ผลเทอร์โมอิเล็กทริกและความเย็น, ผล Peltier

ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของการใช้ตู้เย็นเทอร์โมอิเล็กทริกเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องทำความเย็นประเภทอื่น ๆ จะเพิ่มมากขึ้นยิ่งปริมาณปริมาตรเย็นลงน้อยลง ดังนั้นเหตุผลที่สำคัญที่สุดในขณะนี้คือการใช้การทำความเย็นด้วยความร้อนสำหรับตู้เย็นที่ใช้ในครัวเรือนในเครื่องทำความเย็นเหลวอาหารเครื่องปรับอากาศนอกจากนี้การทำความเย็นด้วยความร้อนยังถูกนำมาใช้ในด้านเคมีชีววิทยาและการแพทย์มาตรวิทยาเช่นเดียวกับในเชิงพาณิชย์ การขนส่งเครื่องทำความเย็น (ตู้เย็น) และพื้นที่อื่น ๆ

เทอร์โมอิเล็กทริก

ผลของการเกิดขึ้นเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางในงานศิลปะ thermopower ในตัวนำบัดกรี, หน้าสัมผัส (ทางแยก) ระหว่างที่ถูกเก็บรักษาที่อุณหภูมิต่าง ๆ (ผล Seebeck) ในกรณีที่กระแสคงที่ถูกส่งผ่านวงจรของวัสดุที่แตกต่างกันสองตัวหนึ่งในจุดแยกเริ่มร้อนขึ้นและอีกอันหนึ่งก็เริ่มเย็นลง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ผลเทอร์โม หรือ ผล Peltier.

มะเดื่อ 1. แผนภาพ Thermocouple

ในรูป 1 แสดงไดอะแกรมของเทอร์โมคัปเปิล เซมิคอนดักเตอร์สองตัว n และ m ก่อวงจรตามกระแสตรงไหลผ่านจากแหล่งพลังงาน C ในขณะที่อุณหภูมิของรอยต่อเย็น X ลดลงและอุณหภูมิของรอยต่อร้อน G กลายเป็นสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมเช่นเทอร์โมคัปเปิลเริ่มทำงานของเครื่องทำความเย็น

อุณหภูมิทางแยกลดลงเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จาก thermocouple (m) สาขาหนึ่งไปยังอีกสาขาหนึ่ง (n) ผ่านเข้าสู่สถานะใหม่ด้วยพลังงานที่สูงขึ้น พลังงานของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นเนื่องจากพลังงานจลน์นำมาจากอะตอมของเทอร์โมอิเลเมนต์สาขาในสถานที่ของการรวมกันของพวกเขาอันเป็นผลมาจากการที่ชุมทางนี้เย็นลง (X)

เมื่อเปลี่ยนจากระดับพลังงานที่สูงขึ้น (สาขา n) เป็นระดับพลังงานต่ำ (สาขา t) อิเล็กตรอนจะให้พลังงานส่วนหนึ่งกับอะตอมของรอยต่อของเทอร์โมคัปเปิลซึ่งเริ่มร้อนขึ้น

ในประเทศของเราในช่วงปลายทศวรรษที่ 1940 และต้นปี 1950 นักวิชาการ A.F. Ioffe และนักเรียนของเขาทำการวิจัยที่สำคัญมากที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาทฤษฎีการทำความเย็นด้วยความร้อน จากการศึกษาเหล่านี้ชุดอุปกรณ์ทำความเย็นได้รับการออกแบบและทดสอบครั้งแรก

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเครื่องทำเทอร์โมอิเล็กทริก อย่างมีนัยสำคัญต่ำกว่าประสิทธิภาพของชิลเลอร์ประเภทอื่น ๆ แต่ความเรียบง่ายความน่าเชื่อถือและการไม่มีเสียงรบกวนทำให้การใช้งานของเทอร์โมอิเล็กทริกเย็นเป็นอย่างมาก

ประสิทธิภาพการระบายความร้อนด้วยเทอร์โม

การเลือกวัสดุสำหรับรายการ

ประสิทธิภาพของเทอร์โมคัปเปิลเช่นเดียวกับการลดลงสูงสุดของอุณหภูมิที่รอยต่อขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพ (ปัจจัยด้านคุณภาพ) ของสารกึ่งตัวนำซีซึ่งรวมถึงการนำไฟฟ้าσสัมประสิทธิ์เทอร์โมอิเล็กทริกและการนำความร้อน thermal ค่าเหล่านี้สัมพันธ์กันเนื่องจากขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระหรือรู การพึ่งพาดังกล่าวถูกนำเสนอในรูปที่ 2

จะเห็นได้จากรูปที่ค่าการนำไฟฟ้า proport นั้นแปรผันตามจำนวนของพาหะ n, เทอร์โมเอมมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์เมื่อเพิ่ม n และเพิ่มขึ้นเมื่อลดลง n การนำความร้อน k ประกอบด้วยสองส่วน: การนำความร้อนของผลึกขัดแตะκpซึ่งเป็นจริงโดยไม่ขึ้นกับ n และการนำความร้อนอิเล็กทรอนิกส์ proporte สัดส่วนกับ n

ประสิทธิภาพของโลหะและโลหะผสมอยู่ในระดับต่ำเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของเทอร์โมเอมต่ำและในไดอิเล็กทริกเนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าต่ำมากเมื่อเทียบกับโลหะและไดอิเล็กตริกประสิทธิภาพของเซมิคอนดักเตอร์จะสูงกว่ามากซึ่งอธิบายการใช้งานที่แพร่หลายในเทอร์โมคัปเปิล ประสิทธิภาพของวัสดุก็ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

เทอร์โมคับเปิลประกอบด้วยสองสาขาคือค่าลบ (ชนิด N) และค่าบวก (ชนิด P). เนื่องจากวัสดุที่มีการซึมผ่านของอิเล็กตรอนนั้นมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าลบและวัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าของรูมีสัญญาณเป็นบวกจึงสามารถรับอุณหภูมิได้สูงขึ้น

มะเดื่อ 2. การพึ่งพาเชิงคุณภาพของเทอร์โมพาวเวอร์การนำไฟฟ้าและการนำความร้อนต่อความเข้มข้นของพาหะ

ด้วยการเพิ่มขึ้นของ thermopower, z เพิ่มขึ้น

สำหรับเทอร์โมอิเลเมนต์ปัจจุบันมีการใช้วัสดุเทอร์โมอิเล็กตริกอุณหภูมิต่ำวัสดุเริ่มต้น ได้แก่ บิสมัทพลวงซีลีเนียมและเทลลูเรียม ประสิทธิภาพสูงสุด z สำหรับวัสดุเหล่านี้ที่อุณหภูมิห้องคือ: 2.6 · 10-3 °С-1 สำหรับชนิด n, 2.6 · 10-1 °С-1 สำหรับชนิด p

ปัจจุบัน Bi2Te3 ไม่ค่อยได้ใช้เนื่องจาก Bi2Te3-Be2Se3 และ Bi2Te3-Sb2Te3 โซลูชั่นที่เป็นของแข็งที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของมันมีค่า z ที่สูงขึ้น วัสดุเหล่านี้ได้รับและศึกษาเป็นครั้งแรกในประเทศของเราและบนพื้นฐานของการผลิตโลหะผสม TVEH-1 และ TVEH-2 สำหรับสาขาที่มีการนำไฟฟ้าและ TVDH-1 และ TVDH-2 สำหรับสาขาที่มีรูนำไฟฟ้าเป็นผู้เชี่ยวชาญ [1]

สารละลายของแข็ง Bi-Se ถูกใช้ในช่วงอุณหภูมิต่ำกว่า 250 เคค่าสูงสุดของ z = 6 · 10-3 ° C-1 ถึงT≈80÷ 90 K เป็นที่น่าสนใจที่จะทราบว่าประสิทธิภาพของโลหะผสมนี้เพิ่มขึ้นอย่างมากในสนามแม่เหล็ก

ปัจจุบันสาขาเซมิคอนดักเตอร์ผลิตโดยวิธีการสามวิธี: ผงโลหะการหล่อด้วยการตกผลึกโดยตรงและการวาดจากการหลอม วิธีการของผงโลหะที่มีการกดเย็นหรือร้อนตัวอย่างเป็นวิธีที่พบมากที่สุด

ในอุปกรณ์ระบายความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริกจะใช้เทอร์โมอิเลเมนต์ซึ่งเป็นสาขาเชิงลบโดยการกดร้อนและสาขาบวกโดยการกดเย็น

มะเดื่อ 3. แผนภาพ Thermocouple

ความแข็งแรงเชิงกลของเทอร์โมคับเปิลนั้นน้อยมาก ดังนั้นในตัวอย่างของโลหะผสม Bi2Te3-Sb2Te3 ที่ผลิตโดยการกดร้อนหรือเย็นกำลังรับแรงอัด 44.6–49.8 MPa

เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของเทอร์โมคัปเปิลแผ่นตะกั่วแบบหน่วงการกระแทก 3 จะวางอยู่ระหว่างแผ่นสวิตช์ 1 (รูปที่ 3) และสาขาเซมิคอนดักเตอร์ 6 นอกจากนี้ยังใช้บัดกรีบัดกรีแบบละลาย 2, 4 และ SiSb 5 ด้วยการทดสอบแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกมีความต้านทานการสั่นสะเทือนสูงถึง 20 กรัม, คูลเลอร์เทอร์โมอิเล็กทริกที่มีความเย็นต่ำถึง 250 กรัม

การเปรียบเทียบอุปกรณ์ทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกกับวิธีการระบายความร้อนอื่น ๆ

อุปกรณ์ระบายความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริกมีข้อดีหลายประการมากกว่าชิลเลอร์ประเภทอื่น ปัจจุบันเรือใช้เครื่องปรับอากาศหรือเครื่องทำความเย็นด้วยไอน้ำในระบบปรับอากาศ ในฤดูหนาวสถานที่ของเรือจะถูกทำให้ร้อนด้วยไฟฟ้าไอน้ำหรือเครื่องทำน้ำอุ่นเช่นใช้แหล่งความร้อนและความเย็นแยกต่างหาก

การใช้อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกในช่วงฤดูร้อนสามารถทำให้อาคารเย็นลงและในช่วงเย็น - ถึงร้อน โหมดความร้อนจะเปลี่ยนเป็นโหมดการทำความเย็นโดยการย้อนกลับของกระแสไฟฟ้า

นอกจากนี้ข้อดีของอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริก ได้แก่ : ไม่มีเสียงรบกวนอย่างสมบูรณ์ระหว่างการทำงานความน่าเชื่อถือการไม่มีสารทำงานและน้ำมันน้ำหนักที่เล็กลงและขนาดโดยรวมที่ความสามารถในการระบายความร้อนเดียวกัน

ข้อมูลเปรียบเทียบเครื่อง chladone สำหรับการจัดเตรียมห้องบนเรือแสดงให้เห็นว่าด้วยความสามารถในการระบายความร้อนที่เท่ากันมวลของเครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกจะลดลง 1.7-1.8 เท่า

เทอร์โมอิเล็กทริกชิลเลอร์สำหรับระบบปรับอากาศมีปริมาตรประมาณสี่และมวลน้อยกว่าชิลเลอร์ชิลโทนสามเท่า

มะเดื่อ 4. วงจร Lorentz

ข้อเสียของอุปกรณ์ระบายความร้อน ได้แก่ ผลกำไรต่ำและต้นทุนเพิ่มขึ้น

ต้นทุน - ประสิทธิผลของตู้เย็นเทอร์โมอิเล็กทริกเทียบกับไอน้ำจะลดลงประมาณ 20-50% [1] ค่าใช้จ่ายสูงของอุปกรณ์ทำความเย็นด้วยความร้อนนั้นเกี่ยวข้องกับราคาที่สูงสำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

อย่างไรก็ตามมีพื้นที่ที่ตอนนี้พวกเขาสามารถแข่งขันกับชิลเลอร์ประเภทอื่นได้ ตัวอย่างเช่นพวกเขาเริ่มใช้อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับทำความเย็นก๊าซและของเหลว ตัวอย่างของอุปกรณ์ในคลาสนี้ ได้แก่ เครื่องทำน้ำเย็นเครื่องปรับอากาศน้ำยาทำความเย็นในการผลิตสารเคมี ฯลฯ

สำหรับชิลเลอร์ดังกล่าวรอบตัวแบบจะเป็นวงจรลอเรนซ์รูปสามเหลี่ยม (ดูรูปที่ 4) การเข้าถึงวงจรแบบจำลองทำได้โดยง่ายเนื่องจากต้องมีการดัดแปลงวงจรสวิตชิ่งซึ่งไม่ทำให้เกิดปัญหาโครงสร้าง สิ่งนี้ช่วยให้คุณสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกได้อย่างมีนัยสำคัญในบางกรณี เพื่อนำหลักการนี้ไปใช้ในเครื่องทำความเย็นด้วยไอน้ำจะต้องใช้รูปแบบการบีบอัดหลายขั้นตอนที่ซับซ้อน

การใช้อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กตริกเป็น “ ปรับปรุงการถ่ายเทความร้อน”. ในกรณีที่จำเป็นต้องระบายความร้อนออกจากพื้นที่เล็ก ๆ สู่สิ่งแวดล้อมและพื้นผิวของการสัมผัสความร้อนมี จำกัด แบตเตอรี่เทอร์โมอิเล็กตริกที่ตั้งอยู่บนพื้นผิวสามารถเพิ่มความร้อนในกระบวนการถ่ายเทความร้อนได้อย่างมาก

จากการศึกษา [2] แสดงการใช้พลังงานที่ค่อนข้างเล็กสามารถเพิ่มฟลักซ์ความร้อนเฉพาะได้อย่างมีนัยสำคัญ การถ่ายเทความร้อนสามารถทวีความรุนแรงมากขึ้นได้โดยไม่ต้องใช้พลังงาน ในกรณีนี้ให้ปิด thermopile

การปรากฏตัวของความแตกต่างของอุณหภูมิจะส่งผลให้ เครื่องวัดอุณหภูมิเซเบคซึ่งจะให้พลังงานแก่แบตเตอรี่เทอร์โมอิเล็กทริก การใช้อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกสามารถแยกสื่อการแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างหนึ่งได้ใช้เป็นฉนวนกันความร้อนที่สมบูรณ์แบบ

สถานการณ์ที่สำคัญซึ่งกำหนดพื้นที่ที่เครื่องทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถแข่งขันกับเครื่องทำความเย็นชนิดอื่นแม้ในประสิทธิภาพการใช้พลังงานคือการลดลงของความสามารถในการทำความเย็นของเช่นเครื่องทำความเย็นแบบไอน้ำ

สำหรับเครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกกฎนี้จะไม่ได้รับการเคารพและประสิทธิภาพของมันไม่ขึ้นกับความสามารถในการทำความเย็น สำหรับอุณหภูมิ Tx = 0 ° C และ Tk = 26 ° C และประสิทธิภาพหลายสิบวัตต์ประสิทธิภาพพลังงานของเครื่องเทอร์โมอิเล็กทริกใกล้เคียงกับประสิทธิภาพของเครื่องทำความเย็นด้วยไอน้ำ

การยอมรับอย่างกว้างขวาง ระบายความร้อนเทอร์โม จะขึ้นอยู่กับความคืบหน้าในการสร้างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงเช่นเดียวกับการผลิตแบบต่อเนื่องของแบตเตอรี่ความร้อนที่มีประสิทธิภาพเชิงเศรษฐกิจ

อ้างอิง

1. Tsvetkov Yu. N. , Aksenov S. S. , Shulman V. M. อุปกรณ์ระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก - L.: การต่อเรือ, 1972. - 191 p.

2. Martynovsky V. S. รอบวงจรและลักษณะของเครื่องเปลี่ยนความร้อน - M .: Energia, 1979. - 285 p

อ่านเพิ่มเติมในหัวข้อนี้:Peltier effect: เวทย์มนตร์ของกระแสไฟฟ้า