Твердотельные методы охлаждения – технологии XXI века

1. Твердотельные методы охлаждения – технологии XXI века Л.П.Булат Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

2. Компрессионные машины • Экологические проблемы: • Глобальное потепление • Разрушение озонового слоя • Проблема термостабилизации в фото- и микроэлектронике • массогабариты, • долговечность, • надежность. • Микроминиатюризация – отвод тепла до 1кВт/см2 (spot cooling).

3. Нужны иные принципы охлаждения Альтернатива – твердотельное охлаждение. Через 20 лет уже не будут использоваться компрессоры Постановка задачи

4. Твердотельные методы охлаждения • Термоэлектрическое – активно используется • Электрокалорическое • Магнитокалорическое

5. Термоэлектрическое охлаждение • Термостабилизация в фото- и микроэлектронике Для систем телекоммуникаций (охлаждение лазеров) Эффект Пельтье

6. Пикник-боксы

8. Термостабилизация сиденья водителя Комфортное персональное охлаждение

9. Охладитель для фруктов Кроватка для кошки

10. ZT~2.4 @ 300 Ksuperlattice (CVD)p-type, Bi2Te3/Sb2Te3 [Venkatasubramanian, RTI/Nextreme, 2001]. ZT~3.5 @ 575 Kquantum dot superlattice (MBE)n-type, PbSeTe/PbTe[Harman, MIT-LL, J. Elec.Mat. 2000]. ZT~2.2 @ 800 Kbulk – ‘natural’ nanodots n-type, AgSbTe2-PbTe (aka ‘LAST’)[Kanatzidis, Northwestern, 2004] Термоэлектрическое охлаждение • Эффективность определяется добротностью ZT = Tσα2/κ • С 1950 до 2000 ZT выросло с 0.75 до 1.0 • За последние годы ZT выросло в разы

11. ZT~1.4 @ 373 Kbulk – fine grainp-type, (Bi,Sb)2Te3 [15 authors, BC/MIT/GMZ Energy/Nanjing University, 2008]. Новые термоэлектрические наноматериалы Нанотехнологии принципиально расширяют применения термоэлектрического охлаждения

12. Электрокалорический эффект E > 0 E = 0 p p S(E = 0) > S(E>0) В адиабатических условиях (TdS = 0) полевое изменение энтропии сопровождаетсяэлектрокалорическим нагревом или охлаждением диэлектрика

13. Диэлектрические свойства 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.)

14. Электрокалорический холодильник 1 – сегнетоэлектрические пластины 2; 3 – одинаковые активные блоки 4 – трубки для теплоносителя 5 – охлаждаемая камера 6 – теплообменники 7 – тепловой ключ В.М.Бродянский и др. 1979-1995

15. ЭК охладитель с тепловыми ключами Пельтье Охлаждаемый объект Термоэлектрические ключи CЭ конденсатор Теплоприемник

16. ЭК и эффективность охладителя 16

17. Для уменьшения электрических напряжений – тонкиепластины и пленки 100мкм – 100нм • При сохранении гигантских напряженностей электрические напряжения остаются сравнительно небольшими.

18. ЭК эффект ∆Т=12К на пленках PbZr0.95Ti0.05O3 толщиной 350 нм вблизи Tc=242°C • ∆Т=5К при напряжении 25В на пленках толщиной 260нм из 0.9PbMg1/3Nb2/3O3–0.1PbTiO3 вблизи Tc= 60°C. • Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. W., Mathur N. D. Science, 3 March 2006. • Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. W., Mathur N. D. Appl. Phys. Lett. 2006. • Scott J. F.Science, 16 February 2007

19. ΔT = 40 K • U = 3 В • T = 45оC • h = 0.45 мкм Полимерная пленка

20. Магнитокалорический эффект • Изменение температуры пара- или ферромагнетика при адиабатическом изменении напряженности магнитного поля. • Физическая природа – переориентация доменов в магнитном поле.

21. Максимальные значения магнитокалорического охлаждения

22. Проблемы: • Сильные магнитные поля – габариты и вес • Новые магнитные нанокомпозиты – снижение магнитных полей • Прошли три международные конференции по магнитному охлаждению при комнатной температуре (2005; 2007; 2010).

23. Горячий и холодный радиаторы Постоянный магнит Gd5(SiхGe1-х)4 «Магнитное» колесо Mагнито-проводник Магнитоэлектрические охладители Холодильник с вращающимся магнитным колесом на основе МКЭ материалов EuNi2(Si,Ge)2 Gd5(Si1.72Ge2.28) MnFeP0.45As0.55

24. Преимущества твердотельного охлаждения • Экологическая чистота • Высокая плотность – удельное изменение энтропии в твердых телах в 6 – 8 раз выше, чем в газе – резкое сокращение габаритов. • ЭК и МК методы – охлаждение в широком интервале температур ниже и выше комнатной. • Высокая эффективность ЭК и МК систем – нагрев и охлаждение практически обратимые термодинамические циклы в отличие от сжатия и расширения пара.

25. Удобство и простота эксплуатации и отсутствие сервисного обслуживания. • Бесшумность. • Независимость от ориентации в пространстве. • Легкость и удобство дистанционного управления. • Возможность использования гибридных систем, когда в одном технологическом цикле изготавливаются охладитель и функциональная электронная схема.

26. Недостатки • Высокая стоимость используемых материалов. • Технологическая сложность изготовления. • Технология отрабатывается при серийном производстве.

27. Спасибо за внимание • Развитие всех трех твердотельных методов охлаждения связано с нанотехнологиями