Твердотельные методы охлаждения –

технологии XXI векаЛ.П. Булат

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Компрессионные машиныКомпрессионные машины

Экологические проблемы: Экологические проблемы: Глобальное потеплениеГлобальное потепление Разрушение озонового слояРазрушение озонового слоя Проблема термостабилизации в фото- Проблема термостабилизации в фото-

и микроэлектроникеи микроэлектронике массогабариты, массогабариты, долговечность, долговечность, надежность.надежность. Микроминиатюризация – отвод тепла Микроминиатюризация – отвод тепла

до 1кВт/смдо 1кВт/см22 ( (spot coolingspot cooling).).

Постановка задачиПостановка задачи

Нужны иные принципы охлажденияНужны иные принципы охлаждения Альтернатива – твердотельное Альтернатива – твердотельное

охлаждение. охлаждение.

Через 20 лет уже не будут Через 20 лет уже не будут использоваться компрессорыиспользоваться компрессоры

Твердотельные методы Твердотельные методы охлажденияохлаждения

Термоэлектрическое – активно Термоэлектрическое – активно используется используется

ЭлектрокалорическоеЭлектрокалорическое МагнитокалорическоеМагнитокалорическое

Термоэлектрическое охлаждениеТермоэлектрическое охлаждение Термостабилизация в Термостабилизация в

фото- и фото- и микроэлектроникемикроэлектронике

Для систем Для систем телекоммуникацийтелекоммуникаций

(охлаждение лазеров)(охлаждение лазеров)

Эффект Пельтье

Пикник-боксыПикник-боксы

Термостабилизация сиденья водителя

Комфортное персональное охлаждение

Охладитель для фруктов Кроватка для кошки

Термоэлектрическое охлаждениеТермоэлектрическое охлаждение

Эффективность определяется добротностью Эффективность определяется добротностью ZTZT = = TTσασα22//κκ

С 1950 до 2000 С 1950 до 2000 ZTZT выросло с 0.75 до 1.0 выросло с 0.75 до 1.0 За последние годы За последние годы ZTZT выросло в разы выросло в разы

ZT~3.5 @ 575 Kquantum dot superlattice (MBE)

n-type, PbSeTe/PbTe [Harman, MIT-LL, J. Elec.Mat. 2000].

ZT~2.4 @ 300 Ksuperlattice (CVD)

p-type, Bi2Te3/Sb2Te3

[Venkatasubramanian, RTI/Nextreme, 2001].

ZT~2.2 @ 800 Kbulk – ‘natural’ nanodots

n-type, AgSbTe2-PbTe (aka ‘LAST’)[Kanatzidis, Northwestern, 2004]

Новые термоэлектрические Новые термоэлектрические наноматериалынаноматериалы

ZT~1.4 @ 373 Kbulk – fine grain

p-type, (Bi,Sb)2Te3

[15 authors, BC/MIT/GMZ Energy/Nanjing University, 2008].

Нанотехнологии принципиально расширяют применения термоэлектрического охлаждения

E = 0 E > 0

p p

S(E = 0) > S(E>0)

В адиабатических условиях (TdS = 0) полевое изменение энтропии сопровождается электрокалорическим нагревом или охлаждением диэлектрика

Электрокалорический эффектЭлектрокалорический эффект

Диэлектрические свойстваДиэлектрические свойства сегнетоэлектриков сегнетоэлектриков

Исследование ЭКЭ в сегнетоэлектриках:• A. И. Курчатов, П. Кобеко (1930 г.)

• Б. Струков (1962 – 1966 г.г.)• E. Hegenbarth (1961 – 1969 г.г.)

• A. Kikuchi, E. Sawaguchi (1963 –1966 г.г.)• W. Lawless (1970 – 1990 г.г.)

Электрокалорический холодильникЭлектрокалорический холодильник

1 – сегнетоэлектрические 1 – сегнетоэлектрические пластиныпластины

2; 3 – одинаковые активные 2; 3 – одинаковые активные блокиблоки

4 – трубки для 4 – трубки для теплоносителятеплоносителя

5 – охлаждаемая камера5 – охлаждаемая камера6 – теплообменники 6 – теплообменники 7 – тепловой ключ7 – тепловой ключ

В.М.Бродянский и др.В.М.Бродянский и др.1979-19951979-1995

Охлажд. объект

СЭ конденсатор

Теплоприемник

n p

n p

Термоэлектрическиеключи

Охлаждаемый объект

Теплоприемник

CЭ конденсатор

ЭК охладитель с тепловыми ключами Пельтье

16

МатериалМатериал θθECEECE

(K)(K)ccДжДж//кг кг KK

θθCC

(◦C)(◦C)EEкВкВ//мммм

WWtottot мДжмДж cm cm−3−3

при при изм. на изм. на 10 10 ◦C◦C

η/ηη/ηCarnotCarnot

(%) (%)

0.950.95 PST-PST- 0.05PbSc0.05PbSc0.50.5SbSb0.50.5

1.61.6 350350 −−55 2.52.5 157157 1414

0.85Pb(MgNbO0.85Pb(MgNbO33 ––0.15PbTiO0.15PbTiO33

1.71.7 350350 1818 1.61.6 155155 1515

0.90Pb(MgNb)0.90Pb(MgNb) ––0.10PbTiO0.10PbTiO33

тонкая пленкатонкая пленка

55 372372 7575 9090 432432 3434

PZST 75/20/5PZST 75/20/5 2.62.6 500500 161161 33 224224 2121

PbZrPbZr0.950.95TiTi0.050.05OO33

тонкая пленкатонкая пленка1212 330330 220220 7878 596596 5454

0,87Pb(MgNb)O0,87Pb(MgNb)O33 – – 0,13PbTiO0,13PbTiO33

0.50.5 310310 2323 2.42.4 2121 66

ЭК и эффективность охладителя

Для уменьшения электрических Для уменьшения электрических напряжений напряжений – – тонкиетонкие пластины и пластины и пленки 100мкм – 100нм пленки 100мкм – 100нм

При сохранении гигантских При сохранении гигантских напряженностей электрические напряженностей электрические напряжения остаются сравнительно напряжения остаются сравнительно небольшими.небольшими.

ЭК эффект ∆Т=12К на пленках ЭК эффект ∆Т=12К на пленках PbZrPbZr0.950.95TiTi0.050.05OO33

толщиной 350 нм вблизи толщиной 350 нм вблизи TTcc==242°242°CC

∆∆Т=5К при напряжении 25В на пленках Т=5К при напряжении 25В на пленках толщиной 260нм из толщиной 260нм из

0.90.9PbMgPbMg1/31/3NbNb2/32/3OO33–0.1–0.1PbTiOPbTiO33 вблизи вблизи TTcc== 60° 60°CC. .

Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. W., Mathur N. D. Science, 3 March 2006. W., Mathur N. D. Science, 3 March 2006.

Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. W., Mathur N. D. Appl. Phys. Lett. 2006. W., Mathur N. D. Appl. Phys. Lett. 2006.

Scott J. F.Scott J. F. Science, 16 February 2007Science, 16 February 2007

ΔΔT = T = 40 40 KK U = U = 3 В3 В T = T = 4545ооCC h = 0.45 h = 0.45 мкммкм

Полимерная пленка

Магнитокалорический эффектМагнитокалорический эффект

Изменение температуры пара- или Изменение температуры пара- или ферромагнетика при адиабатическом ферромагнетика при адиабатическом изменении напряженности магнитного изменении напряженности магнитного поля. поля.

Физическая природа – переориентация Физическая природа – переориентация доменов в магнитном поле.доменов в магнитном поле.

Максимальные значения Максимальные значения магнитокалорического охлаждениямагнитокалорического охлаждения

Проблемы:Проблемы: Сильные магнитные поля – габариты и Сильные магнитные поля – габариты и

вес вес Новые магнитные нанокомпозиты – Новые магнитные нанокомпозиты –

снижение магнитных полейснижение магнитных полей

Прошли три международные Прошли три международные конференции по магнитному конференции по магнитному охлаждению при комнатной охлаждению при комнатной температуре (2005; 2007; 2010).температуре (2005; 2007; 2010).

Постоянный магнит

Горячий и холодный радиаторы

«Магнитное»

колесо

Mагнито-проводник

Gd5(SiхGe1-х)4

Магнитоэлектрические охладители

Холодильник с

вращающимся

магнитным

колесом на

основе МКЭ

материалов

EuNi2(Si,Ge)2

Gd5(Si1.72Ge2.28)

MnFeP0.45As0.55

Преимущества твердотельного Преимущества твердотельного охлажденияохлаждения

Экологическая чистотаЭкологическая чистота Высокая плотность – удельное изменение Высокая плотность – удельное изменение

энтропии в твердых телах в 6 – 8 раз выше, энтропии в твердых телах в 6 – 8 раз выше, чем в газе – резкое сокращение габаритов. чем в газе – резкое сокращение габаритов.

ЭК и МК методы – охлаждение в широком ЭК и МК методы – охлаждение в широком интервале температур ниже и выше интервале температур ниже и выше комнатной. комнатной.

Высокая эффективность ЭК и МК систем – Высокая эффективность ЭК и МК систем – нагрев и охлаждение практически обратимые нагрев и охлаждение практически обратимые термодинамические циклы в отличие от термодинамические циклы в отличие от сжатия и расширения пара. сжатия и расширения пара.

Удобство и простота эксплуатации и Удобство и простота эксплуатации и отсутствие сервисного обслуживания.отсутствие сервисного обслуживания.

Бесшумность.Бесшумность. Независимость от ориентации в Независимость от ориентации в

пространстве.пространстве. Легкость и удобство дистанционного Легкость и удобство дистанционного

управления.управления. Возможность использования гибридных Возможность использования гибридных

систем, когда в одном технологическом цикле систем, когда в одном технологическом цикле изготавливаются охладитель и изготавливаются охладитель и функциональная электронная схема.функциональная электронная схема.

НедостаткиНедостатки

Высокая стоимость используемых Высокая стоимость используемых материалов. материалов.

Технологическая сложность Технологическая сложность изготовления. изготовления.

Технология отрабатывается при Технология отрабатывается при серийном производстве. серийном производстве.

Спасибо за вниманиеСпасибо за внимание

Развитие всех трех твердотельных Развитие всех трех твердотельных методов охлаждения связано с методов охлаждения связано с нанотехнологияминанотехнологиями