eng
Выпуск #2/1999
А. Гуляев, А. Лапыгин, А.Руднев, Е. Шаманина.
Термоэлектрические преобразователи прокладывают дорогу в экологически чистое будущее
Термоэлектрические преобразователи прокладывают дорогу в экологически чистое будущее
Просмотры: 2352
Более полутора веков пришлось ждать, пока уровень техники и технологии позволил широко применить на практике эффект Пельтье, открытый еще в 1834 году. Зато интерес к его использованию сразу же привлек пристальное внимание создателей самой разнообразной электронной аппаратуры — от военной и космической до мини-холодильных устройств. И здесь отечественные разработки занимают достойное место.
Термоэлектрический преобразователь (модуль) — небольшой твердотельный прибор, способный выполнять функции передачи тепла или генератора мощности (соответственно, ТОМ — термоэлектрический охлаждающий модуль или ТЭГ— термоэлектрический генератор). ТОМ выполняют те же функции, что и традиционные устройства на основе фреона с компрессией или поглощением паров: извлечение тепловой энергии из одной области, температура которой в результате снижается, и перенос к другой, где температура повышается. Но в отличие от традиционных, ТОМ — полупроводниковый прибор, непосредственно преобразующий электрическую энергию в тепловую на основе эффекта Пельтье. Этот эффект заключается в том, что при прохождении постоянного тока через последовательно соединенные области различного типа проводимости в соответствующих паяных соединениях происходит выделение или поглощение тепла. Однако для практического использования этого эффекта потребовалось освоить полупроводниковую технику и получить полупроводниковые материалы с достаточно высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью. Это, прежде всего, сильно легированные сплавы теллурида висмута p- и n-типа, широко применяемые сегодня в качестве материала ТОМ. Технология производства современных ТОМ представляет собой комплекс наукоемких вакуумных процессов получения сплавов теллурида висмута, их направленной кристаллизации, прецизионного разделения на элементы, нанесения антидиффузионного и коммутационного покрытий, изготовления и металлизации теплопроводной керамики, автоматизированной сборки и контроля качества изделий.
В простейшем случае однокаскадный ТОМ содержит последовательно соединенные элементы p- и n-типа, заключенные между двумя металлизированными керамическими пластинами (оксид алюминия), что обеспечивает оптимальную электрическую развязку и теплопроводность при высокой механической прочности (рис.). Для усиления эффекта охлаждения ТОМ может содержать до сотен пар p- и n-элементов. Наибольшая разница температур между “холодной” и “горячей” сторонами ТОМ равна примерно 70оС. Если требуется больший перепад температур, можно применить многокаскадную (составную) конструкцию. Для отвода тепла в окружающую среду в ТОМ обычно применяется принудительное воздушное или водяное охлаждение (каким бы искусным ТОМ ни был, он не может рассеивать тепло, а лишь перемещает его).
Основные преимущества ТОМ перед традиционными компрессионными элементами — малые габариты (минимальный — 4х4х2,75 мм, в среднем — 25,4х25,4х3,5 мм) и масса, отсутствие экологически вредных хладагентов (фтора, хлора, аммиака), компрессоров, вибрации и шума. Очень существенны и такие их качества, как долговечность (продолжительность безотказной работы — более 10 лет, интенсивность отказов — менее 0,1%) и реверсивность работы (если поменять направление тока, меняется и направление распространения тепла). При использовании соответствующего контроллера ТОМ обеспечивают прецизионное управление температурой. Кроме того, ТОМ могут работать в безвоздушной среде и в условиях невесомости при любой физической ориентации.
Пригодность полупроводникового материала для создания ТОМ определяет такой показатель, как термоэлектрическая добротность Z. Ее величина прямо пропорциональна электропроводности и обратно пропорциональна теплопроводности. Сейчас для отечественных и зарубежных ТОМ этот параметр достигает примерно 3,0.10-3 К-1. Это соответствует эффективности преобразования величиной в несколько процентов, что уже достаточно для создания термоэлектрических безхладагентных устройств, способных конкурировать с традиционными системами охлаждения.
Но для более успешного продвижения климатических систем на основе ТОМ на рынок необходимо создать устройства с эффективностью около 30%, что соответствует величине Z =5.10-3 K-1 в диапазоне температур 300–1000 К. В результате основной недостаток ТОМ, даже изготовленных на основе лучших современных материалов, — низкий холодильный коэффициент e <1,0 против примерно 2,2—2,5 для фреоновых кондиционеров. Кроме того, отнесенная к единице выхода удельная стоимость ТОМ велика. Поэтому они, в основном, применяются в тех случаях, когда эти недостатки с лихвой компенсируются их достоинствами. Тем не менее области применения ТОМ весьма разнообразны: от военного и космического оборудования (инерционные системы наведения, аппаратура ночного видения, средства охлаждения электронных систем, портативные холодильные устройства), лабораторной и научной аппаратуры (ИК-детекторы, устройства локального охлаждения электронных приборов и стабилизации температурных режимов их работы до 0,1оС, анализаторы уровня загрязнения воздуха и т.п.) до бытовой и медицинской техники (мини-холодильники для гостиниц, автомобилей, поездов, термостатирующие камеры, системы кондиционирования воздуха, индивидуальные кондиционеры).
Таким образом, термоэлектрические модули закладывают основу для создания нового поколения климатических систем малой и средней мощности. В ближайшие пять–семь лет такие системы заменят традиционное климатическое оборудование. По косвенным данным, уже сейчас среднегодовая потребность мирового рынка оценивается в 55–58 млн. ТОМ, из них 60% — охлаждающие модули, остальные — генераторные. К началу третьего тысячелетия ожидается значительное увеличение объема их продаж при среднегодовых темпах прироста 15–20%. На рынке представлено множество типов ТОМ, отличающихся размерами, формой, рабочими токами и напряжениями, диапазоном охлаждения. Основная тенденция — применение большого числа пар элементов, работающих при малых значениях тока. Основные поставщики ТОМ на мировой рынок — американские фирмы Melcor, Marlow и Tellyrex, на долю которых приходится 85% объема их продаж. Наибольшим спросом пользуются модули размером 40х40 и 30х30 мм.
В России производством и разработкой термоэлектрических приборов и изделий на их основе занято около 10 крупных предприятий, в том числе и ЗАО “Электроника НН” (г. Нижний Новгород) — головной исполнитель по этому научно-техническому направлению в рамках Президентской программы “Развитие электронной техники в России”. Результат трехлетней научно-производственной деятельности ЗАО — разработка и освоение в производстве 72 типономиналов стандартных ТОМ с термоэлектрической добротностью Z = 2,8–2,9.10-3 К-1, не уступающих по своим характеристикам зарубежным устройствам, а по цене — дешевле их в два-три раза (табл. 1 и 2). В 1998 году введена линия по производству заказных ТОМ (более 20 типономиналов) со следующими характеристиками:
Выпускает ЗАО и миниатюрные ТОМ размером до 6,0х6,0х х2,75 мм с максимальными перепадом температур 70оС, холодопроизводительностью 2,3 Вт, током 1,8 А и напряжением 2,3 В, а также двухкаскадные модули (2К-20-132-2,2) с максимальным перепадом 90оС размером до 17,5х,5 мм. Средний срок службы выпускаемых АО “Электроника НН” ТОМ — не менее 15 лет. Результаты тестирования в 1998 году на фирме TE Technology (США) подтвердили соответствие термомодулей ЗАО лучшим зарубежным аналогам.
Работа по оптимизации режима максимального холодильного коэффициента термоэлементов, размещенных последовательно по потоку теплоносителя, привела к созданию экспериментальных образцов базовых климатических блоков полупроводниковых кондиционеров, в том числе для транспортных средств (табл.3). Основное назначение последних — поддержание заданной температуры в салоне, кабине и отсеке. Проведены предварительные испытания опытных образцов кондиционеров для железнодорожных вагонов, малогабаритного холодильного оборудования, термостатов и бытовых устройств. Их серийное производство планируется освоить в конце года.
Сейчас определены пути получения термоэлектрических материалов с добротностью, превышающей 3,0 .10-3 К-1. Это позволит уже в ближайшее время создать термоэлектрические климатические системы, превосходящие по своей эффективности традиционное оборудование.
В простейшем случае однокаскадный ТОМ содержит последовательно соединенные элементы p- и n-типа, заключенные между двумя металлизированными керамическими пластинами (оксид алюминия), что обеспечивает оптимальную электрическую развязку и теплопроводность при высокой механической прочности (рис.). Для усиления эффекта охлаждения ТОМ может содержать до сотен пар p- и n-элементов. Наибольшая разница температур между “холодной” и “горячей” сторонами ТОМ равна примерно 70оС. Если требуется больший перепад температур, можно применить многокаскадную (составную) конструкцию. Для отвода тепла в окружающую среду в ТОМ обычно применяется принудительное воздушное или водяное охлаждение (каким бы искусным ТОМ ни был, он не может рассеивать тепло, а лишь перемещает его).
Основные преимущества ТОМ перед традиционными компрессионными элементами — малые габариты (минимальный — 4х4х2,75 мм, в среднем — 25,4х25,4х3,5 мм) и масса, отсутствие экологически вредных хладагентов (фтора, хлора, аммиака), компрессоров, вибрации и шума. Очень существенны и такие их качества, как долговечность (продолжительность безотказной работы — более 10 лет, интенсивность отказов — менее 0,1%) и реверсивность работы (если поменять направление тока, меняется и направление распространения тепла). При использовании соответствующего контроллера ТОМ обеспечивают прецизионное управление температурой. Кроме того, ТОМ могут работать в безвоздушной среде и в условиях невесомости при любой физической ориентации.
Пригодность полупроводникового материала для создания ТОМ определяет такой показатель, как термоэлектрическая добротность Z. Ее величина прямо пропорциональна электропроводности и обратно пропорциональна теплопроводности. Сейчас для отечественных и зарубежных ТОМ этот параметр достигает примерно 3,0.10-3 К-1. Это соответствует эффективности преобразования величиной в несколько процентов, что уже достаточно для создания термоэлектрических безхладагентных устройств, способных конкурировать с традиционными системами охлаждения.
Но для более успешного продвижения климатических систем на основе ТОМ на рынок необходимо создать устройства с эффективностью около 30%, что соответствует величине Z =5.10-3 K-1 в диапазоне температур 300–1000 К. В результате основной недостаток ТОМ, даже изготовленных на основе лучших современных материалов, — низкий холодильный коэффициент e <1,0 против примерно 2,2—2,5 для фреоновых кондиционеров. Кроме того, отнесенная к единице выхода удельная стоимость ТОМ велика. Поэтому они, в основном, применяются в тех случаях, когда эти недостатки с лихвой компенсируются их достоинствами. Тем не менее области применения ТОМ весьма разнообразны: от военного и космического оборудования (инерционные системы наведения, аппаратура ночного видения, средства охлаждения электронных систем, портативные холодильные устройства), лабораторной и научной аппаратуры (ИК-детекторы, устройства локального охлаждения электронных приборов и стабилизации температурных режимов их работы до 0,1оС, анализаторы уровня загрязнения воздуха и т.п.) до бытовой и медицинской техники (мини-холодильники для гостиниц, автомобилей, поездов, термостатирующие камеры, системы кондиционирования воздуха, индивидуальные кондиционеры).
Таким образом, термоэлектрические модули закладывают основу для создания нового поколения климатических систем малой и средней мощности. В ближайшие пять–семь лет такие системы заменят традиционное климатическое оборудование. По косвенным данным, уже сейчас среднегодовая потребность мирового рынка оценивается в 55–58 млн. ТОМ, из них 60% — охлаждающие модули, остальные — генераторные. К началу третьего тысячелетия ожидается значительное увеличение объема их продаж при среднегодовых темпах прироста 15–20%. На рынке представлено множество типов ТОМ, отличающихся размерами, формой, рабочими токами и напряжениями, диапазоном охлаждения. Основная тенденция — применение большого числа пар элементов, работающих при малых значениях тока. Основные поставщики ТОМ на мировой рынок — американские фирмы Melcor, Marlow и Tellyrex, на долю которых приходится 85% объема их продаж. Наибольшим спросом пользуются модули размером 40х40 и 30х30 мм.
В России производством и разработкой термоэлектрических приборов и изделий на их основе занято около 10 крупных предприятий, в том числе и ЗАО “Электроника НН” (г. Нижний Новгород) — головной исполнитель по этому научно-техническому направлению в рамках Президентской программы “Развитие электронной техники в России”. Результат трехлетней научно-производственной деятельности ЗАО — разработка и освоение в производстве 72 типономиналов стандартных ТОМ с термоэлектрической добротностью Z = 2,8–2,9.10-3 К-1, не уступающих по своим характеристикам зарубежным устройствам, а по цене — дешевле их в два-три раза (табл. 1 и 2). В 1998 году введена линия по производству заказных ТОМ (более 20 типономиналов) со следующими характеристиками:
Выпускает ЗАО и миниатюрные ТОМ размером до 6,0х6,0х х2,75 мм с максимальными перепадом температур 70оС, холодопроизводительностью 2,3 Вт, током 1,8 А и напряжением 2,3 В, а также двухкаскадные модули (2К-20-132-2,2) с максимальным перепадом 90оС размером до 17,5х,5 мм. Средний срок службы выпускаемых АО “Электроника НН” ТОМ — не менее 15 лет. Результаты тестирования в 1998 году на фирме TE Technology (США) подтвердили соответствие термомодулей ЗАО лучшим зарубежным аналогам.
Работа по оптимизации режима максимального холодильного коэффициента термоэлементов, размещенных последовательно по потоку теплоносителя, привела к созданию экспериментальных образцов базовых климатических блоков полупроводниковых кондиционеров, в том числе для транспортных средств (табл.3). Основное назначение последних — поддержание заданной температуры в салоне, кабине и отсеке. Проведены предварительные испытания опытных образцов кондиционеров для железнодорожных вагонов, малогабаритного холодильного оборудования, термостатов и бытовых устройств. Их серийное производство планируется освоить в конце года.
Сейчас определены пути получения термоэлектрических материалов с добротностью, превышающей 3,0 .10-3 К-1. Это позволит уже в ближайшее время создать термоэлектрические климатические системы, превосходящие по своей эффективности традиционное оборудование.
Отзывы читателей
