Твердотельные методы охлаждения – технологии XXI века презентация

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

Пикник-боксы

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

Новые термоэлектрические наноматериалы

Электрокалорический эффект

Диэлектрические свойства сегнетоэлектриков

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

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.

ЭК эффект ∆Т=12К на пленках PbZr0.95Ti0.05O3 толщиной 350 нм вблизи Tc=242°C 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

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: 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).

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. 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