсата.
Промышленный
Термоэлектрические охладители применяются в различных областях промышленного производства и требуют всестороннего анализа их характеристик, поскольку им предстоит выдержать тысячи циклов работы до выпуска промышленных изделий на рынок. К областям применения относятся лазерное оборудование, термоэлектрические кондиционеры и охладители, промышленная электроника и телекоммуникации, автомобильная промышленность, мини-холодильники и инкубаторы, военные шкафы, корпуса для ИТ-оборудования и многое другое. В волоконно-оптических системах, где длина волны лазера или компонента сильно зависит от температуры, охладители Пельтье используются совместно с термистором в контуре обратной связи для поддержания стабильной температуры и, следовательно, стабилизации длины волны устройства. Некоторые электронные устройства, предназначенные для использования в полевых условиях в военной сфере, охлаждаются термоэлектрическим способом.
Наука и визуализация
Элементы Пельтье используются в научных приборах. Они являются общим компонентом в термоциклах, используемых для синтеза ДНК методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) – распространенной молекулярно-биологической технике, требующей быстрого нагрева и охлаждения реакционной смеси для денатурации, отжига праймеров и циклов ферментативного синтеза. С использованием обратной связи элементы Пельтье могут применяться для создания высокостабильных контроллеров температуры, поддерживающих заданную температуру в пределах ±0,01 °C. Такая стабильность может быть использована в прецизионных лазерных приложениях для предотвращения дрейфа длины волны лазера при изменении температуры окружающей среды. Этот эффект применяется в спутниках и космических аппаратах для снижения разницы температур, вызванной прямым солнечным светом на одной стороне аппарата, путем рассеивания тепла на холодную затененную сторону, где оно рассеивается в виде теплового излучения в космос. С 1961 года некоторые беспилотные космические аппараты (включая марсоход Curiosity) используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), преобразующие тепловую энергию в электрическую, используя эффект Зеебека. Эти устройства могут функционировать десятилетиями, поскольку питаются от распада высокоэнергетических радиоактивных материалов. Элементы Пельтье также используются для создания камер Вильсона для визуализации ионизирующего излучения. Пропуская электрический ток, они способны охлаждать пары ниже −26 °C без применения сухого льда или движущихся частей, что делает камеры Вильсона простыми в изготовлении и использовании. Фотодетекторы, такие как ПЗС-матрицы в астрономических телескопах, спектрометрах или высококлассных цифровых камерах, часто охлаждаются элементами Пельтье, которые могут быть организованы в многоступенчатую каскадную систему охлаждения. Это снижает количество темных сигналов, вызванных тепловым шумом. Темный сигнал возникает, когда пиксель регистрирует электрон, вызванный тепловыми флуктуациями, а не фотоном. На цифровых фотографиях, сделанных при слабом освещении, это проявляется в виде точек (или "пиксельного шума"). Они применяются в энергодисперсионных спектрометрах для охлаждения сенсорных кристаллов, устраняя необходимость в больших деварах с жидким азотом.