§ 3.7. Теплоотвод с использованием термоэлектрического эффекта

Термоэлектрический эффект открыл в 1834 г. французский физик Ж. Ш. А. Пельтье; в 30-е годы нашего столетия советский ученый А. Ф. Иоффе предложил использовать его для построения термо­батарей путем последовательного соединения полупроводников р- и n-типа (рис. 3.23). При протекании через элемент тока I на холодном спае за единицу времени поглощается теплота , где — тепло Пельтье; — коэффициент Зеебека (коэффициент термоЭДС); Т— тем­пература холодного спая; Q_ДЖ = T²R/2— джоулева теплота, выделяющаяся на сопро­тивлении элемента R; —теплота, передающаяся от горячего спая к холодному за счет теплопроводности.

Термобатарея может осуществлять как охлаждение, так и нагрев, что особенно важно при аботе в режиме активного термостатирования (для этого необходимо изменить направление тока).

Рис. 3.23. Звено термоба­тареи: 1 — токоподводы; 2 — пере­мычка

Для поддержания низкой температуры одного из концов термобатареи необходимо поддерживать заданную температуру другого (горячего) конца, охлаждая его (например, за счет конвекции). Зависимость выделяемой в термоэлементе теплоты от протекающего по нему тока представлена на рис. 3.24. При некотором значении тока имеет место максимальное понижение температуры холодного спая. Если ток существенно больше , то эффект охлаждения может вообще исчезнуть из-за возрастания джоулевой теплоты.

Рис. 3.24. Зависимость джоулевой теплоты , теплоты Пельтье и теплоты , передаваемой теплопровод­ностью, выделяющихся на холодном спае термобатареи от тока

Рис. 3.25. Двухкаскадная термобатарея

Для повышения эффективности охлаждения применяют двухкаскадные батареи (рис. 3.25). Использование многокаскадных батарей позволяет снижать температуру до 70 К. В многокаскад­ных батареях каскады могут соединяться последовательно или параллельно. Лучшими материалами для элементов каскадов являются твердые растворы на основе теллурида висмута (Bi₂Te₃) с легирующими добавками. Для различных диапазонов температур, в которых работают термоэлементы многокаскадной батареи, используют растворы различного состава (табл. 3.11). На рис. 3.26 приведен общий вид однокаскадной термобатареи, а на рис. 3.27 — перепад температуры по каскадам и массы термобатареи в зависимости от числа каскадов N. При снижении температуры на 150 К холодопроизводительность термобатареи не превышает 1 Вт; при холодопроизводительности более 300 Вт применение термобатарей вообще нецелесообразно ввиду их низкого КПД и большой массы (15...90 г/Вт) по сравнению с жидкостной самолетной системой охлаждения (9... 11 г/Вт). Жидкостные системы на холодопроизводительность в несколько единиц или десятков ватт отсутствуют.

Таблица 3.11 Зависимость оптимальных параметров материала элементов термобатарей от температуры каскада

Рабочий интервал Температур,0С	Тип проводимости элемента	Параметры материала при 270С
		, См/см	е*10-6, В/К
-43... + 57	p п	1000+100 900+100	210+10 210+10
-103. ..-27	p п	800+100 700+100	225+10 230+10
-123...-73	p п	650 + 50 550 + 50 или 7200+100*	235 + 5 245 + 5 или 90 + 5*

На рис. 3.28 приведено распределение температуры по каска­дам пятикаскадной термобатареи с холодопроизводительностью 1 Вт, потребляемая мощность составляет 240 Вт, рабочий ток 300 А. К недостаткам термобатарей следует отнести: низкий КПД (30% для однокаскадной батареи; 12% для двухкаскадной, 3% для трехкаскадной и 0,013% для десятикаскадной); большую массу; сравнительно небольшую механическую прочность (если элементы соединены только с помощью медных шин); довольно большую постоянную време­ни.

Рис. 3.26. Конструкция термоэлектрической батареи:1—теплопереходы; 2 — термоэлементы;3— «холодная» площадка; 4—токопод-воды; 5 — радиатор

Рис. 3.27. Зависимость перепада температуры и удельной массы т от числа каскадов N термобатареи

Плотность теплового по­тока через термобатареи не должна превышать 10 Вт/см². Одним из важнейших преиму­ществ термобатарей является возможность получения тем­пературы ниже температуры окружающей среды. Это по­зволяет применять термобата­реи, например, для снижения темнового тока в чувствитель­ных элементах передающих телевизионных трубок на при­борах с зарядовой связью

Рис. 3.28. Распределение температуры по каскадам пятикаскадной термобатареи холодопроизводительностью Q₀ = 1 Вт относительно температуры окружающей среды