9.3.      Холодильники и тепловые насосы


При прохождении тока через термоэлементы наряду с поглоще­нием на спае 1 (см. рис. 9.2) в единицу времени некоторого количества теплоты

                                                    (9.5)

происходит еще выделение джоулевой теплоты, пропорциональ­ной квадрату силы тока и сопротивлению спая 1. В первом при­ближении можно считать, что сопротивления спаев 1 и 2 равны, т.е. каждое из них составляет половину полного сопротивления, термоэлемента R. Тогда джоулева теплота, выделяющаяся на первом спае, равна:

.                                                     (9.6)

Общее  теплопоглощение спая  (рис. 9.4) равно:

.                                       (9.7)

При токе, равном нулю, оба эффекта отсутству­ют, и охлаждения не происходит, а при достаточно большом токе  превысит , и охлаждение первых спаев перейдет в нагрев. Поэтому существует оптимальный ток, при ко­тором эффект охлаждения максима­лен. Дифференцированием уравнение (9.7) находим, что Q достигает максимума при оптимальном токе:

.                                                       (9.8)

При этом токе

 .                                                (9.9)

Требования, которым должен удовлетворять полупроводник ветвей термоэлемента, работающего в холодиль­нике, сводятся к достижению возможно большего значения

эф­фективности (Z). Наибольшей эффективностью для холодильных термоэлементов в настоящее время обладают твердые растворы на основе теллурида вис­мута .

Перепад температур между холодным и горячим спаями:

,                                                    (9.10)

где  – температура горячего спая, К.

Если Z = 1,6.l0 -3 K -1,  = 300 К, то, подставив эти значения в формулу (9.10), получим:

,

т.е. холодный спай будет иметь температуру

* =300 – 72 = 228 К = – 45 °С.

Однокаскадные батареи позволяют по­лучить снижение температуры на 70 – 75 К относи­тельно комнатной температуры.

С помощью каскадирования термобатарей можно добиться более глубокого охлаждения, чем в одно­каскадном варианте, повысить эффективность процесса термо­электрического охлаждения и миниатюризировать низкотемпера­турные источники холода. В настоящее время каскадные холо­дильники применяются в радио- и измерительной технике, кибер­нетике, электронике, приборостроении и существенно улучшают характеристики элементов и устройств, делают их работу надеж­ной и стабильной.

Достигнутая в каскадных холодильниках раз­ность температур 150 К открыла перспективу получения темпера­тур, близких к криогенным. Приведем характеристики трехкаскадного микрохолодильника для фотосопротивлений:

Максимальная разность температур (при температуре окружающей среды 40° С), К

102

Рабочий ток, А

52

Потребляемая мощность, Вт

52

Время установления минимальной температуры, мин

2

Габариты, мм:

диаметр

130

высота

65

Масса (без системы теплосъема), г

250

 

Термоэлементы находят широкое применение для термостатирования. Учитывая, что в термоэлементах одна система спаев охлаждается, а другая нагревается, легко осуществлять терморе­гулирование. В зависимости от температуры в рабочем объеме ключ изменяет направление тока. В результате, вместо охлаждения начинается нагревание спаев, пока температу­ра не установится заданной, а ключ опять не сработает. В итоге, температура может поддерживаться с высокой точностью, до ±0,001 К.