Презентация на тему «Твердотельные методы охлаждения – технологии XXI века»

Твердотельные методы охлаждения – технологии XXI века

Л.П. Булат Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

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).

Постановка задачи

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

Твердотельные методы охлаждения

Термоэлектрическое – активно используется Электрокалорическое Магнитокалорическое

Термоэлектрическое охлаждение

Термостабилизация в фото- и микроэлектронике

Для систем телекоммуникаций (охлаждение лазеров)

Эффект Пельтье

Пикник-боксы

Термостабилизация сиденья водителя Комфортное персональное охлаждение

Охладитель для фруктов

Кроватка для кошки

Термоэлектрическое охлаждение

Эффективность определяется добротностью ZT = T??2/? С 1950 до 2000 ZT выросло с 0.75 до 1.0 За последние годы ZT выросло в разы

Новые термоэлектрические наноматериалы

Нанотехнологии принципиально расширяют применения термоэлектрического охлаждения

Электрокалорический эффект

E > 0

E = 0

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

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

p

p

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.)

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

ЭК охладитель с тепловыми ключами Пельтье

Термоэлектрические ключи

CЭ конденсатор

Теплоприемник

Охлаждаемый объект

ЭК и эффективность охладителя

1.6

350

?5

2.5

157

14

1.7

350

18

1.6

155

15

5

372

75

90

432

34

2.6

500

161

3

224

21

12

330

220

78

596

54

0.5

310

23

2.4

21

6

Материал

0.95 PST- 0.05PbSc0.5Sb0.5

0.85Pb(MgNbO3 –0.15PbTiO3

0.90pb(mgnb) –0.10pbtio3 тонкая пленка

PZST 75/20/5

Pbzr0.95ti0.05O3 тонкая пленка

0,87Pb(MgNb)O3 – 0,13PbTiO3

?ECE (K)

c Дж/ кг K

?C (?C)

E кВ/мм

Wtot мДж cm?3 при изм. на 10 ?C

?/?Carnot (%)

16

Для уменьшения электрических напряжений – тонкие пластины и пленки

100мкм – 100нм При сохранении гигантских напряженностей электрические напряжения остаются сравнительно небольшими.

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

?T = 40 K U = 3 В T = 45оC h = 0.45 мкм

Полимерная пленка

Магнитокалорический эффект

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

Максимальные значения магнитокалорического охлаждения

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).

Магнитоэлектрические охладители

Холодильник с вращающимся магнитным колесом на основе МКЭ материалов EuNi2(Si,Ge)2 Gd5(Si1.72Ge2.28) MnFeP0.45As0.55

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.

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.

Недостатки

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

Спасибо за внимание

Развитие всех трех твердотельных методов охлаждения связано с нанотехнологиями