Получение холода при помощи «холодильного чипа»

В 1998 г. в США запатентован так называемый холодильный чип. В основе его работы лежит принцип термоионного охлаждения, опи­рающийся на два изобретения XVIII и XIX вв., на первый взгляд со­вершенно не связанные друг с другом. Первое изобретение — это хо­лодильная машина Уильяма Каллена, производящая холод за счет откачивания паров воды. Второе изобретение — вакуумный диод. Вме­сто традиционного рабочего вещества в виде атомно-молекулярных жидкостей (хладонов) в термоионном охладителе в качестве хладаген­та выступает «электронный газ».

Катод и анод, разделенные вакуумной прослойкой, — это аналоги испарителя и конденсатора холодильной машины. Если к электродам приложить напряжение, то электроны, «испаряющиеся» из катода, на­чинают переносить теплоту от охлаждаемого тела к аноду и, таким об­разом, наблюдается эффект охлаждения. Ширина зазора между элек­тродами должна быть меньше длины свободного пробега электрона. В этом случае электрон преодолевает барьер, не теряя энергию, что обеспечивает высокую интенсивность охлаждения.

Обычный вакуумный диод использовать для охлаждения нельзя. Расстояние между катодом и анодом здесь порядка тысяч микрон, и материалы, из которых сделаны электроды, переносить на такие рас­стояния поток электронов при комнатной температуре не в состоянии.

Современные достижения микроэлектроники позволяют создать микросхему, включающую как анод с катодом с минимальным зазо­ром между ними (около одного микрона), так и внешнюю структуру охлаждающего устройства, обеспечивающую хороший тепловой кон­такт с объектом охлаждения. Это и есть Cool Chip «холодильный кри­сталл», или, выражаясь компьютерным языком, «холодильный чип». Переход холодильной техники к таким кристаллам по своему значе­нию сопоставим с переходом от ламповых транзисторов к интеграль­ным микросхемам.

История термоионного охлаждения насчитывает всего несколько лет, но уже полна своего внутреннего драматизма. Впервые идея тер­моионного охлаждения была высказана в 1994 г. американским физи­ком профессором Д. Маханом. Раскрывая физический механизм дан­ного явления, он пришел к выводу, что «такого не может быть, потому что такого не может быть никогда». В природе не существовало ве­ществ, которые легко бы отдавали электроны при комнатных темпера­турах. Однако в том же году пессимизм в отношении перспектив термо­ионного охлаждения пропал. На XIII международной конференции по термоэлектричеству речь зашла о получении полупроводниковых материалов с желаемой работой выхода. К настоящему времени груп­пы исследователей в Европе, США и Японии уже получили компози­ции полупроводниковых материалов, работа выхода которых вполне приемлема для целей термоионного охлаждения. Число публикаций по этим исследованиям стремительно растет.

Своим собственным путем пошли английские исследователи, син­тезируя органические микроциклические соединения с малой работой выхода.

Определенный вклад в исследования полупроводниковых матери­алов внесли и украинские ученые из Физико-химического института АН Украины, которые давно занимаются исследованием аналогичных веществ. Замешанная на экономической выгоде конкуренция двух на­званных направлений в получении материалов для термоионного охла­дителя придает дополнительную интригу и динамику исследованиям.

Конкретные технические детали и готовность отдельных этапов ра­бот фирмами на настоящий момент не разглашаются по соображени­ям сохранения коммерческой тайны. Предполагалось, что промыш­ленный образец термоионного охладителя может появиться в конце 2000 г. Согласно теоретическим оценкам, энергетическая эффектив­ность этого типа охладителей ожидалась в 1,5-2,5 раза выше, чем у компрессионных систем.

Предполагается, что охлаждающее устройство (испаритель) домаш­него холодильника объемом 200 дм3 на холодильных чипах должно состоять из 25 кристаллов, каждый из которых обеспечит холодопро­изводительность около 3 Вт/см2.

До настоящего времени привлекательная идея «холодильных чипов» не получила практической реализации, однако способ перспективен. Если появится возможность обеспечить посредством «холодильных чипов» высокую холодопроизводительность, можно предположить, что он найдет широкое практическое применение.

[1] Система стандартов безопасности труда. Системы холодильные холодо — производительностью свыше 3,0 кВт. Требования безопасности.

[2] Перевод холодильного оборудования, работающего на озоноразруша — ющих хладагентах, на альтернативные хладагенты получил название «ретро­фит».

[3] Семенюк В. А. Термоэлектрическое охлаждение: состояние и перспекти­вы//Холодильная техника и технология. 2000. Вып. 62; Филин С. О. Фреоны: быть или не быть? Щецинская политехника (Польша), Ж. «ХБ» № 5/2001.

Posted in Холодильная техника


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *