Эффект термоэлектрического охлаждения был впервые обнаружен и описан в 1834 году Жаном Пельтье. Это явление заключается в том, что при протекании через электрическую цепь, составленную из разнородных проводников постоянного электрического тока, в месте соединения проводников поглощается или выделяется некоторое количество тепла и, соответственно, это место цепи охлаждается или нагревается в зависимости от направления тока.
Жан Шарль Атаназ Пельтье
Последующие работы исследователей, пытавшихся объяснить природу явления Пельтье, показали, что количество поглощенного в месте соединения тепла пропорционально силе тока, времени его протекания и некоторому коэффициенту, зависящему от физико-химических свойств материала проводников цепи. При этом роль хладагента в термоэлектрической холодильной машине играет электронно-дырочный газ полупроводников.
Современные исследования в области термоэлектричества
Современные исследования в области термоэлектричества начались в середине прошлого столетия с работ Абрама Федоровича Иоффе, который показал, что лучшими материалами для термоэлектрических преобразователей энергии (термоэлектриками) являются полупроводники с примесями атомов других элементов.
Абрам Федорович Иоффе
Он также предложил использовать термоэлектричество для создания холодильных машин совершенно иного типа – на твердотельной основе. Такие холодильники не имеют движущихся элементов и способны работать практически неограниченное время. Положения Иоффе инициировали активные дальнейшие работы в этом направлении.
Первая лабораторная модель бытового термоэлектрического холодильника с водяным охлаждением горячих спаев термобатареи, с объемом холодильной камеры 20 л, была создана в 1953–1954 гг. и демонстрировалась на первой Всесоюзной конференции по полупроводникам в 1955 г. в Ленинграде.
В 1955 г. на базе камеры промышленного абсорбционного холодильника «Ленинград» была создана модель термоэлектрического холодильника с воздушным охлаждением. Статья академика Иоффе, Стильбанса, Иорданишвили, Федоровича «Термоэлектрический холодильник» с подробным описанием этого холодильника была опубликована в 1956 г. в журнале «Холодильная техника».
Первый в мире бытовой термоэлектрический холодильник
Аналогичная модель была создана в 1956 г. уже на базе холодильной камеры «Тамбов» (120 л), хотя конкурентоспособность термоэлектричества при таких объемах охлаждения была весьма проблематична.
Серийное производство термоэлектрических холодильников под маркой «Морозко» было организовано в г. Великие Луки. Аппараты стали поступать в продажу с 1956 года, их можно было устанавливать на полу или на столе и подвешивать на стене.
Термоэлектрические холодильники не получили широкого распространения из-за небольших размеров и ограниченного спроса. По экономичности они значительно проигрывали абсорбционным и компрессионным аналогам.
К 50-м годам также относится создание первых действующих макетных образцов термоэлектрических криомедицинских приборов.
В период с 1957 по 1965 гг. были проведены исследования всех известных в то время полупроводников, полуметаллов и сплавов, обнаружены лучшие материалы для термоэлектрического охлаждения: теллуриды висмута и свинца, сплавы висмут–сурьма. Была проделана огромная теоретическая работа, построены модели, очень хорошо описывающие существующие материалы. Однако даже лучшие материалы не позволяли создавать холодильные системы достаточной эффективности.
В 21 веке вновь происходит очевидное оживление в области термоэлектрического охлаждения. Недавние исследования по созданию и поиску материалов для термоэлектриков дают основание в ближайшем будущем ожидать существенного увеличения эффективности термоэлектрических холодильных машин.
Преимущества термоэлектрического охлаждения
Возрождение интереса к применению термоэлектрического охлаждения в настоящее время связано также с экологическими проблемами, возникающими при использовании традиционных методов получения холода (разрушение озонового слоя, парниковый эффект и т. д.). Термоэлектрические холодильники абсолютно безопасны с экологической точки зрения, не имеют изнашивающихся и трущихся элементов, а значит бесшумны в работе, характеризуются отсутствием вибраций, не требуют штатных устройств очистки рабочих тел, способны устойчиво работать длительное время.
Термоэлектрические преобразователи энергии имеют и другие преимущества:
возможность не только охлаждения, но и нагрева;
исключительная надежность компонентов, вырабатывающих холод;
возможность очень быстрого охлаждения;
высокая точность регулировки температуры и возможность термостатирования путем изменения тока питания;
независимость параметров термоэлектрических модулей от силы
тяжести и ориентации в пространстве, а также малая чувствительность к высоким механическим нагрузкам;
отсутствие необходимости в техническом обслуживании.
Немного теории: термоэлектрические эффекты
Работа термоэлектрических холодильных базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны, как с превращением тепловой энергии в электрическую, так и с превращением энергии электрического тока в холод.
Эффект Зеебека
Эффект Зеебека состоит в том, что если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Тг (горячий спай), а на другом температуру Тх (холодный спай), то при условии Тг Тх на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток.
Эффект Пельтье
Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока). Когда электроны переходят из материала p-типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай).
Эффект Томсона
Эффект Томсона состоит в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создан градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты. Физическая причина данного эффекта связана с тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. Тогда на горячем спае электроны приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие чего возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На горячем конце накапливается положительный заряд, на холодном – отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов совсем его останавливает. Аналогично протекают вышеописанные явления и в веществах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце накапливается отрицательный заряд, а на холодном – положительно заряженные дырки. Поэтому в веществах со смешанной проводимостью эффект Томсона оказывается несущественным.
Взаимосвязь между рассматриваемыми термоэлектрическими эффектами представлена на рисунке.
Термоэлектрические эффекты: а – эффект Зеебека; б – эффект Пельтье
