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

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

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

Твердотельные методы охлаждения Термоэлектрическое – активно используется Термоэлектрическое – активно используется Электрокалорическое Электрокалорическое Магнитокалорическое Магнитокалорическое

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

Пикник-боксы

Термостабилизация сиденья водителя Комфортное персональное охлаждение

Охладитель для фруктовКроватка для кошки

Термоэлектрическое охлаждение Эффективность определяется добротностью ZT = Tσα 2 /κ Эффективность определяется добротностью ZT = Tσα 2 /κ С 1950 до 2000 ZT выросло с 0.75 до 1.0 С 1950 до 2000 ZT выросло с 0.75 до 1.0 За последние годы ZT выросло в разы За последние годы ZT выросло в разы 575 K quantum dot superlattice (MBE) n-type, PbSeTe/PbTe [Harman, MIT-LL, J. Elec.Mat. 2000]. 300 K superlattice (CVD) p-type, Bi 2 Te 3 /Sb 2 Te 3 [Venkatasubramanian, RTI/Nextreme, 2001]. 800 K bulk – natural nanodots n-type, AgSbTe 2 -PbTe (aka LAST) [Kanatzidis, Northwestern, 2004]

Новые термоэлектрические наноматериалы 373 K bulk – fine grain p-type, (Bi,Sb) 2 Te 3 [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 эффект

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

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

16 Материал θ ECE (K)c Дж/ кг K θ C (C)E кВ/мм W tot мДж cm 3 при изм. на 10 C η/η Carnot (%) 0.95 PST- 0.05PbSc 0.5 Sb Pb(MgNbO 3 – 0.15PbTiO Pb(MgNb) – 0.10PbTiO 3 тонкая пленка PZST 75/20/ PbZr 0.95 Ti 0.05 O 3 тонкая пленка ,87Pb(MgNb)O 3 – 0,13PbTiO ЭК и эффективность охладителя

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

ЭК эффект Т=12К на пленках PbZr 0.95 Ti 0.05 O 3 толщиной 350 нм вблизи T c =242°C ЭК эффект Т=12К на пленках PbZr 0.95 Ti 0.05 O 3 толщиной 350 нм вблизи T c =242°C Т=5К при напряжении 25В на пленках толщиной 260нм из Т=5К при напряжении 25В на пленках толщиной 260нм из 0.9PbMg 1/3 Nb 2/3 O 3 –0.1PbTiO 3 вблизи T c = 60°C. Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. W., Mathur N. D. Science, 3 March Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. W., Mathur N. D. Science, 3 March Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. W., Mathur N. D. Appl. Phys. Lett Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. W., Mathur N. D. Appl. Phys. Lett Scott J. F. Science, 16 February 2007 Scott J. F. Science, 16 February 2007

ΔT = 40 K ΔT = 40 K U = 3 В U = 3 В T = 45 о C T = 45 о C h = 0.45 мкм h = 0.45 мкм Полимерная пленка

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

Максимальные значения магнитокалорического охлаждения

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

Постоянный магнит Горячий и холодный радиаторы «Магнитное» колесо Mагнито- проводник Gd 5 (Si х Ge 1-х ) 4 Магнитоэлектрические охладители Холодильник с вращающимся магнитным колесом на основе МКЭ материалов EuNi 2 (Si,Ge) 2 Gd 5 (Si 1.72 Ge 2.28 ) MnFeP 0.45 As 0.55

Преимущества твердотельного охлаждения Экологическая чистота Экологическая чистота Высокая плотность – удельное изменение энтропии в твердых телах в 6 – 8 раз выше, чем в газе – резкое сокращение габаритов. 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. 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. 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. Удобство и простота эксплуатации и отсутствие сервисного обслуживания. Бесшумность. Бесшумность. Независимость от ориентации в пространстве. Независимость от ориентации в пространстве. Легкость и удобство дистанционного управления. Легкость и удобство дистанционного управления. Возможность использования гибридных систем, когда в одном технологическом цикле изготавливаются охладитель и функциональная электронная схема. Возможность использования гибридных систем, когда в одном технологическом цикле изготавливаются охладитель и функциональная электронная схема.

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

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