- •ВВЕДЕНИЕ
- •1.1. История открытия эффекта памяти формы
- •1.3. Мартенситные превращения
- •1.4. Термоупругие мартенситные превращения
- •1.5. Кинетика и термодинамика мартенситного превращения
- •1.6. Механические эффекты в сплавах с термоупругим мартенситным превращением
- •1.8. Сплавы на основе Ni-Ti
- •1.9. Сплавы на основе меди
- •1.10. Профилированные монокристаллы Cu-Al-Ni
- •1.11. Выращивание монокристаллов Cu-Al-Ni методом Степанова
- •1.12. Применение сплавов с эффектом памяти формы
- •2. НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ
- •2.1. Нитевидные нанокристаллы
- •2.2. Классическая картина ПЖК-роста
- •2.3. Металлические катализаторы
- •2.4. Температура процесса роста ННК
- •2.5. Кристаллографическое направление роста
- •2.6. Поверхностная миграция катализатора
- •2.7. Прочность и совершенство кристаллической структуры
- •3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
- •3.1. Эффект Зеебека
- •3.2. Эффект Пельтье
- •3.3. Эффект Томсона
- •3.4. Эффективность термоэлектрических материалов
- •3.5. Существующие «классические» термоэлектрические материалы
- •3.6. Новые подходы к получению материалов с высокой термоэлектрической добротностью
- •3.8. Примеры применения термоэлектрических материалов
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
-бесшумность;
-неограниченный срок хранения.
3.8.Примеры применения термоэлектрических материалов
Холодильные системы на основе термоэлектрических материалов разделяют в зависимости от холодопроизводительности на три группы: маломощные (Q0 < 100 Вт), средней мощности (100 < Q0 < 300 Вт) и высокомощные (Q0 > 300 Вт).
Рассмотрим области применения холодильных систем на основе термоэлектрических материалов.
Быстро растет спрос на холодильники бытового назначения
и охладители/нагреватели (кулеры) для воды с малым энергопотреблением, способных работать как в режиме нагрева, так и охлаждения, нечувствительных к вибрациям.
Для использования на транспорте получают распространение холодильники для хранения продуктов на маломерных судах, малых самолетах, в купе пассажирских поездов; кондиционеры для кабин машинистов локомотивов (рис. 3.16) и пассажирских вагонов с дифференциацией параметров по купе; автомобильные кондиционеры.
Рис. 3.16. Кондиционер для кабины машинистов локомотивов разработки ОА «Корпорация НПО РИФ» [24]
113
Для улучшения их параметров элементов электронной техники используется термостабилизация на основе термоэлектрического охлаждения. Традиционно термоэлектрическое охлаждение используется для термостатирования электронных блоков, размещаемых в специальных шкафах. При этом заданная температура с определенной точностью поддерживается во всем объеме шкафа (рис. 3.17).
Рис. 3.17. Воздухоохладитель для электрошкафов, стоек с электронным оборудованием, лифтов и др. АО «Корпорация
НПО РИФ» [24]
Охлаждение интегральных микросхем (микрочипов) (рис. 3.18), необходимость которого вызвана тенденцией микроминиатюризации элементов электроники при которой возникает необходимость тепла, плотность потоков которого достигает сотен Вт/см2. В этой области термоэлектрическое охлаждение является практически безальтернативным методом. Термостабилизация усилителей, приемников излучения, электронных блоков для систем ночного видения, микропроцессоров вычис-
114
лительных систем и систем автоматики также осуществляется термоэлектрическими системами охлаждения.
Температурная стабилизация лазерных диодов для воло- конно-оптических систем является быстро развивающимся направлением термоэлектрического охлаждения. Эта необходимость продиктована бурным развитием систем телекоммуникаций и интернета.
В лабораторном и научном оборудовании термоэлектриче-
ские охладители используются в оптическом оборудовании (термоэлектрически охлаждаемыех инфракрасных детекторах, фотоумножителях, рефрактометрах, спектрофотометрах), охлаждаемых камерах и мешалках, детекторах точки росы, анализаторах состава воздуха.
Рис. 3.18. Образцы конструкций приборов со встроенными термоэлектрическими модулями [24]
Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) разде-
ляют, в первую очередь, по используемым для его работы источникам тепловой энергии. Такими источниками могут являться горючее топливо (дрова, уголь, газ, бензин и т.д.), солнечная
115
энергия, радиоактивные изотопы, ядерные реакторы, геотермальные источники, тепло в радиаторах транспортных средств, тепло от электротехнических устройств.
Существующие термоэлектрические генераторы перекрывают диапазон мощности от 10-8 до 106 Вт.
Первым в мире ТЭГ считается разработанный в СССР в годы Второй мировой войны «партизанский котелок» (рис. 3.19). В качестве термоэлектрического материала были использованы полярные члены ряда Зеебека PbS и SbZn. Горячий спай котелка прогревался теплом костра, а т емпература холодного спая поддерживалась кипящей водой. Такой ТЭГ давал несколько ватт электроэнергии, достаточной для питания армейских радиостанций в партизанских отрядах. Немцам так и не удалось разгадать секрет этого устройства.
Рис. 3.19. ТЭГ «партизанский котелок» [24]
Первым применением ТЭГ в быту можно считать электрогенератор (мощность около 2 Вт), производимый в СССР в конце 1940-х годов для питания радиоприемников. Генератор работал от тепла керосиновой лампы (рис. 3.20).
116
Сейчас в промышленных масштабах выпускается множество модификаций подобных бытовых термоэлектрических генераторных модулей, позволяющих получать электрическую мощность, достаточную для питания маломощных устройств (батарей телефонов, ноутбуков и т.д.)
Весьма перспективны для массового использования ТЭГи, работающие за счет бросового тепла, к которому относится те-
пло от агрегатов транспортных средств или промышленных и электротехнических устройств (трансформаторы и др.) с тем-
пературой 350-900 К. В частности для применения в узлах автомобилей (в первую очередь, грузовых), маломерных судов ТЭГи, способные заменить существующие генераторы переменного тока, представляют интерес не только с точки зрения утилизации бросового тепла, но и отсутствием влияния работы такого устройства на мощность силовой установки (двигателя), способностью вырабатывать большие токи.
Рис. 3.20. ТЭГ на керосиновой лампе для питания Радиоприемника [24]
Для защиты магистральных нефте- и газопроводов от электрохимической коррозии в случае их расположения в трудно-
117
доступных районах крайнего Севера при отсутствии линий электропередачи применяется катодная защита с помощью источников питания на основе ТЭГ. Станции катодной защиты располагаются вдоль трубопроводов через каждые 20 – 40 км и потребляют до 1 кВт электрической мощности. Нагрев теплоносителя на таких станциях осуществляют сжиганием нефти или газа. Ресурс автономной работы таких станций составляет не менее 10 лет.
Интересным применением ТЭГ в медицине является электростимулятор сердечной мышцы – термоэлемент, вживляемый под кожу и использующий в качестве источника теплоты радиоактивный изотоп (плутоний-238).
ТЭГи, использующие в качестве топлива радиоактивные изотопы (РИТЭГи) с периодом полураспада около сотни лет, являются единственно возможными источниками питания для обеспечения дальних полетов космических аппаратов, а также для энергообеспечения спускаемых космических аппаратов. Единственный конкурент РИТЭГов в данном применении солнечные батареи перестают работать на удалении от Солнца уже у орбиты Марса. Термоэлектрические источники обеспечивают энергоснабжение космических станций, совершивших посадку на поверхность Марса, Луны.
Впечатляющим является применение РИТЭГов для питания космической станции «Вояджер-2», запущенной НАСА 20 августа 1977 года для исследований дальних планет Солнечной системы.
118
Рис. 3.21. Космический аппарат «Вояджер-2» [25]
Это первый и пока единственный аппарат, достигший Урана (1986 г.) и Нептуна (1989 г.). В декабре 2018 г. «Во- яджер-2» вошел в межзвездную среду (18 млрд км от Земли). На момент старта общее тепловыделение РИТЭГа составляло около 7 кВт. По мере распада плутония-238 мощность РИТЭГа падает (при пролёте мимо Урана - 400 ватт). На начало 2019 г. остаток плутония-238 составляет 72.1% от начального. Оставшегося ресурса по подсчетам должно хватить еще на несколько лет работы РИТЭГа и поддержания радиоаппаратуры в рабочем состоянии.
119