Твердотельные методы охлаждения

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 фотои 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 = Tσα2/κ
 С 1950 до 2000 ZT выросло с 0.75 до 1.0
 За последние годы ZT выросло в разы

ZT~3.5 @ 575 K
quantum dot superlattice (MBE)
n-type, PbSeTe/PbTe
[Harman, MIT-LL, J. Elec.Mat. 2000].
ZT~2.4 @ 300 K
superlattice (CVD)
p-type, Bi2Te3/Sb2Te3
[Venkatasubramanian, RTI/Nextreme,
2001].
ZT~2.2 @ 800 K
bulk – ‘natural’ nanodots
n-type, AgSbTe2-PbTe (aka ‘LAST’)
[Kanatzidis, Northwestern, 2004]
Новые термоэлектрические
наноматериалы
ZT~1.4 @ 373 K
bulk – fine grain
p-type, (Bi,Sb)2Te3
[15 authors, BC/MIT/GMZ
Energy/Nanjing University, 2008].
Нанотехнологии
принципиально расширяют
применения
термоэлектрического
охлаждения
Электрокалорический эффект
E=0
p
E>0
p
S(E = 0) > S(E>0)
В адиабатических условиях (TdS = 0) полевое
изменение энтропии сопровождается
электрокалорическим нагревом или
охлаждением диэлектрика
Диэлектрические свойства
сегнетоэлектриков

12000
8000
(Ba0.45,Sr0.55)TiO3
CK/(T - TC)
2CK/(TC - T)
4000
0
0
100
200
300 T, K
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
Охлаждаемыйобъект
объект
Охлажд.
n
Термоэлектрические
ключи
p
СЭ
конденсатор
CЭ конденсатор
n
p
Теплоприемник
Теплоприемник
ЭК и эффективность охладителя
Материал
θECE
(K)
c
Дж/
кг K
θC
(◦C)
E
кВ/мм
Wtot
η/ηCarnot
(%)
мДж cm−3
при изм. на 10
◦C
0.95 PST0.05PbSc0.5Sb0.5
1.6
350
−5
2.5
157
14
0.85Pb(MgNbO3 –
0.15PbTiO3
1.7
350
18
1.6
155
15
0.90Pb(MgNb) –
0.10PbTiO3
тонкая пленка
5
372
75
90
432
34
PZST 75/20/5
2.6
500
161
3
224
21
PbZr0.95Ti0.05O3
тонкая пленка
12
330
220
78
596
54
0,87Pb(MgNb)O3 –
0,13PbTiO3
0.5
310
23
2.4
21
6
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
 ΔT
= 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
Постоянный
магнит
Горячий и холодный
радиаторы
Gd5(SiхGe1-х)4
«Магнитное»
Холодильник с
вращающимся
магнитным
колесом на
основе МКЭ
материалов
колесо
Mагнитопроводник
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.
 Развитие
всех трех твердотельных
методов охлаждения связано с
нанотехнологиями
Спасибо за внимание