Стартовая >> Книги >> Учеба >> Очерки развития термоэлектричества

Современное состояние термоэлектрического охлаждения - Очерки развития термоэлектричества

Оглавление
Очерки развития термоэлектричества
Открытие основных термоэлектрических эффектов
Основные направления термоэлектричества
Связь термоэлектричества с другими научно-техническими направлениями
Феноменологическая теория
Гальванотермомагнитные эффекты
Современное состояние теории термоэлектрических явлений
Микроскопическая теория термоэлектрических явлений
История развития термоэлектрического материаловедения
Современное состояние термоэлектрического материаловедения
История термоэлектрической энергетики
Современное состояние термоэлектрической энергетики
Солнечные термогенераторы
Радиоизотопные термогенераторы
Термогенераторы с другими источниками тепла
История развития термоэлектрического охлаждения
Современное состояние термоэлектрического охлаждения
История развития термоэлектрической термометрии
Области применения термопар
Технические возможности термопар
Влияние внешних магнитных полей
Термоэлектрическая нестабильность термопар
Низкотемпературные термопары
Среднетемпературные измерения
Инерционность термопар, микротермопары
Тонкопленочные термопары
История развития термоэлектрических приемников излучения
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития электроизмерительных преобразователей
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития термоэлектрической микрокалориметрии
Современное состояние микрокалориметрии
Термоэлектрическая теплометрия
Термоэлектромеханические преобразователи
Другие термоэлектрические приборы
Список сокращенных названий институтов, литературы

Интенсивные исследования и первые обнадеживающие результаты по реализации термоэлектрического охлаждения позволил» строить смелые прогнозы о будущем термоэлектрического метода.
Это был период возрождения - термоэлектричества, когда предполагалось, что в ближайшие десятилетия коэффициент добротности термоэлектрических материалов достигнет (10—20)·10-3 К-1 и термоэлектрическое охлаждение не только станет конкурентноспособным по отношению ко всем другим способам охлаждения, но и вытеснит их из практики. Однако наиболее высокие значения термоэлектрической добротности, полученные к началу 60-х годов (Z = 3,5 · 10-3 К-1), и на современном уровне техники являются; лучшими результатами для веществ, применяемых в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Единственное исключение составляет висмут — сурьма, термоэлектрическая добротность которого при низких температурах (80 К) 6,5х10-3 К-1 [3, 71, 75, 105].
Несмотря на незначительные успехи в улучшении качества термоэлектрического материала и низкую эффективность по сравнению с традиционными методами, современное термоэлектрическое охлаждение превратилось в одно из важных и перспективных направлений холодильной техники. Решающую роль в этом сыграли особенности термоэлектрического охлаждения, а именно: возможность создания миниатюрных охлаждающих устройств, практически неограниченный ресурс работы; отсутствие в охлаждающих устройствах рабочих жидкостей и газов; отсутствие движущихся, изнашивающихся частей и деталей; бесшумность работы; независимость работы от ориентации в пространстве и поле тяжести; возможность работы при воздействии статических и динамических перегрузок; легкость перехода из режима охлаждения в режим подогрева; возможность плавного и точного регулирования холодопроизводительности и температурного режима; малая инерционность и конструктивная пластичность.
Создание высокоэффективных термоэлектрических охлаждающих устройств в большой мере зависит от степени приближения расчетных условий к реальным условиям эксплуатации. Разработке методов расчета термоохладителей с учетом оптимальных режимов их работы посвящена значительная часть исследований, проведенных в области термоэлектрического охлаждения как советскими, так; и зарубежными физиками. Из этих работ следует отметить цикл работ А. Л. Вайнера, Э. М. Лукишкера, В. Ю. Водолагина по оптимальному рассредоточению термоэлектрической батареи, оптимальной последовательности температур энергетически эффективной каскадной термобатареи, минимизации габаритных размеров и массы термоэлектрических охладителей [26, 28, 58, 59]. Обширные исследования по методике расчета термоэлектрических охлаждающих устройств выполнены А. А. Ефремовым, В. Ф. Лебедевым, В. С. Орловым, Г. Л. Серебряным, П. А. Крыловым и др. [85]. Разработаны методы расчета термохолодильников по термодинамическим параметрам и моделирования электрических и температурных полей в элементах термоэлектрических устройств.
Возможность повышения эффективности термоэлектрических холодильников за счет использования составных термопар продемонстрирована в работах В. А. Семенюка и О. Л. Нечипорука [78]. Детальная теория составного термоэлемента разработана А. Л. Вайнером, Н. В. Коломойцем, Э. М. Лукишкером и В. М. Ржевским [25].
Ряд оптимизационных задач в приложении к термоэлектрическому охлаждению решили специалисты Черновицкого университета. В частности, исследовался вопрос о предельных возможностях многокаскадного термоэлектрического охлаждения и было доказано, что оптимизация систем глубокого охлаждения по числу каскадов позволяет существенно повысить их экономичность. Рассматривалась задача о конструировании охладителей с ограниченным теплоотводом, что является особенно важным при создании микроминиатюрных термоэлектрических устройств. Разрабатывались аспекты оптимального управления динамическими процессами термоэлектрического охлаждения и подогрева [5, 8, 9].
Вопросу комплексной оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств с учетом разноречивых требований проектирования посвящена работа Н. С. Лидоренко, Н. В. Коломойца, Э. М. Лукишкера и А. Л. Вайнера [57].
Расчет режимов работы термоэлектрических охлаждающих устройств с кольцевыми термоэлементами, термоэлектрических нагревателей и охладителей потоков жидкости и газа, исследование работы влажностной термобатареи выполнены в Ленинградском технологическом институте холодильной промышленности [88, 89, 44].
Анализ работы холодильных термоэлементов с развитой поверхностью теплообмена, так называемых проницаемых термоэлементов, провели сотрудники Института технической теплофизики АН УССР В.        Н. Козлюк, Г. М. Щеголев, Г. К. Котырло и др. [51]. Различные аспекты теории расчета термоэлектрических охладителей рассмотрели в своих работах В. А. Наер, Г. К. Лавренченко, И. Я. Хирич и др. [69].
Из работ зарубежных авторов следует отметить методики оптимизации многокаскадного термоэлектрического охладителя, разработанные В. Вейсманом и И. Габриэлли [115, 145], анализ Л. Ладеном и К. Рао работы термоэлектрических устройств с учетом температурной зависимости параметров, расчет оптимизированных тепловых нагрузок термоэлектрических холодильников для минимизации потребляемой мощности Р. Марлоу и П. Кликом, исследование оптимальных условий для обеспечения максимальной скорости охлаждения термобатареей, проведенное Т. Хендриксом и Р. Буистом. Проектирование эффективных термоэлектроохладителей с радиальным потоком тока, что реализуется, например, в термобатареях, ветви которых представляют собой коаксиальные диски, осуществлено австралийскими физиками К. Ландекером и Т. Лундом [120, 126, 130, 132, 136].
Особое внимание уделяется вопросу нестационарных режимов работы термоэлектрических устройств. В этом направлении эффективно работали советские физики В. П. Бабин, Е. К. Иорданишвили, Ш. Малкович, Л. В. Венгеровский, М. А. Каганов, А. С. Ривгаш, Ю. И. Агеев, Б. М. Гольцман, В. А. Наер и др. [3]. Они рассмотрели вопросы снижения инерционности охлаждающих термоэлементов при использовании ветвей переменного сечения, влияния формы импульсов тока на работу термохолодильников в нестационарном режиме, оптимального управления нестационарным процессом термоэлектрического охлаждения и т. д. Из работ, выполненных в этом направлении на рубежом, интересны исследования К. Этори, Р. Филда, Г. Блума, Р. Байвотерса, Г. Хойеса, К. Рао и Д. Джегера [109, 111, 121].
Благодаря своим привлекательным свойствам термоэлектрическое охлаждение имеет обширную область применения [3, 71, 94]. Оно широко используется в современной электронике, где главную роль играет его уникальное свойство — возможность изготовления миниатюрных и микроминиатюрных охлаждающих устройств. Для оптимальной работы электронных устройств следует создавать специальные условия. Обеспечить их можно тремя тепловыми режимами: охлаждением до оптимальных рабочих температур, термостатированием, а также интенсификацией отвода тепла, выделяемого полупроводниковыми элементами при их работе.
Среди многочисленных термоэлектрических охладителей для элементов электронных схем следует особо выделить термоэлектрические устройства, разработанные Л. И. Анатычуком, А. П. Мельником, Д. Д. Никирсой, П. Д. Микитюком, С. Н. Пархоменко. По сравнению с лучшими зарубежными образцами, представленными, в частности, фирмой «Марлоу» (США) [142], эти термоэлектрические холодильники характеризуются более высокими холодильными коэффициентами и рассчитаны на более низкие токи и потребляемые мощности для получения таких же перепадов температур (табл. 5.1).
В первых вариантах термоохладителей для электроники предусматривалось охлаждение всего корпуса с заключенным в него компонентом. Успехи советских специалистов в микроминиатюризации термоэлектрических модулей, высота термоэлементов которых составляет десятые доли миллиметра, обусловили разработку охлаждающих устройств, непосредственно встроенных в элементы без особых изменений их конструкции.
Таблица 5.1. Термоэлектрические охладители электронных схем
[4, 6, 7,65, 66, 142]


Страна, фирма или место разработки, тип

Число
каскадов

Температура охлаждения при Тг =300 к

Рабочий ток, А

Потребляемая мощность, Вт

Холодильный коэффициент

США, «Марлоу», ТЕ 500-Т

1

250

1

1

0,05

СССР, Черновицкий университет

1

247

0,2

0,14

0,07

США, «Марлоу», ТЕ 500-2

2

220

4,5

5

0,01

СССР, Черновицкий университет

2

212

0,3

1,5

0,013

США, «Марлоу», ТЕ 500-3

3

196

3,9

16

0,003

СССР, Черновицкий университет

3

178

0,12

0,2

0,005

США, «Марлоу», ТЕ 500-4

4

196

1,16

7

0,011

СССР, Черновицкий университет

4

190—
193

1

6

0,013

Следовательно, появилась возможность создания качественно нового класса приборов — самоохлаждаемых и термостабилизированных элементов электронной техники. Такой подход к решению задачи термостатирования в несколько раз уменьшает энергозатраты на достижение необходимого перепада температур или холодопроизводительности [2, 10, 71]. В этих же целях перспективно использование пленочных термоэлементов, на которых в настоящее время достигается перепад температур до 35 °С. В частности, тонкопленочные охладители на основе серебра или сплава золото — германий — литий используются американскими специалистами для охлаждения р—n-переходов светоизлучающих диодов и лазеров, выполненных из арсенида галлия [118, 122].
Современные термоэлектрические холодильники все чаще входят в конструкцию ПЗС-матриц для оптоэлектронных преобразователей, телевизионной аппаратуры, формирователей инфракрасного изображения, линеек инжекционных полупроводниковых лазеров для голо- графических запоминающих устройств. Разработаны термоэлектрические микроохладители для гамма-спектрометрических Si (Li)-детекторов, кремниевых поверхностно-барьерных детекторов частиц, рентгенорадиометрических датчиков [2, 16, 49]. Для регистрации заряженных частиц в космосе создана система термоэлектрического охлаждения полупроводниковых детекторов «Спектерм-1» и «Спектерм-2». Перепад температур, получаемый в микрохолодильниках этого типа, составляет 55 °С, что позволяет снизить энергетическое разрешение до 7 кэВ (при собственных шумах усилителя порядка 3—4 кэВ) и расширить диапазон рабочих напряжений до 300 В при потребляемой мощности 0,5 Вт [21, 79, 101, 116].
Кроме того, в нашей стране разработаны такие устройства, как термоэлектрический холодильник-термостат для пространственно-временного модулятора света, термостат для опорных источников, входящих в схему различных оптоэлектронных приборов, термоэлектрический термостат для прецизионного кварцевого резонатора и др. [13, 24, 91].
Интересным примером использования термоэлектрического охлаждения за рубежом является разработанный американскими специалистами В. Чоу, Д. Филдсом, П. Хью и Дж. Лопезом в 1981 г. термоохлаждающий элемент для магнитной головки. Советским физиком В. Н. Пакулиным создана полупроводниковая термоэлектрическая система для охлаждения источников ионов в ускорителях заряженных частиц и масс-спектрометрах. Она может работать в течение определенного времени без использования внешних источников питания, поскольку содержит термогенератор, тепло для которого поступает за счет теплопередачи от стенок рабочей камеры [72, 103].
В 70-е годы из наиболее перспективных областей применения термоэлектрического охлаждения, по мнению разработчиков фирмы «Каррет» (США), стала лазерная техника. Фирма «Каррет» выполнила крупный заказ на разработку и изготовление 392 термоэлектрических систем охлаждения, устанавливаемых на вертолетах ВВС США [711.
Использование термоэлектрических холодильников позволяет значительно повысить излучаемую мощность полупроводникового лазера, Одним из способов реализации такого термоэлектрического охлаждения является случай, когда лазерный диод и термоэлектрический элемент размещаются таким образом, чтобы ток через р—n-переход лазера одновременно питал элемент Пельтье. Подобное схемное решение дает возможность в импульсном режиме при токе 100 А удвоить мощность излучения полупроводникового лазера в инфракрасном диапазоне [71].
В СКВ Института физики АН АзССР в 1984 г. А. И. Грядуновым,
В.  А. Садыковым и Р. А. Петренко разработан термоэлектрический термостат для пленочного лазерного фототронного затвора [32].
В вычислительной технике термоэлектрические микроохладители используются для локального охлаждения не только отдельных электронных компонентов, но и матричных блоков памяти, кристаллодержателей, монтажных панелей. Более мощные термоэлектрические установки служат для охлаждения целых вычислительных комплексов. Во Франции разработаны индикаторы на жидких кристаллах, у которых запись и стирание информации основаны на термоэлектрическом термоциклировании [17, 71].
Термоэлектрические холодильники широко используются для охлаждения приемников инфракрасного излучения. Устройства такого типа служат датчиками аппаратуры слежения за звездами, обнаружения судов, тепловых головок самонаведения ракет, дистанционных взрывателей, приборов ночного видения, тепловизионных систем [71, 82, 131]. Они применяются также в приемниках лазерного излучения, эмиссионных спектроскопах, устройствах бесконтактного измерения температур, датчиках пожаров, газоанализаторах, счетчиках продукции, детекторах уровня воды [107]. В частности, в приемнике лазерного излучения на основе теллурида кадмия с добавкой ртути, разработанном Ф. Кадосси, А. Харкером, М. Вильсоном и др., термоэлектрическое охлаждение до 200 К обеспечивает обнаружительную способность устройства до 4,8-108 см х X Гц1/2 · Вт-1.

В США в настоящее время в эмиссионной спектроскопии в ближней инфракрасной области широко применяются серийно выпускаемые фотоприемники на основе Ag—О—Cs, GaAs (Cs), PbS с термоэлектрическим охлаждением [102, 114].
В СССР серийно выпускается микрохолодильник МТЭ-Ф, выполненный на основе термобатареи ТЭМО-6 и предназначенный для охлаждения фотоэлектронных умножителей ФЭУ-39, ФЭХ-79, ФЭХ-136 и др. Применением МТЭ-Ф достигается стократное снижение уровня шумов, что дает возможность использовать прибор для регистрации слабых световых потоков в физике, астрономии, медицине, химии [92].
Для сельского хозяйства разработаны измерители содержания протеина в зерне и сахара в фруктах и винограде. Термоэлектрически охлаждаемые датчики инфракрасного излучения являются составной частью аппаратуры службы погоды, с их помощью проводится исследование течений океана, составление тепловых карт и профилей температуры различных слоев атмосферы, поиск полезных ископаемых [107].
Интересным примером использования термоэлектрического охлаждения в инфракрасной технике является эталонное абсолютно черное тело, изменение рабочей температуры которого достигается эффектом Пельтье. Впервые такое устройство было разработано в середине 60-х годов в нашей стране, в его разработке принимали участие Ш. А. Безверхний, Л. П. Богданова и М. А. Брамсон. Устройство обеспечивало стабильную силу излучения в диапазоне температур — 20 ч—|-40 °С и предназначалось для градуировки инфракрасных радиометров. В 1976 г. аналогичная система была создана сотрудником фирмы «Марлоу» (США) П. Кликом [15, 104].
Термоэлектрические устройства, основанные на эффекте Пельтье, успешно применяются в медицине. Они в немалой степени способствовали возникновению таких новых областей медицины, как криотерапия и криохирургия. В нейрохирургической практике термоэлектрическое охлаждение предотвращает гибель мозговой ткани от кислородного голодания при тяжелых травмах головы. Для этих целей служит криошлем с эластичной резиновой прокладкой, плотно прилегающей к голове больного. Внутри шлема находится термобатарея, обеспечивающая с достаточной точностью любую температуру от —20 до +50 °С. В офтальмологии для удаления помутневшего хрусталика глаза методом примораживания используются термоэлектрические криоэкстракторы с охлаждаемым наконечником. Операции на почках в нефрологии нередко сопровождаются обильным кровотечением, которое можно остановить, только пережав ножку почки. Обескровленная почка живет не более десяти минут, после чего из-за необратимых процессов отмирает. Продлить жизнь почки на время, необходимое хирургу на операцию, например, на два часа, позволяет охлаждение почки до +15 °С с помощью термоэлектрического зонда. Термоэлектрическими термодами охлаждают участки кожи при исследовании рефлекторных явлений и в дерматологии. Этот метод позволяет излечивать экзему.
Все большее распространение в криотерапии и криохирургии находят зондовые термоэлектрические охлаждающие приборы, обеспечивающие локальное дозированное криовоздействие на различные ткани и органы. Больших успехов в этом направлении добились специалисты Ленинградского отделения ВНИИТ. Здесь был разработан термоэлектрический криозонд, особенностью которого явилось размещение термобатареи не в зондовой активной части прибора, а в его корпусе. Ряд медицинских приборов разработан в СКВ Института физики АН АзССР. Среди них: термоэлектрический криошлем и аппарат «Гипотерм», предотвращающие гибель мозговой ткани от кислородного голодания при тяжелых травмах головы; полупроводниковый криотонзиллектом, применяемый при операциях по удалению воспаленных миндалин. В Чехословакии создан термоэлектрический прибор для лечения гастритного кровотечения и язв — через желудок прокачивается жидкость, охлаждаемая термобатареей. При проведении пластических операций длительное хранение- пересаживаемой ткани обеспечивается термоэлектрическими холодильниками. Тонкие срезы биологических тканей для гистологических, патологоанатомических, цитологических анализов выполняют на микротомных столиках, охлаждаемых с помощью эффекта Пельтье. Термоэлектрическое охлаждение используется в местной анестезии, сердечной диагностике (для предупреждения образования молочной кислоты), при операциях по удалению миндалин, для лечения желудочных болезней, в стоматологии. Широко распространены термоэлектрические криостаты для консервирования и транспортировки крови, физиологических растворов, хранения медикаментов. Высокую оценку специалистов получили термоэлектрические кислородные палатки и локальные кондиционеры для операционных и послеоперационных помещений, которые демонстрировались на международных выставках санитарной техники. Термоэлектрические микрохолодильники могут питаться от автомобильных аккумуляторов, поэтому с такими медицинскими аппаратами удобно работать как в клинических стационарных условиях, так и на передвижных медпунктах и машинах скорой помощи [3, 56, 71, 94].
Важной областью применения эффекта Пельтье является космическая техника. Особенности термоэлектрического охлаждения как нельзя лучше согласуются со сложными условиями работы различных космических аппаратов. Термоэлектрические холодильники используются в системах жизнеобеспечения, в контрольно-регулирующих и управляющих приборах, установках приема и передачи информации космических объектов [3, 71]. Американские специалисты считают перспективным использовать термоэлектрические установки, для интенсификации теплоотвода в космических кораблях. Исследования Дж. Харпстера (фирма «Интек») показали, что применение термобатарей в качестве промежуточной ступени между двумя охлаждающими контурами с фреоном и водой позволяют повысить мощность теплоотвода от 15,9 до 26,5 кВт [119].
В начале 70-х годов во ВНИИТ были созданы три типа устройств: термостаты «Биотерм» различной модификации, биологическая капсула «Биокат» и транспортный контейнер «Термоконт», причем два последних аппарата предназначались специально для выполнения биологических исследований по программе совместного советско- американского полета «Союз—Апполои». Биологическая капсула «Биокат» является первой попыткой создания нового вида подогревных термостатов на основе эффекта Пельтье. Применение таких термостатов в длительных экспериментах на борту космических летательных аппаратов сокращает энергопотребление от бортовых источников питания, так как термоэлектрический нагрев при невысоких перепадах (до 30 °С) экономичнее обычного резистивного нагрева. Результаты испытания термоэлектрических термостатирующих систем на космических кораблях «Союз», орбитальной станции «Салют» и спутниках серии «Космос» показали, что проведение исследований в термостатируемых условиях значительно повышает методологическую корректность, информативность и ценность научных данных [36].

Рис. 5.3. Автомобильный термоэлектрический холодильник ХАТЭ-12 [85].
Разнообразно применение современных термоэлектрических холодильников на транспорте. Первоначальные проекты создания крупногабаритных термоэлектрических рефрижераторных установок, аналогичных разработанному в 1960 г. в США продуктовому холодильнику для атомных подводных лодок емкостью 6 т, оказались экономически несостоятельными, однако автотранспортные термоохладители небольшой емкости получили широкое распространение. Холодильники для автомобилей, автобусов, дач-прицепов изготавливают в виде дорожных сумок, холодильников — подлокотников, переносных и стационарных холодильных камер. В нашей стране промышленностью выпускаются популярные среди автолюбителей термоэлектрические холодильники марки ТЭХ и ХАТЭ (рис. 5.3), миниатюрные термоэлектрические холодильники «Кроха» для автомобилей ВАЗ-21011, 2102, 2111 [52, 55, 85]. Для хранения и подогрева питания водителей и поездных бригад на городском и железнодорожном транспорте служат термоэлектрические холодильно-нагревательные боксы. Подобными установками оснащают самолеты и вертолеты. В пассажирских вагонах, на локомотивах, речных и океанских судах используются термоэлектрические охладители питьевой воды [3, 94].

Особое место среди транспортных термоэлектрических устройств занимают локальные воздухоохладители и кондиционеры, обеспечивающие хорошее самочувствие и высокую производительность труда водителей.

Советскими специалистами разработаны термоэлектрические кондиционеры не только для автобусов и автомобилен, но и для кабин тракторов, экскаваторов, валочно-трелевочных машин. ПО «Биофизприбор» (Львов) выпускает полупроводниковые воздухоохладители для самолетов и вертолетов, применяемые в сельскохозяйственной авиации. Круглогодичный полупроводниковый кондиционер для железнодорожных пассажирских вагонов был создан в 1965 г. в Институте энергетики АН ЛатвССР. Ha III Международной конференции по термоэлектрическому преобразованию энергии (Арлингтон, 1980) сообщалось о разработке термоэлектрического воздушного кондиционера для транспорта фирмой «Эйр индастри» (США). На этой же конференции отмечалась высокая экономичность современных термоэлектрических установок искусственного климата для жилых и административных помещений. В районе Дели, например, кондиционирование посредством термоэлектрических тепловых насосов обходится в пять раз дешевле, чем при помощи обычных компрессорных кондиционеров [3, 11, 50, 55, 76, 98, 141].
Большой интерес представляют многочисленные варианты термоэлектрических охлаждающих устройств, применяемых в лабораторной практике и измерительной технике. Для исследований при температуре ниже или выше комнатной используются термоэлектрические микроскопные столики, термоэлектрические охладители приборов и реакционных стаканов. Отвод тепла, возникающего при химических реакциях, ядерном распаде и других процессах, осуществляется посредством термоэлектрических плит со стабилизированной температурой. Универсальным прибором для изучения экзотермических и эндотермических реакций служит калориметр, в котором температура регулируется термоэлектрической батареей. Испытательные камеры, термостаты и криостаты с термоэлектрическим охлаждением предоставляют широкие возможности для изучения поведения образцов в различных температурных режимах. Заданные температуры в замкнутых объемах поддерживаются лабораторными микрохолодильниками. Биологические исследования, в частности изучение газообмена растений, проводят в микрокалориметрической установке, внутри которой термоэлектрическим модулем фиксируется необходимый тепловой режим. Установка содержит герметичный блок, где измеряется выделение паров воды и поглощение углекислого газа отдельными листьями или ветвями [3, 71, 94]
Для изучения микрофизики облаков и процесса градообразования в 1974 г. советские теплофизики создали термоэлектрическую диффузионную камеру. Несколько позже установка такого же назначения была разработана Центром исследований физики облаков университета шт. Миссури [86, 146].
Для автоматического статирования спаев измерительных термопар на уровне 0 °С предназначены термоэлектрические нуль-термостаты. Управление действием химических барботеров в ряде случаев осуществляется термоэлектрическим регулятором температуры [124].

 
Термоэлектрические батареи целесообразны для охлаждения диафрагм в контрольно-поверочной оптической аппаратуре; их также используют для управления температурой кювет спектрофотометров видимой и ультрафиолетовой области, в монохроматорах температурных и спектральных характеристик фотоэлементов и фотосопротивлений, в термоэлектрических измерителях теплового потока [34, 53, 68, 137].
Термоэлектрические термостаты используются для измерения температурных зависимостей физических параметров, в хроматографии, газовых анализаторах, для стабилизации температуры встроенного в измерительный прибор нормального элемента, в устройствах для испытания низкотемпературных свойств красок и масел и т. д. Термоэлектрически охлаждаемые зонды применяются для определения типа проводимости полупроводников [123].
Термоэлектрические охлаждающие приборы начинают находить применение в метрологии. Так, в 1980 г. в Государственном физико- техническом институте ФРГ был разработан новый термоэлектрический термостат для хранения единицы емкости [117].
Созданы термоэлектрические охладители, устанавливаемые в устройствах для поиска течей. Термоэлектрические кристаллизаторы широко применяются для осветления жидкостей, опреснения растворов. Термоэлектрические системы, работающие на эффекте Пельтье, устанавливаются в устройствах для закрепления деталей методом примораживания, в автоматических осушителях воздуха, предназначенных для защиты бумагомасляной изоляции мощных трансформаторов и реакторов от увлажнения. Для осушения сжатого воздуха в системах пневмоавтоматики также используются термоэлектрические устройства [3, 18, 19, 23, 29, 71, 83, 94, 97, 127].

Рис. 5.4. Термоэлектрический охладитель-подогреватель для детского питания [3].

Термоэлектрические холодильники применяются в выставочных залах и музеях для поддержания необходимого влагостатированного режима хранения экспонатов [3, 93]. Все более широкое распространение получают костюмы с термоэлектрическим кондиционированием воздуха, разработанные для рабочих горячих цехов, пожарных, пилотов, танкистов, водолазов. Интересно применение термоэлектрического охлаждения в сигнализаторах обледенения для самолетов, для охлаждения авиационного оборудования [3, 94, 129].

Растет спрос на термоэлектрические бытовые устройства, такие как охладители напитков, приборы для охлаждения и подогрева детского питания (рис. 5.4), передвижные бары, портативные холодильники.

 На основе термоэлектрических модулей разработаны домашние аптечки, сифоны для охлаждения и газирования питьевой воды, мороженицы, охладители шампанского, автоматические устройства для хранения и разогрева приготовленной пищи, термосы, продуктовые тележки, ледогенераторы, мебель со встроенными холодильниками-камерами.
Ведется работа по созданию многофункциональных бытовых термоэлектрических холодильников, содержащих несколько температурно-влажностных зон для обеспечения оптимального хранения продуктов. Дефростатор замороженных продуктов обеспечивает нужный режим оттаивания определенного вида продуктов. Кроме того, этот термоэлектрический комплекс будет оснащен устройством для приготовления мороженого, бактерицидной лампой и фильтром очистки воздуха. Первые результаты по осуществлению такого проекта в нашей стране были представлены на Международном электротехническом конгрессе (Москва, 1977) в докладе Л. Н. Вайна, И. Н. Коломийцова и В. С. Орлова [22].
Динамику роста исследований и разработок в этом направлении можно проиллюстрировать на примере США, где, по данным работы [71], в 1961 г. насчитывалось около 20 фирм, проектирующих и изготавливающих термоэлектрические устройства, в 1963 г, их было более 50, а в 1972 г.— 300. В конце 70-х годов появилась тенденция к снижению этого количества, однако она вызвана не свертыванием работ по термоэлектрическому методу преобразования энергии, а концентрацией всех исследований в этой области на крупных специализированных, фирмах и предприятиях.
На современном уровне развития техники термоэлектрический способ обеспечивает охлаждение почти на 200 °С (от комнатной температуры). Снижена стоимость термоэлектрических охлаждающих устройств [43, 147].
Технико-экономические исследования, проведенные английской фирмой «Де ла ру фригистор» в конце 60-х годов, показали, что для достижимой в тот период термоэлектрической добротности реализация термоэлектрического охлаждения целесообразна в устройствах с холодопроизводительностью, не превышающей 50—60 Вт. В настоящее время, согласно данным американской фирмы «Эйр индастри», считаются осуществимыми и перспективными проекты крупномасштабных термоэлектрических систем, таких как охладители газовых потоков холодопроизводительностью 3 кВт [71, 140].
В области конструирования одним из перспективных путей развития термоэлектрического охлаждения является создание комбинированных систем, а именно, соединение термоэлектрического холодильника с вихревой трубой, абсорбционной камерой, компрессионной холодильной установкой. Следует отметить, что принцип совмещения в холодильнике термоэлектрической батареи и компрессора был предложен советскими физиками еще в 1956 г. На этой основе, в частности, в СКВ Института физики АН АзССР сконструирована лабораторная испытательная термокамера «Союг», а Львовским ПО «Биофизприбор» разработана термокамера «Синтез» [54, 84]. Работа низкотемпературных охлаждающих устройств с термобатареей и вихревой трубой впервые исследована в 1969 г. В. С. Мартыновским,
Э. Г. Шаленым и И. Я. Хиричем. Подобная установка была создана австралийским физиком К. Ландекером [64, 125].
Перспективны установки, в которых электрическая энергия для питания термоэлектрического холодильника вырабатывается термоэлектрическим генератором. Работы в этом направлении были начаты советскими исследователями И. Н. Помазановым и П. Л. Тихомировым и продолжены Г. Б. Абдуллаевым, А. 3. Кулиевым, Ю. Н. Малевским и Π. Р. Файзиевым. В настоящее время работа совмещенного термоэлемента исследуется в работах В. П. Бабина, Е. К. Иорданишвили, Г. А. Иванова и др. За рубежом этот вопрос изучался, в частности, А. Мумони, А. Фостером, А. Ямамурой [1, 12, 73, 74, 113, 134]. Способ совместного использования термоэлектрических эффектов служит основой охлаждающих устройств, действующих за счет новых низкотемпературных источников тепла (тепловых отходов, бросовых горячих вод, геотермальных источников, солнечной энергии). На этом принципе работает термоэлектрический холодильник для охлаждения источников ионов. О работе солнечного термоэлектрического холодильника с общим КПД 0,5 % сообщается в статье Г. Велла, Л. Харриса и Г. Голдсмида [72, 73, 143].
Разрабатываются термоэлектрические холодильники с питанием от солнечных батарей. Например, такой холодильник, предназначенный для хранения лекарств и перспективный для использования в развивающихся странах, создан в 1980 г. Р. Филдом [110].
Существенное значение для конструктивного развития термоэлектрических охладителей имеет изучение термоэлектрических пленочных структур, термоэлементов с переменным составом вдоль ветвей и переменным сечением ветвей, трубчатых термобатарей. В термоэлектрических устройствах для интенсификации теплообмена эффективно использование испарительных тепловых сифонов. Об этом свидетельствуют исследования Е. А. Коленко и М. Г. Бердиева, проведенные в 70-е годы [27].
Важнейшей задачей является стандартизация и унификация термоэлектрических модулей. Построение параметрических рядов позволяет автоматизировать производство термоэлектрических модулей, а также оперативно применять их для различных практических целей, производить быстрый ремонт и установку и, в конечном итоге, значительно снизить себестоимость термоэлектрических приборов. В качестве примера таких унифицированных рядов термоэлектрических модулей следует отметить приборы, выпускаемые в ГДР предприятием ДКК, в ФРГ фирмами «Вальво» и «Сименс», в Канаде фирмой «Фриджистер», во Франции фирмами СИСЭ и «Филипс», в США фирмами «Джепсон термоэлектрикс», НСИ и «Асарко интерметалликс», в ЧССР, где производство модулей сосредоточено в НИИ порошковой металлургии. В нашей стране широко распространены ряды термоэлектрических модулей типа «Селен», ТЭМО, ТЕМ, КР [3, 41, 94, 106, 108].

Большие перспективы для получения низках температур открывают гальванотермомагнитные охладители, добротность которых при низких температурах значительно выше, чем у термоэлектрических холодильников. Нижний предел гальванотермомагнитного охлаждения, как показывают предварительные исследования, составляет 2—10 К. Достижение таких криогенных температур позволит широко применять гальванотермомагнитные охладители в физике и технике сверхпроводников, в частности в сверхпроводящих кабелях [3, 31, 71].
Инициаторами работ в области нетрадиционного термоэлектрического охлаждения являются советские физики, которые не только предсказали перспективность новых методов, но и доказали это конкретными практическими разработками. Новые термоэлементы обеспечивают бесспайную коммутацию и характеризуются малой инерционностью, благодаря чему находят все более широкое применение в термоохлаждающих приборах с рекордно высокой надежностью и большим быстродействием [3].
Развитие термоэлектрического способа охлаждения, его широкое внедрение в практику неразрывно связано с успешным решением всего комплекса проблем, стоящих перед этим научно-техническим направлением.



 
« Оперативное управление в энергосистемах   Проектирование силового электрооборудования »
электрические сети