CC BY
10
БОТ: 10.15587/2312-8372.2017.105655
ДОСЛ1ДЖЕННЯ РОБОТИ АН1ЗОТРОПНОГО ОПТИКОТЕРМОЕЛЕ-МЕНТА З БОКОВИМ ТЕРМОСТАТУВАННЯМ
Хабюк А. Я., Даналакiй О. Г.
1. Вступ
Широке використання термоелектричних приладiв в якостi джерел електрично1 енерги, охолоджувачiв та приладiв вимiрювальноl технiки обумовлене !х надiйнiстю, високим ресурсом роботи, здатшстю працювати в екстремальних умовах, екологiчною чистотою. Термоелектричш прилади використовуються в космiчнiй i обороннiй технiцi, метрологи, електронiцi, медицинi та iн.
Основою бiльшостi термоелектричних приладiв е напiвпровiдниковий термопарний елемент, який поряд з позитивними якостями мае i недолжи, що перешкоджають подальшому прогресу в розвитку термоелектрики. До принципових недолтв термопарного елемента слщ вiднести неефективну участь його об'ему при термоелектричному перетворенш енергй, проблеми комутаци, обмеження в добротностi використовуваних матерiалiв. Тому подальший розвиток термоелектрики шляхом пошуку напiвпровiдникових матерiалiв з бiльшою добротнiстю на сьогодш уже себе практично вичерпав.
Прогрес в термоелектрищ можливий за умови впровадження нових термоелеменпв (ТЕ), як б переважали можливостi термопарних елеменпв. Серед нових перспективних ТЕ е вихровi ТЕ з унiкальними властивостями, яю основанi на використаннi ефекта вихрових термоелектричних струмiв (ВТС). Можна вказати, зокрема, на сшральш вихровi термоелементи, у яких розв'язана проблема комутацй та одержання необхiдних напруг [1, 2].
Однак елементна база термоелектрики потребуе поповнення за рахунок створення нових тишв термоелемеш!в на основi вщомих термоелектричних явищ та явищ, якi ще недостатньо вивчеш. До вiдомих явищ, механiзми виник-нення яких вивченi, але на основi яких не створено ТЕ, можна вщнести, напри-клад, об'емш ефекти Пельтье та Бриджмена. Актуальними е дослiдження мож-ливостей створення ашзотропних оптикотермоелементiв (АОТЕ) на цих ефек-тах на основi юнуючих та гiпотетичних матерiалiв, а також вивчення глибини !х охолодження. Такi дослiдження могли б привести до створення АОТЕ для охо-лодження або стабшзаци температури рiзного роду мiкросенсорiв та приладiв мшроелектронно1 техшки i вiдрiзнялись бiльш простою конструкщею в порiв-няннi з вщомими ТЕ. До недостатньо вивчених явищ з погляду практичного застосування можна вщнести ишкеИг-ефект, ефект ВТС, ефект впливу ашзотро-пil теплопровiдностi на поперечну термоЕРС.
Поглиблене вивчення впливу ашзотропп теплопровiдностi на температур-не поле i поперечну термоЕРС електроiзольованого АОТЕ, а також його енер-гетики привело б до уточнення фiзичних процесiв, що в ньому протжають, i ро-зширення обласл його застосування.
2. Обект дослвдження та його технолопчний аудит
Об 'ект досл1дження - пряме взаемне перетворення теплово! та електрично! енерги за допомогою ашзотропних термоелектричних середовищ.
Предмет досл1дження - фiзичнi процеси в АОТЕ та можливосл !х практичного використання.
Тепершнш час характеризуеться зростанням iнформацiйних потреб ^ от-же, розвитком засобiв шформаци. Звiдси випливае перспективнiсть використання термоелектрики для розв'язання шформацшних задач. Термоелектрич-ними засобами можливе ефективне вимiрювання температур, густин теплових потоюв, потужностей випромiнювання та ш. Отже, створення та використання нових тишв термоелементiв мае бути спрямоване в першу чергу для створення приладiв шформащйно! технiки.
Для реестрацп променевих потокiв використовуються АОТЕ. На !х основi створенi приймачi променево! енерги прохiдного типу, якi утримують оптично прозорi тепловiдводи, до яких за допомогою клейового дiелектричного проша-рку прикрiплюються АОТЕ [3, 4]. Такий тепловщвщ, забезпечуючи надiйне зшмання вiдпрацьованого в ТЕ тепла, приводить, тим не менше, до значного спотворення амплггудно-фазових характеристик прохiдного променевого потоку, обмежуючи тим самим енергетичш i часовi характеристики приймачiв. Тому задача про створення тако! конструкци приймача, яка була б вшьна вiд ука-заних недолтв, е перспективною. Один з варiантiв конструктивного вирiшення ще! задачi приведений в данiй роботi.
3. Мета та задачi дослiдження
Мета досл1дження - винайдення нових ашзотропних оптикотермоелемен-™ (АОТЕ), дослiдження фiзичних процесiв, що в них протжають, визначення областей !х застосування, а також покращання характеристик стандартних АОТЕ шляхом конструктивних змш.
Для досягнення поставлено: мети необхщно вирiшити наступш задача
1. Вивчити вплив натжання тепла всередину АОТЕ через боковi гранi на розподiл температури в !х середнiй частинi в залежностi вiд спiввiдношення ге-ометричних розмiрiв.
2. Знайти можливост створення нових АОТЕ, як можна використовувати для охолодження або стабшзаци робочо! температури рiзного роду мiкроприладiв.
4. Дослвдження iснуючих р1шень проблеми
Результати дотджень грунтуютъся на термодинамiцi термоелектричних i тер-момагнiтних явищ, основнi положення i закономiрностi яко! викладенi в пращ [5].
Першi результати експериментальних дослiджень ишкеИг-ефекту в АОТЕ наведеш в [6, 7]. Показано, що при певних орiентацiях шдукци магштного поля i градiента температури вщносно кристалографiчних осей монокристала Ы ш-версiя шдукци магнiтного поля приводить до змши величини i знаку поздовж-ньо! термоЕРС. Фiзична природа цього явища вияснялась вперше в [8, 9], в
яких дослщжувалась залежтсть поздовжньо! термоЕРС вщ напрямку шдукци поперечного магнiтного поля при напрямку градiента температури.
Розглянуто АОТЕ з погляду одновимiрноl температурно! моделi, яка засто-совувалась в [10-12]. Одновимiрна температурна модель використовувалась також в роботi [13]. Суть ще! моделi полягае в тому, що зразок АОТЕ, який знаходиться в поперечному магштному полi, або володiе поперечною термоЕРС, проявляе або ефект Еттингсгаузена або поперечний ефект Пельтье, насть льки довгий, що ефектами на торцевих гранях можна знехтувати. Тобто нать кання тепла всередину АОТЕ через торщ не впливае на процеси, що вщбува-ються в його середнш частит. У цьому випадку вважаеться, що в середнш частит зразка температура одновимiрна, а електричне поле вздовж напрямку струму постшне. Створення нових АОТЕ було розглянуто в [14]. Недолжом цих робгг е те, що при розрахунках робочих характеристик не враховувалась залежтсть термоЕРС вщ шверси шдукци магттного поля. Така залежнiсть бу-ла до деяко! мiри врахована автором при дослщжент роботи АОТЕ в режимi генерацil електрично! енергil i частково в режимi охолодження в [15]. Однак ряд важливих питань залишились невирiшеними.
5. Методи дослвдження
Розглянемо АОТЕ, що виготовлений з оптично прозорого в заданому спек-трi частот та матерiалу у виглядi круглого цилiндра 1 радiусом а и висотою Ь з термостатованою при температурi Т0 боковою поверхнею (рис. 1).
Рис. 1. Схема атзотропного оптикотермоелемента, що застосована для розра-
хунку розподiлу температури
» У
Кристалографiчнi осi з максимальною i мiнiмальною термоЕРС розташо-ванi в площинi (х, у). На рис. 1 штриховкою показано напрямок кристалографь
чно! oci, електричнi зонди для вимiрювання термоЕРС - цифрами 2. Орiентащя кристалографiчних осей при цьому вибираеться за умови одержання максимально! поперечно! термоЕРС [16].
Нехтуючи вщбиванням падаючого монохроматичного промене q0 на границях АОТЕ (y=0 та y=b ), подамо узагальнене рiвняння ност з урахуванням закону Бугера у виглядг
dT , dT , qLe-ry = 0
dx dy1 х '
1я вiдповiдн(
Рiвняння (1) справедливе для будь-якого перетину (x, y), оскiJ ропна. У такш постановцi iзотермiчнi лiнi! для кожно! з площин y= const -концентричш кола. Третiй член в (1) - внутршне джерело тепла. Це рiвняння необхiдно розглядати сумюно з граничними умовами:
T(-a,y) = T(a,y) = T, (2)
dT(x,0) dT(xb)
де Х,Г - коефiцiенти - теплопровiдностi i поглинання вщповщно, якi вважа-ються постiйними.
оскшьки х- iзот-
dy Л dy
■ = 0. (3)
Умови (3) випливають з вимог неперервностi теплового потоку на границях ( у= 0 и у= Ь).
Запишемо розв'язок рiвняння (1) у вигляд розкладу в ряд Фур'е за косинусами:
7(х,у) = T + ^(х) + Х ^^ЗпУ, (4)
П=1
де дп = т/Ь, f - нульовий член розкладу. Поставивши (2) в (1), одержимо:
0(х) + П(х)-зпп(х)+ С+Сп=0, (5)
де С0, Сп - коеiенти розкладу в ряд Фур'е за косинусами функцй:
(ЯогЬ ry),
якi мають е
, (1 - e ), rb
>(x)-Si fix) + C = 0.
З цих piBMHb одержимо:
С ' Sd- , D „S„x
fn(x) = Sd + Де- Bae
fo(x) = - ^cX + cx+ F (7)
де Д, BD G, F - постшт iнтегрування.
Використовуючи граничнi умови (4) i вирази (2), (6), (7), запишемо:
Cd + Anes Da + BneôDa = 0,
С-si
С + Ane~ sna + Bnes na = 0,
— COa2 -Ga + F= 0,
— Ca2 + Ga + F= 0.
З перших двох рiвнянь знайдемо:
С 1 A = И = Cn 1
n n S2n 2chSnc а два других дадуть: G= 0, F= C0a2/2. Отже розподiл температури буде мати вигляд:
T(x,y) = T0 + Ca2 - X) + Cchsh ch nX cos Sy 2 D=i Sn chSaa
Рiзниця потенцiалiв мiж точками (a,b/2) та (-a,b/2) (зонди 2 на рис. 1) складе величину:
A,= 2«11 ±S sna- ^^
Поставивши замють Сп и 8п !х значення, для рiзницi потенцiалiв А^ отримаемо:
, пита 1 , пита
Адд/Ь А 1 -(-№ п—асЬ~Ъ- Ы1>-Ь
А"~ Ьп (п—2+ьЬу2) сЬ—
ь
Рiзниця потенцiалiв А^ являе собою термоЕРС, яка обумовлена наявшстю падаючого променевого теплового потоку д0, ашзотрошею коефiцiента термоЕРС а12, теплопровщшстю % и поглинанням у. Рiзниця потенцiалiв залежить також вщ геометричних розмiрiв АОТЕ а та Ь.
У випадку застосування розглянутого АОТЕ в якост датчика приймача прохщного потоку за умов а > Ь, уЬ<< 1 для рiзницi потенцiалiв А^ з великою точшстю можна записати:
А^ = — ^ЧЛУЬ)2-— %
Вольт-ватну чутливють подамо виразом:
5= 8 • 10-2^12у2Ь (%а)~\
Потужнiсть е^валентного шуму Р даного приймача мае вигляд:
Р= 2.5 •Ю-2 %а{апу)~1 {кТтЬ), а постшна часу:
Г)
-т = Аи2 (—а0 )-1. Максимальна густина контрольовано! енерги ^тах:
4паХ = 2АТ%(уа2 ).
В наведених виразах: к - постшна Стефана-Больцмана; а0, а, АТ - тем-пературопровiднiсть, електропровiднiсть i допустима температура перерву матерiалу АОТЕ вщповщно.
6. Результати дослiдження
В табл. 1 наведено параметри реальних оптично-прозорих кристалiв, що володiють ашзотрошею коефiцiента термоЕРС при температурi 300 К [17].
Таблиця 1
Матерiали виготовлення ашзотропних термоелементiв_
Матерiал Область оптичного пропус-кання X, мкм Коефщь ент опти-чного по-глинання у, см-1 Коефщент поперечно! термоЕРС, Да, мкВ • К-1 Коефщент теплопровь дностi, X, Вт • см'1 К-1 Коефiцiент електропро-вщност^ о, Ом'1 см-1
СёБЬ 2,6-40,0 0,1-0,3 100-300 1,5 10-2 0,3
2,4-27,0 0,4-0,8 100-200 1,1 10-2 1,5
С^ 1,25-16,0 0,5-1,0 250-450 3 10-2 0,03
7ПЛБ2 1,36-21,0 0,8-1,2 180-360 6 10-2 0,01
СёБ 0,5-18,0 0,2-0,8 120-220 2 10-1 0,6
Використання матерiалiв з табл. 1 дало змогу створити конструкци рiзних ашзотропних термоелектричних елемеилв:
- стабiльних в час приймачiв прохiдного типу з вольт-ватною чутливютю £=10-6-10-3 В/Вт-1;
- робочою площадкою 0,1-5,0 см при максимальному значенш густини
-3 1 2
потоку енерги дтах =10-10 Вт/см в широкому спектральному дiапазонi, з мо-жливiстю !х використання в якост фiльтра.
На основi АОТЕ була розроблена конструкщя приймача лазерного випро-мiнювання (рис. 2). За допомогою цього приймача можна визначати розподш енерги променевого потоку за поперечним перерiзом пучка в широкому спектральному та енергетичному дiапазонах, який захищений патентом Укра!ни [18].
1
Рис. 2. Конструкщя приймача теплового випромшювання на основi анiзотропного оптикотермоелементу: 1 - ашзотропний оптикотермелемент;
2 - теплопровщне електроiзоляцiйне кiльце;
3 - термостат; 4 - електричш з'еднання
Ашзотропний оптикотермоелемент широко використовуються в вимiрю-вальнiй технiцi. Для репстраци та вимiрювання енергетичних потокiв ефектив-но використовуються новi анiзотропнi оптикотермоелементи. Вони незамшш при дослiдженнi, наприклад, потужного лазерного випромiнювання. В област азотних температур та нижче перспективним е використання гальванотермома-гнiтних охолоджуючих пристро!в для охолодження та стабшзацп температури рiзного роду мiкросенсорiв та приладiв мiкроелектронно! техшки
7. SWOT-аналiз результатiв дослiджень
Strengths. Сильною стороною дослщження е вивчення природи фiзичних процесiв в термоелектричних середовищах, якi е основою винайдення оригшальних важливих з практичного погляду елементiв та вивчення явищ, що в них протiкають.
Weaknesses. Слабкою стороною дослiдження е неврахування залежност термоЕРС вiд iнверсi! iндукцi! магнггного поля (umkehr-ефект), що значною мь рою обмежуе вказанi можливостi.
Opportunities. У подальшому необхiдно дослiдити вплив шверси шдукци магнiтного поля (umkehr-ефект) на характеристики поздовжшх АОТЕ i проаналiзувати можливостi створення на основi одержаних результатiв АОТЕ, принцип дп яких грунтуеться на umkehr-ефектi. Також необхщно запропонувати та дослiдити фiзичнi моделi поздовжнiх АОТЕ на основi ефекту Томсона, об'емного ефекту Пельтье та ефекту Бриджмена з погляду максимального зниження температури.
Впровадження результата дослщження у виробництво дасть змогу визначити економiчну ефектившсть вiд поточних витрат, пов'язаних з !х використанням у виробництвi. Прибуток вщ впровадження розробленого приймача теплового випромшювання на шдприемсга складе 100 у. е. [18].
Threats. При розрахунку розподшу температури i ККД прийнято, що роз-подiл температури двовимiрний, густина електричного струму, який виробля-еться АОТЕ, постiйна, кшетичш параметри матерiалу АОТЕ теж постшш ККД залежить вiд величин теплового потоку, зовшшнього електричного опору. В числовому вщношенш для сучасних термоелектричних однорщних анiзотроп-них матерiалiв вш може досягати величини ~ 0,8 %. Такий АОТЕ може викори-стовуватись в якос^ датчика теплового випромшювання.
Ощнювання всiх фiнансових витрат вщ впровадження приймача теплового випромшювання на основi анiзотропного оптикотермоелементу на шдприемст-вi, складе 0,007 % вщ вартостi приладу [18].
8. Висновки
1. Показано, що ашзотропш термоелектричнi елементи з робочою площад-
2 • *3
кою 0,1-5,0 см при максимальному 3Ha4eHHi густини потоку енерги qmax =10" -
12
10 Вт/см в широкому спектральному дiапазонi дають оптимальне охолоджен-ня обладнання.
2. Розроблено та випробувано конструкщю приймача потоку променево! енерги на основi анiзотропного оптикотермоелементу, при проходжент якого амплiтудно-фазовi характеристики потоку не змшюються. Приймач може вико-ристовуватись в якост фiльтра або нашвпрозорого дзеркала оптичного резонатора. Такий ефект завдяки тому, що при товщиш в 1 см обраний АОТЕ з пара-
4 2 3
метрами а=10" В/К, %=10" Вт/(см • К), р=10 Ом, струмовi 1=10 А i темперaтурi термостата 300 К см дае мшмальне значення температури 239 К.
Лггература
1. Korn, G. A. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review (Dover Civil and Mechanical Engineering) [Text] / G. A. Korn, T. M. Korn. - Dover Publications, 2000. -1152 p.
2. Lansberg, G. S. Optika [Text] / G. S. Lansberg. - Moscow: Nauka, 1996. - 927 p.
3. Ascheulov, A. A. Radiatsionnyi anizotropnyi optikotermoelement s bokovym termostatirovaniem [Text] / A. A. Ascheulov, V. G. Ohrem // TKEA. -2014. - № 1. - P. 45-47.
4. Ascheulov, A. A. EDS anizotropnogo termoelementa v rezhime opticheskogo propuskaniia [Text] / A. A. Ascheulov, V. M. Kondratenko, Yu. B. Piliavskii, I. M. Rarenko // FTP. - 2014. - Vol. 18, № 7. - P. 1330-1331.
5. Samoilovich, A. G. Sovremennoe sostoianie termoelektricheskih i termomagnitnyh iavlenii v poluprovodnikah [Text]. Part 1. Termodinamicheskaia teoriia / A. G. Samoilovich, L. L. Korenblit // UFN. - 1984. - Vol. 49, № 3. -P. 243-272.
6. Wolfe, R. Experimental Verification of the Kelvin Relation of Thermoelectricity in a Magnetic Field [Text] / R. Wolfe, G. E. Smith // Physical Review. -1963. - Vol. 129, № 3. - P. 1086-1087. doi:10.1103/physrev.129.1086
7. Wolfe, R. Negative thermoelectric figure of merit in a magnetic field [Text] / R. Wolfe, G. E. Smith, S. E. Haszko // Applied Physics Letters. - 1963. -Vol. 2, № 8. - P. 157-159. doi:10.1063/1.1753823
8. Smith, G. E. Analysis of the transport phenomena in bismuth [Text] / G. E. Smith, R. Wolfe // J. Phys. Soc. Japan Suppl. - 2016. - Vol. 21. - P. 651-656.
9. Goldsmith, H. J. Thermoelectric refrigiration [Text] / H. J. Goldsmith. -London, 2014. - 246 p
10. Harman, T. C. Thermoelectric and thermomagnetic effects and applications [Text] / T. C. Harman, J. M. Honig. - New-York: Mc Graw-Hill book Company, 2010. - 377 p.
11. Kooi, C. F. Thermoelectric-Thermomagnetic Energy Converter Staging [Text] / C. F. Kooi, R. B. Horst, K. F. Cuff // Journal of Applied Physics. - 1968. -Vol. 39, № 9. - P. 4257-4263. doi:10.1063/1.1656957
12. Delves, R. T. The prospects for Ettingshausen and Peltier cooling at low temperatures [Text] / R. T. Delves // British Journal of Applied Physics. - 1962. -Vol. 13, № 9. - P. 440-445. doi:10.1088/0508-3443/13/9/302
13. Harman, T. C. Erratum: Operating characteristics of transverse (nernst) anisotropic galvano-thermomagnetic generators [Text] / T. C. Harman, J. M. Honig // Applied Physics Letters. - 1963. - Vol. 2, № 2. - P. 44-48. doi:10.1063/1.1753765
14. Ohrem, V. G. Issledovaniia vliianiia inversii magnitnogo polia na termoEDS [Text]: PhD thesis: 01.04.10 / V. G. Ohrem. - Chernovtsy, 2002. - 98 p.
15. Ascheulov, A. A. Anizotropnyi termoelement vnutrennego opticheskogo otrazheniia [Text] / A. A. Ascheulov, I. V. Gutsul, I. M. Rarenko // UFZh. - 2003. -Vol. 38, № 6. - P. 923-927.
16. Ascheulov, A. A. Anizotropnyi radiatsionnyi termoelement dlia izme-renii prohodnoi moshchnosti [Text] / A. A. Ascheulov // Optiko-mehanicheskaia promyshlennost'. - 2015. - № 12. - P. 48-49.
17. Anisotropic thermoelectric thermal radiation detector [Electronic resource]: Patent of Ukraine № 63394 A, MKB 7 H101L32/02 / Ascheulov A. A., Ohrem V. G. - Publ. 15.01.2004. - Available at: \www/URL: http://uapatents.com/2-63394-anizotropnijj-termoelektrichnijj-prijjmach-viprominyuvannya.html
18. Patent of Ukraine / Danalakiy O.; Institute of Thermoelectricity. - Appl.
Bull. № 1. - 6 p.
