6.4. Термоэлектрические охлаждающие устройства

Термоэлектрическое охлаждение, когда требуется получить температуры не ниже -100ºС относительно температуры окружающей среды, обладают рядом преимуществ перед всеми другими методами охлаждения. В частности, термоэлектрические холодильники имеют небольшую массу, габариты, относительно небольшое потребление энергии, позволяют плавно регулировать температуру, обладают высокой эксплуатационной надежностью.

Принцип действия термоэлектрического холодильного устройства основан на использовании эффекта Пельтье, сущность которого заключается в том, что при протекании тока в цепи, состоящей из двух последовательно включенных проводников из различных материалов на их границе, в зависимости от направления электрического тока выделяется или поглощается тепло.

В основе любого термоэлектрического холодильного устройства лежит элементарный элемент, представляющий собой соединенные последовательно металлической перемычкой полупроводниковые ветви, одна из которых обладает электронной (), а другая дырочной () проводимостью (рис. 6.4.1).

При прохождении через термоэлемент постоянного тока I в направлении, указанном на рис. 6.4.1, между коммутирующими платами 1 и 2 возникает разность температур, обусловленная выделением в спае 1 и поглощением в спае 2 теплоты Пельтье, равной

, (6.4.1)

где - коэффициент Пельтье термоэлемента.

Рис. 6.4.1. Элементарный термоэлемент

Коэффициент Пельтье прямо пропорционален термо-эдс ветвей термоэлемента

, (6.4.2)

где - коэффициент термо-эдс ветвей.

При изменении направления тока места выделения и поглощения тепла взаимно меняются.

Если за счет теплоотвода температуру спая 1 поддерживать на постоянном уровне, то между спаями устанавливается разность температур

. (6.4.3)

При заданном токе величина перепада температуры зависит от тепловой нагрузки на спае 2. Эта тепловая нагрузка на холодный спай складывается из теплоты, подводимой от охлаждающего устройства и теплоты, подводимой к спаю из окружающей среды,

.

Кроме того, к холодному спаю по ветвям термоэлемента, вследствие их теплопроводности, передается тепло от горячего спая, равное , где- тепловая проводимость ветвей термоэлемента, то есть количество тепла передаваемого в единицу времени от горячего спая к холодному при разности температур между ними в один градус.

На холодном спае при протекании тока по ветвям термоэлемента выделяется, приблизительно, половина теплоты Джоуля (вторая половина выделяется на горячем спае)

.

Уравнение теплового баланса для холодного спая может быть записано в виде

. (6.4.4)

Решая равенство (6.4.4) относительно перепада температур между спаями термоэлемента, получают

. (6.4.5)

Анализ зависимости (6.4.5) показывает, что при прочих равных условиях максимальный перепад температур может быть получен при нулевой тепловой нагрузке на холодном спае. В этом случае перепад температуры будет определяться только эффектом Джоуля и эффектом Пельтье

. (6.4.6)

На рис. 6.4.2 представлена зависимость перепада температуры от величины питающего термоэлемент тока.

Эта зависимость имеет минимум, соответствующий оптимальному току , при котором достигается максимальное понижение температуры на холодном спае термоэлемента. Благодаря пологому минимуму кривой, максимальное охлаждение, создаваемое термоэлементом, не очень резко зависит от изменения питающего тока.

Рис. 6.4.2. Зависимость

В реальных конструкциях изменение силы тока на % от оптимального значения практически не сказывается на степени охлаждения. Однако значительное превышение тока над оптимальным его значением приводит к уменьшению эффекта охлаждения за счет возрастания теплоты Джоуля, а при некотором значении тока эта теплота будет превалировать над теплотой Пельтье. В этом случае охлаждение спая перейдет в нагрев.

Оптимальное значение тока находится из уравнения (6.4.6). Дифференцируя и приравнивая производную нулю, получают

. (6.4.7)

Максимальное количество тепла, поглощенное на холодном спае термоэлемента (холодопроизводительность), будет равна

. (6.4.8)

Подставляя (6.4.7) в (6.4.6), получают максимальный перепад температур между спаями

. (6.4.9)

Величину , равную

, (6.4.10)

называют параметром эффективности термоэлемента.

Подставляя в выражение (6.4.9) коэффициент Пельтье, равный , и, преобразуя с учетом выражения (6.4.10), получают

. (6.4.11)

Из полученного выражения следует, что с повышением параметра эффективности максимальная разность температуры спаев растет. Параметр же эффективности определяется материалом ветвей термоэлемента.

Весьма важным параметром, характеризующим эффективность работы термоохлаждающего устройства, является холодильный коэффициент , который представляет отношение количества тепла, отводимого в единицу времени термоэлементом (термобатареей) и затраченной на это электрической энергии

.

Холодильный коэффициент зависит от перепада температуры , который создается термоэлектрической батареей, и от величины, характеризующей свойства используемых полупроводниковых материалов.

При небольшом перепаде температуры холодильный коэффициент имеет большую величину, а при значительном перепаде стремится к нулю.

Для получения низких температур необходимо понижать температуру горячих спаев. Одним из возможных способов решения этой задачи является применение многокаскадных батарей. В многокаскадных батареях горячие спаи термоэлементов одного каскада опираются на холодные спаи другого каскада. Горячие спаи второго каскада опираются на холодильные спаи третьего каскада. Между термоэлементами прокладываются тонкие изоляционные прокладки из материала, имеющего хорошую тепловую проводимость. При таком способе соединения холодные спай термоэлемента нижнего каскада снимает тепло с горячего спая среднего, а холодный спай среднего охлаждает горячий спай верхнего.

Холодильный коэффициент такой многокаскадной термобатареи можно определить по формуле

.

Максимальное значение холодильного коэффициента будет при равенстве холодильных коэффициентов отдельных каскадов

.

Применение термобатареи с количеством каскадов более 3 нецелесообразно, так как холодопроизводительность уже 3-го каскада на порядок меньше первого, а перепад же температуры по каскадам батареи уменьшается с увеличением числа каскадов по квадратичному закону.

Однокаскадные батареи обеспечивают перепад температуры 30…50°С, а трехкаскадные - от 80 до 100°С, но с худшими электрическими показателями.